Une histoire de racines

Je vous propose encore un billet axé Nature et végétaux cette semaine. Après vous avoir parlé des arbres, de leurs feuilles et des troncs dans le précédent billet, je vous propose aujourd’hui de plonger dans les profondeurs du sol et de s’attarder un peu sur les racines ! C’est dans l’un des derniers numéros de Science (Décembre 2020 Vol. 370 Issue 6521) qu’on trouve le résultat de recherches issues d’une collaboration entre différentes équipes de différentes nationalités (chercheurs espagnols, brésiliens et américains). Et ils creusé le sujet des “racines” de végétaux !

Comme tout être vivant, une plante a besoin de ressources et doit mettre tout en oeuvre pour se les procurer. Et c’est bien sûr via le système racinaire que beaucoup de choses vont se jouer. Beaucoup de chercheurs s’intéressent donc à la façon dont vont s’organiser les réseaux de racines. Ces dernières sont-elles sensibles à la disponibilité et la variabilité locale des nutriments du sol ? Y a-t-il en conséquence un ajustement fin du déploiement et enfin, dans quelles mesures y a-t-il compétition entre espèces ?
Pourquoi s’intéresser à ce sujet en fait ? Premièrement, il est important de connaître pour une plante, son “pouvoir d’absorption” du CO2 présent dans l’air, une étape clé de la photosynthèse (dont le but est l’élaboration des sucres et autre entités afin de “construire le végétal” et de faire des réserves notamment dans les racines)… Donc bien connaître le système racinaire est primordial pour comprendre dans quelles mesures, elles peuvent aider au “piégeage” du carbone.
Et puis une autre raison de cerner le développement racinaire est que cela pourrait déboucher sur de nouvelles voies dans les pratiques agricoles. Alors qu’en est-il ?

Comment les plantes s’organisent-elles pour optimiser l’utilisation des nutriments disponibles dans le sol ?
Les principaux nutriments indispensables à la croissance d’un végétal et qui peuvent donc limiter son développement sont l’azote (N) et le phosphore (P). C’est pourquoi l’ajout d’engrais vient en général combler un déficit lorsqu’il est repéré. Mais afin d’optimiser ces apports, les scientifiques cherchent à bien comprendre les mécanismes mis en jeu dans la capture de ces nutriments par les plantes.
Il s’avère que dans les environnements riches, le développement végétatif (les feuilles) est important, il y a relativement peu de racines formées et pas de racines secondaires.
Dans les environnements plus pauvres, la croissance est limitée mais le système racinaire est étendu, avec des racines latérales et l’association souvent symbiotique avec des micro organismes du sol est accru. Ainsi, les racines “s’adaptent” aux concentrations locales en azote (les nitrates) et en phosphore (les phosphates) sachant que celles-ci peuvent être très variables d’un point à un autre d’une zone de sol mais également dans le temps.
Curieusement, dans des environnements non uniformes (des zones riches en nutriments juxtaposées à des zones pauvres), le végétal perçoit les différences, est capable de s’adapter et d’organiser sa distribution racinaire encore différemment.


Les études ont alors montré que dans toute cette belle adaptation, le développement foliaire (donc ce qui se passe “en surface”) joue un rôle clé dans la réponse des racines à la disponibilité des nutriments du sol. En effet, plusieurs processus sont à l’oeuvre :
– les racines repèrent les nutriments et en perçoivent la concentration locale,
– un échange d’informations feuilles/racines par le biais de peptides, de protéines, de molécules-transporteurs et d’hormones, voyageant par le xylème indique la présence de racines dans des zones en déficit de nutriments et dans des zones plus riches,
– un signal d’inhibition arrête la capture d’azote par les racines lorsque la quantité requise pour le développement est atteint.

Ainsi, une plante perçoit la nature du sol et selon la concentration en N/P, elle modifie son  système racinaire pour maximiser ses chances de collecter ces ressources. Que se passe-t-il lorsque plusieurs plantes convoitent les mêmes ressources ?

Ce sont là, les travaux publiés dans ce numéro de Science (Vol. 370 Issue 6521)

Les plantes ressentent-elles la compétition ?

Les auteurs de cette nouvelle étude (décembre 2020) partent du constat que les données scientifiques sur la manière dont les racines se développent dans un environnement compétitif sont très hétérogènes et que les mécanismes ne sont pas vraiment compris. Ainsi les observations de plusieurs cas précis de développements racinaires ne s’expliquent pas vraiment très bien si on cherche à les mettre en lien avec leur environnement.
Ce qui apparaît dans la littérature :
– Les études sur la distribution spatiale montrent généralement que les plantes évitent la superposition de leurs racines avec celles de leurs voisins,
– D’autres études s’intéressent au contenu en carbone des racines : pour certaines, il est constaté une baisse du stockage de carbone en cas de compétition dans le sol entre plusieurs plantes. Pour d’autres, c’est l’inverse qui est observé.

Les auteurs de l’étude parue récemment expliquent ces divergences par la non prise en compte de l’ensemble de tous les paramètres lors des différentes approches. Il convient pour bien comprendre le développement des racines, non seulement d’analyser la distribution spatiale mais aussi la distribution de densité des racines, c’est-à-dire où se trouvent-elles le plus concentrées ?

Ils intègrent à leur analyse le coût énergétique lié à la fabrication d’un racine qui augmente avec la distance par rapport à la tige (une histoire de transport par les vaisseaux du xylème). Ainsi, loin de la tige et proche “d’un voisin”, une plante va avoir tendance à diminuer sa production de racines.
La notion de distances entre les végétaux va donc devenir primordiale :
– trop proches, les plantes entrent en compétition pour l’accès aux ressources et cela conduit souvent à une surexploitation de ces ressources dont toute la communauté sort perdante !
– plus éloignées les unes des autres, certaines plantes produisent beaucoup de racines proches de la tige et peu, proches des voisins et l’étalement spatial diminue.
Les auteurs confrontent ces hypothèses à des observations sur des cultures de “Capsicum annuum” et leur approche s’avère fondée.

En cas de compétition entre plantes, l’une des stratégies adoptées est la production de racines proches de la tige.

Ces connaissances sont primordiales pour porter au mieux les pratiques agricoles qui se veulent de plus en plus durables en optimisant les apports en fertilisants : comprendre les mécanismes de compétition entre les plantes, optimiser non seulement l’apport d’engrais mais également prendre en compte l’espacement entre plants tout cela dans le but de favoriser le déploiement des racines pour permettre aux plantes de mettre en place des mécanismes parfaitement au point.
En général, jusqu’ici, pour étudier en amont comment organiser une culture, on mesurait le développement racinaire total, mais il s’avère que cela devrait davantage se faire à l’échelle locale afin de mieux comprendre le comportement variable des plantes et la façon dont elles gèrent la compétition avec leurs voisines quant à l’accès aux ressources du sous-sol. Un bon dosage entre écartement des plants et apport ciblé d’intrants serait une des clés !

Références :
– Cabal et al., “The exploitative segregation of plant roots”, Science 370, 1197-1199, December 2020
– Oldroyd et al., “A plant’s diet, surviving in a variable nutriment environment”, Science 368, 45, 2020

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