Plongée au cœur des étonnantes capacités neurobiologiques des plantes

Au cours des dernières décennies, les chercheurs de tous bords se sont penchés sur les capacités sensitives des plantes. Et ils ont découvert que les végétaux disposent d’un nombre incroyable de sens.

- La vue

Les plantes ont tout d’abord la faculté de voir, grâce à des molécules chimiques situées aussi bien sur les feuilles, que sur les apex, les vrilles ou même les racines, et qui leur servent de photorécepteurs. Elles sont ainsi à même d’évaluer la quantité d’ondes lumineuses. Mais pas seulement. « Elles sont capables de recevoir et de transmettre des informations sur la direction et la qualité des rayons lumineux, qu’elles savent distinguer de l’ombre, et dont elles peuvent en outre calculer la longueur d’onde », souligne le chercheur italien Stefano Mancuso dans son livre "L’intelligence des plantes". Ces informations leur permettent de se diriger vers la source émettrice, à l’instar des tournesols, qui suivent le mouvement du soleil.

- L’odorat

Parallèlement à cela, les végétaux disposent de « récepteurs de substances volatiles » et emploient les odeurs pour « communiquer » avec leurs congénères ou même avec les animaux (voir le paragraphe sur la communication ci-après). Certaines plantes angiospermes sécrètent par exemple des fragrances spécifiques pour attirer les insectes pollinisateurs ; d’autres libèrent des molécules (comme le jasmonate de méthyle) en situation de stress, afin d’avertir leurs voisines.

- Le goût

De même, s’ils ne disposent pas d’organe dédié au goût à proprement parler, les végétaux ne sont pour autant pas dépourvus de facultés gustatives. Leurs racines ont ainsi « la capacité à reconnaître des quantités infinitésimales de sels minéraux dissimulés dans plusieurs mètres cubes de terre », enseigne Stefano Mancuso. Par ailleurs, certaines plantes carnivores comme la dionée, se rouvrent si elles se sont refermées sur une proie ou un objet qu’elles jugent peu savoureuse ou indigeste. Preuve s’il en est que les plantes ont un goût.

- Le toucher

Mais qu’en est-il du toucher ? Pour répondre à cette question, il suffit d’observer certaines variétés, à commencer par le Mimosa pudica. Dès lors qu’un corps étranger entre en contact avec ses feuilles, elles se replient. En revanche, le comportement se modifie si le corps en question est une goutte d’eau ou un courant d’air. Les feuilles restent alors dépliées. « Les plantes sont donc douées d’une capacité tactile passive », déduit le chercheur italien. Le mécanisme physiologique est d’ailleurs analogue à celui des animaux. Il fait intervenir des canaux mécano-sensibles dans la membrane des cellules : « en cas de déformation de la cellule, le canal s’ouvre et laisse entrer des ions calcium, ce qui crée le signal », exposait Ludovic Martin, chercheur à l'Inrae de Clermont-Ferrand, lors d’un cycle de conférences sur l’intelligence des plantes de la Bibliothèque publique d’information (Bpi). Mieux, les végétaux seraient même capables de distinguer si on les touche, les frotte, les mord… Les vrilles des lianes, telles que la vigne, adoptent la même attitude que le Mimosa pudica. « Lorsqu’elles touchent un objet, elles se recroquevillent en quelques secondes de manière à l’envelopper », observe Stefano Mancuso.

- L’ouïe

Petit dernier, mais non des moindres : l’ouïe. À l’image des serpents, des taupes ou encore des vers de terre, les végétaux perçoivent les sons par le biais de canaux mécano-sensibles. En témoigne cette expérience présentée par Bertrand Schatz, responsable de l’équipe de recherche Interactions Biotiques du CNRS de Montpellier, lors du cycle de conférences de la Bpi. « Si une chauve-souris passe à proximité de la plante, en émettant un son à 35 kHz, cette dernière ne bouge pas, relate le directeur de recherche. Par contre si son pollinisateur, qui émet un son à 1 kHz, passe à côté, elle va réagir et produire en un temps assez rapide un peu plus de nectar pour favoriser l’interaction avec ce bourdon. » Une étude australienne suggère même que les plantes perçoivent le son des rivières, ce qui permet aux racines d’aller dans la bonne direction en l’absence de gradient d’humidité. Par ailleurs, les fréquences sonores basses (entre 100 et 500 hertz) favorisent la germination et la croissance des plantes, tandis que les élevées l’inhibent. Une expérimentation menée par le laboratoire international de neurobiologie végétale (LINV) et la société Bose, a ainsi mis en exergue que des vignes « soumises à une cure sonore ont mieux poussé que les autres, et ont de surcroît mûri plus vite et produit un raisin plus riche en goût, en couleur et en polyphénols », rapporte Stefano Mancuso. Un traitement qui a également perturbé et éloigné les insectes, ce qui a permis de réduire l’usage des insecticides. Des études récentes ont même établi que l’exposition aux sons modifie l’expression génétique des plantes.

- Et aussi…

Outre ces étonnantes capacités, les plantes savent évaluer le taux d’humidité d’un sol, jauger les champs électromagnétiques et la pesanteur, ou encore mesurer « un nombre très élevé de gradients chimiques contenus dans l’air ou dans le sol », poursuit Stefano Mancuso. Elles sont également dotées, comme nous, de proprioperception. C’est-à-dire qu’elles connaissent la forme de leur corps. « Il y a des cellules tout au long de la plante, avec des 'câbles' identiques à nos muscles, qui permettent aux végétaux de sentir leurs mouvements », détaille Bruno Moulia, chercheur à l’Inrae de Clermont-Ferrand et spécialiste des arbres. Autant de sens qui leur permettent de se développer vers les zones qui leur sont les plus favorables.

Les plantes (et notamment leurs apex racinaires) sont capables de mesurer tout un tas de paramètres (taux d’humidité, pesanteur, etc.), mais aussi de prendre des décisions en conséquence, telles que, par exemple, se diriger vers la zone ayant le meilleur équilibre entre le taux hydrique, la présence de minéraux et d’oxygène. Des décisions qui nécessitent un réel arbitrage et nombre de calculs savants. « Si l’on considère que l’intelligence revient à résoudre des problèmes pendant toute sa vie, alors oui, les plantes sont intelligentes », estime Bruno Moulia. « Il y a une forme d’inventivité de la part des végétaux qui se manifeste à travers les variabilités comportementales des individus, poursuit Quentin Hiernaux, chercheur à l'EHESS et au FNRS à l’université libre de Bruxelles. Et il faut que la recherche agronomique s’en empare. Les modèles que l’on utilise aujourd’hui rendent compte de synthèses globales. Cela fonctionne bien jusqu’à un certain niveau mais il y a une limite. » C’est comme si on extrapolait un modèle de consommation à tous les clients d’un supermarché pour nous. Tous les individus n’ont pas la même stratégie. Pour lui l’agronomie doit être plus subtile, car il existe des différences de comportement même entre clones homogènes. De son côté, François Bouteau, maître de conférences et chercheur au laboratoire interdisciplinaire des énergies de demain, préfère parler d’agentivité des plantes, terme plus consensuel selon lui.

L’une des découvertes les plus étonnantes de ces dernières années concerne le fait que les végétaux sont capables de garder des informations en mémoire. L’expérimentation a démontré, par exemple, qu’ils s’habituent à un stimulus tactile régulier. Quand on la touche, une plante réagit en interne. Mais si on répète le geste tous les jours et qu’elle comprend que ce n’est pas dangereux pour elle, alors elle ne répond plus. Elle garde en revanche la faculté de réagir face à un autre stimulus qu’elle ne connaît pas ! C’est d’ailleurs ce qu’il se passe dans le cas du vent. Le laboratoire PIAF a réalisé une expérience avec l’Inrae de Nancy en 2016, dans une forêt de hêtres. Les chercheurs ont observé qu’ils mémorisent les courants « pendant au moins une semaine mais sûrement près d’un mois », relate Bruno Moulia, et font le tri entre les vents habituels (qui ne causent pas de problèmes à la croissance) et les tempêtes. Ils savent donc de quel côté provient généralement le danger et bâtissent leur tronc en fonction. « De même, il a été démontré que des plantes qui ont connu un stress hydrique sont davantage efficaces lors d'un nouvel épisode de sécheresse qu'une plante qui n’en a jamais connu, ajoute Quentin Hiernaux. La manière dont elles développent leur système racinaire est aussi influencée par le type de sol auquel elles ont déjà été confrontées. Il s'agit d'exemples importants du rôle de la mémoire et de l'apprentissage chez les plantes. »

