Une feuille de maïs sous le microscope, des dizaines de minuscules ouvertures qui s’ouvrent et se referment et, au même instant, des instruments qui mesurent combien de dioxyde de carbone entre et combien d’eau s’en va. Pour la première fois, des chercheurs de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign ont réussi à suivre en temps réel le comportement des stomates en les reliant directement aux échanges gazeux de la feuille.
Le système s’appelle Stomata In-Sight et est décrit dans une étude publiée dans Plant Physiology. En pratique, il permet de voir ces minuscules « bouches » végétales pendant ce que les plantes font continuellement: rechercher un équilibre entre le CO2 nécessaire à la photosynthèse et l’eau qu’elles risquent de perdre à chaque ouverture.
Les stomates sont de microscopiques pores présents sur la surface des feuilles. Lorsqu’ils s’ouvrent, le dioxyde de carbone peut pénétrer dans les tissus végétaux; en même temps, de la vapeur d’eau s’échappe. La plante doit donc réguler sans cesse ces ouvertures en fonction de la lumière, de la température, de l’humidité et de la concentration de CO2. Une négociation microscopique qui dure pratiquement toute la journée.
Voir les stomates pendant que la feuille échange des gaz
Jusqu’à présent, les scientifiques disposaient d’outils très efficaces pour observer les stomates et d’autres outils tout aussi précis pour mesurer la photosynthèse et les pertes d’eau. Les réunir simultanément, sur la même feuille vivante, était bien plus compliqué.
Stomata In-Sight réunit un microscope extrêmement performant, des instruments mesurant les échanges gazeux et un système d’intelligence artificielle. La feuille reste vivante pendant que les chercheurs contrôlent la lumière, la température, l’humidité et le CO2 et observent comment les stomates s’ouvrent et se ferment.
Lors de la présentation des résultats, Andrew Leakey, professeur de biologie végétale à l’Université de l’Illinois et l’un des auteurs de l’étude, a déclaré :
Traditionally we had to choose between seeing the stomata or measuring their function.
Le groupe a expérimenté le système sur le maïs (Zea mays), en exposant les feuilles à différentes conditions de lumière et de concentration en CO2. Ainsi, il a pu observer comment s’ouvrait physiquement l’ouverture des stomates pendant que variaient la photosynthèse et la transpiration.
Le machine learning suit des dizaines de minuscules ouvertures
Regarder les stomates, c’est une chose. Les mesurer un par un pendant des heures en est une autre. C’est pourquoi les chercheurs ont entraîné un système d’apprentissage automatique capable de reconnaître automatiquement les pores et les cellules stomatiques sur les images et d’en calculer les dimensions. Les mesures automatiques de la surface des pores ont montré une forte correspondance avec celles effectuées manuellement par les scientifiques.
Le groupe a en outre découvert que, dans les conditions expérimentales utilisées, observer environ 40 stomates permettait déjà d’obtenir une estimation fiable du comportement moyen de la portion de feuille analysée.
L’étape suivante est d’ailleurs intéressante. En utilisant la dimension, la densité et la profondeur des stomates observés au microscope, les chercheurs ont réussi à estimer la conductance stomatique, c’est-à-dire la facilité avec laquelle les gaz et la vapeur d’eau traversent la surface foliaire, obtenant des valeurs proches de celles mesurées directement par les instruments. Le comportement d’une poignée de pores microscopiques commence ainsi à raconter ce que fait l’ensemble de la feuille.
Pourquoi cela peut être utile contre la sécheresse
Chaque ouverture des stomates entraîne un échange: le CO2 nécessaire à la photosynthèse entre; l’eau s’échappe. