Des chercheurs résolvent un mystère botanique centenaire qui était la clé de la propagation de la vie végétale sur terre


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  • Les premières plantes terrestres étaient petites – quelques centimètres de haut au plus – et limitées aux habitats humides et marécageux autour des ruisseaux et des étangs. Cependant, il y a environ 400 millions d’années, les plantes ont développé des systèmes vasculaires pour extraire plus efficacement l’eau du sol et l’utiliser pour la photosynthèse, une transition qui modifierait à jamais l’atmosphère et les écosystèmes de la Terre. Une équipe de chercheurs vient de résoudre un mystère paléontologique vieux de 100 ans : comment les plantes anciennes ont-elles émergé des marécages et des berges vers de nouveaux habitats avec un accès limité à l’eau ?

    Dans un nouvel article publié dans La scienceprofesseur YSE d’écologie physiologique végétale Craig Brodersen et son équipe de recherche, dont l’auteur principal Martin Bouda ’17 PhD, ’12 MPhil et Kyra A. Prats ’22 PhD, ’16 MFS, ont découvert qu’un simple changement dans le système vasculaire des plantes les a rendues plus résistantes à la sécheresse, ce qui a ouvert de nouveaux paysages à l’exploration.

    La recherche a été stimulée par un débat d’un siècle sur les raisons pour lesquelles le système vasculaire simple et cylindrique des premières plantes terrestres s’est rapidement transformé en des formes plus complexes. Dans les années 1920, les scientifiques ont noté cette complexité croissante dans les archives fossiles mais n’ont pas été en mesure de déterminer la raison – s’il y en avait même une – des changements évolutifs.

    Au cours de la dernière décennie, Brodersen et ses collègues ont exploré les implications de la construction des systèmes vasculaires des plantes modernes, en particulier dans le contexte de la sécheresse. Lorsque les plantes commencent à se dessécher, des bulles d’air se coincent dans le xylème, qui est le tissu spécialisé qui transporte l’eau et les nutriments du sol vers les tiges et les feuilles. Les bulles bloquent le mouvement de l’eau. Sans contrôle, ils se propagent dans tout le réseau, déconnectent les plantes du sol et entraînent finalement la mort des plantes. Éviter la formation et la propagation de ces bulles est d’une importance cruciale pour tolérer la sécheresse aujourd’hui, et l’équipe de recherche a appliqué cette même réflexion pour expliquer les modèles d’organisation vasculaire dans les archives fossiles.

    Les systèmes vasculaires en forme de cylindre des premières plantes terrestres, qui ressemblaient à un faisceau de pailles, leur avaient d’abord bien servi dans leurs premiers habitats aquatiques. Mais au fur et à mesure qu’elles se déplaçaient sur des terres avec moins de ressources en eau, les plantes ont dû surmonter les bulles d’air induites par la sécheresse. Les premières plantes terrestres l’ont fait en reconfigurant le xylème ancestral de forme cylindrique en formes plus complexes qui empêchaient les bulles d’air de se propager.

    Historiquement, les observations de complexité vasculaire croissante dans les archives fossiles étaient considérées comme une coïncidence et d’une importance marginale, un sous-produit de la croissance des plantes et du développement d’une architecture plus complexe. La nouvelle étude renverse ce point de vue.

    « Cela ne s’est pas produit par hasard. Il y a en fait une bonne raison évolutive », explique Bouda. « Il y a eu une forte pression de la sécheresse qui a rendu cela possible. C’était l’énigme centenaire, à laquelle nous avons maintenant répondu. »

    Bouda note que la composition de l’équipe de chercheurs qui a co-écrit l’étude, qui comprenait un paléobotaniste, des physiologistes des plantes et un hydrologue, a aidé à fournir des techniques et des perspectives qui les ont amenés à découvrir la raison de la structure vasculaire complexe qui avait émergé dans Plantes de l’ère dévonienne. L’équipe a utilisé la microscopie et l’analyse anatomique pour voir le fonctionnement interne des spécimens de plantes, qui comprenaient des spécimens fossiles du Yale Peabody Museum et des plantes vivantes de la forêt de Yale Myers, du Marsh Botanical Garden, du New York Botanical Garden et de l’Université du Connecticut. . En utilisant ces informations, l’équipe a ensuite prédit les configurations vasculaires qui pourraient tolérer la sécheresse et a illustré comment des changements de forme apparemment simples conduisent à de profondes améliorations de la tolérance à la sécheresse.

    « Chaque fois qu’une plante s’écarte de ce système vasculaire cylindrique, chaque fois qu’elle change un peu, la plante obtient une récompense en termes de capacité à survivre à la sécheresse. Et si cette récompense est constamment là, alors elle va forcer les plantes à la direction s’éloignant de l’ancien système vasculaire cylindrique vers ces formes plus complexes », explique Brodersen. « En faisant ces très petits changements, les plantes ont résolu ce problème qu’elles ont dû résoudre très tôt dans l’histoire de la terre, sinon les forêts que nous voyons aujourd’hui n’existeraient tout simplement pas. »

    Ces changements se sont produits assez rapidement – dans des délais paléontologiques, c’est-à-dire sur environ 20 à 40 millions d’années. Les forces motrices derrière le changement de la structure vasculaire des plantes pourraient aider à éclairer la recherche sur la sélection de plantes résistantes à la sécheresse, en aidant à renforcer la résilience aux impacts du changement climatique et à résoudre les problèmes d’insécurité alimentaire liés à la production.

    « Maintenant que nous comprenons mieux comment les systèmes vasculaires sont assemblés et comment cela influence la capacité d’une plante à tolérer la sécheresse, c’est le genre de chose qui pourrait être utilisée comme cible pour les programmes de sélection – par exemple, faire de meilleures racines systèmes, améliorant ainsi les systèmes vasculaires des plantes », déclare Brodersen.

    Les co-auteurs de l’étude comprennent Brett A. Huggett, professeur agrégé de biologie au Bates College; Jay Wason, professeur adjoint de physiologie de l’écosystème forestier à l’Université du Maine; et Jonathan Wilson, professeur agrégé d’études environnementales au Haverford College.

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