Autre signe de leur haute adaptabilité, les végétaux sont présents sur 99,7 % de la planète, selon Stefano Mancuso. Ce qui implique évidemment la colonisation d’espaces particulièrement hostiles, à l’instar des terrains salins. Décrypter les mécanismes d’adaptation des plantes halophytes à un tel environnement permettrait de réelles avancées en agronomie, et notamment dans le Sud de la France, vers Sérignan, où des vignerons sont confrontés à la salinisation des terres. C’est à cela que s’attelle l’équipe de François Bouteau. D’après ses travaux de laboratoire, la capacité à survivre dans un milieu salé est fonction du seuil de sensibilité de la plante et de sa réaction antioxydante plus efficace. « On pourrait donc imaginer de sélectionner des plantes ou des cépages ayant une bonne capacité à synthétiser des molécules antioxydantes », déduit François Bouteau.

Mais où sont donc stockées toutes ces informations ? Quel est le siège de la mémoire végétale ? « On ne sait pas exactement, avouait Bruno Moulia en 2019. Il y a plusieurs travaux sur le sujet mais les recherches commencent juste. » Une hypothèse privilégiée est l’épigénétique, c’est-à-dire à travers des petites marques dans l’ADN.

Quoi qu’il en soit, cette faculté laisse imaginer diverses applications en agronomie. Puisque les végétaux peuvent garder des informations pour les réutiliser, pourquoi ne pas trouver un jour un moyen « d’éduquer » les jeunes vignes en pépinière, vis-à-vis du stress hydrique, du type de sol, etc. ?

Aussi incroyable que cela puisse paraître, les plantes possèdent une forme de « communication ». Il ne s’agit pas d’un langage verbal, comme on l’entend habituellement, ni d’un langage corporel, comme cela peut être le cas chez les animaux. Les plantes communiquent de manière bien plus subtile. Voici quelques mécanismes qui sont à l’œuvre.

- Les potentiels d’action

« À la fin du XIXe siècle, en 1873, John Scott Burdon-Sanderson a mis en évidence l’émission de signaux électriques chez la plante, en réponse à un stimulus », relate François Bouteau.

Ce signal, qui relève de la communication interne, permet à chaque partie de la plante d’envoyer un message à toutes les autres cellules. L’électrophysiologie a ensuite pris son envol dans les années 1960 et les chercheurs ont mesuré des signaux sur des distances allant jusqu’à 20 ou 25 cm. « Ensuite, on ne sait pas trop ce qu’ils deviennent, pointe Catherine Lenne, maître de conférences et auteur de l’ouvrage « Dans la peau d’un arbre ». On ignore s’ils perdurent mais sont indétectables avec nos instruments actuels ou s’ils se modifient en un autre type de signal ou s’ils s’arrêtent. » Ces signaux peuvent en revanche véhiculer tout un tas d’informations : présence de stress hydrique, bourrasque, attaque de pathogènes, etc.

- Les composés organiques volatiles

Dans les années 1980, les chercheurs se sont penchés sur la sensibilité des végétaux et leurs mécanismes de défense face aux herbivores ou aux différents stress. C’est la fameuse histoire des acacias qui, dévorés par des koudous, se mettent à sécréter des tanins rendant leurs feuilles moins appétentes. Durant cette même période, des travaux de laboratoire ont établi qu’une plante blessée émet des composés organiques volatiles (COV), tels que des terpènes, du jasmonate de méthyle ou encore de l’éthylène. Ces émissions peuvent être captées par une autre partie de la plante, ou par une autre plante à proximité. Du moins, en atmosphère contrôlée. « En laboratoire, lorsque l’on dirige les COV d’une plante agressée ou stressée vers une autre, cela déclenche une réponse comparable à celle de la plante attaquée, relate la maître de conférences. Du coup, la seconde plante répond beaucoup plus vite à l’agression. »

Mais qu’en est-il concrètement sur le terrain ? Des essais menés sur armoises arborescentes ont mis en évidence que lorsqu’une armoise est attaquée par des pucerons, elle émet des COV qui se répandent au maximum à 50 cm autour d’elle et ne sont donc captés que par la plante voisine. « Le chercheur en a conclu que le message était peut-être davantage destiné aux autres organes de la plante plutôt qu’à ses congénères », rapporte Catherine Lenne. Un procédé qui lui permettrait de réagir plus rapidement. Quoi qu’il en soit, il existe bel et bien une communication aérienne, qui peut être reçue et décryptée par une plante voisine. Et cela va même plus loin. « On a découvert qu’une feuille agressée par une chenille va synthétiser des molécules volatiles similaires aux phéromones sexuelles du prédateur de la chenille », informe François Bouteau. Soit un genre de communication avec le règne animal !

- Les hormones, les pressions de sève et échanges racinaires

Les végétaux sécrètent également des hormones, comme les fameuses auxines et gibbérellines, ou même génèrent des vagues de pressions dans la sève qui sont « des signaux encodés » », poursuit François Bouteau. Et les scientifiques, notamment Francis Martin de l’Inrae, ont même découvert une voie de communication racinaire, par le biais d’anastomoses de racines (communication naturelle établie entre deux racines, genre de greffe naturelle) ou de mycorhizes. Les plantes s’échangeraient ainsi des acides aminés, des sucres ou encore du jasmonate. Ces communications de molécules solubles peuvent être intra ou interespèces, des transferts entre bouleaux et pins Douglas ayant été mis en évidence, même si les quantités de substances échangées sont très faibles.

Toutes ces découvertes, qui ont longtemps été mises de côté suite au scepticisme d’une majeure partie des scientifiques, rencontrent aujourd’hui un succès grandissant. Il faut dire qu’elles pourraient apporter des solutions à nombre de problèmes concrets rencontrés dans l’agriculture contemporaine. On pourrait imaginer une alarme SMS indiquant une attaque de mildiou ou le franchissement d’un seuil de contrainte hydrique sévère. C’est déjà en partie chose faite chez Vivent et Vegetal Signals (voir pages 36 et 37). « On pourrait également s’en servir pour savoir si les produits de biocontrôle fonctionnent, ou optimiser l’efficacité des traitements », imagine Philippe Lehrmann, qui avait fondé l’entreprise EchoGreen, spécialisée en électrophysiologie, aujourd’hui fermée.

Malheureusement, même si tous ces signaux sont connus depuis de nombreuses années, leur interprétation n’est pas si simple. Du côté des molécules volatiles, la difficulté réside dans l’interprétation des cocktails de molécules, avec des quantités très différentes, que l’on retrouve dans la nature. « On a des outils depuis seulement vingt ans, relativise François Bouteau. Et ils sont encore très chers. Nous sommes encore loin d’avoir tout compris et maîtrisé. » De même, si les signaux électriques émis par les végétaux peuvent bel et bien être mesurés, « on a beaucoup de mal à les décoder », regrette-t-il. Selon lui, il faut sortir de l’idée qu’un détecteur branché sur une plante donnera la solution. Et ce d’autant plus que « dans une même parcelle, on aura différentes réponses, poursuit-il. Je pense qu’il faut regarder les choses de manière globale et que les nouvelles informations permettront de proposer des solutions plus complexes qu’un stimulus massif. » À l’avenir, on peut imaginer sortir du système agricole actuel avec les produits phytosanitaires et des intrants, pour aller vers un panel d’outils très différents, consistant à favoriser la santé des sols et à stimuler les plantes (sonore, volatile, ou via l’implantation de plantes qui émettent ces composés).

Clara de Nadaillac et Xavier Delbecque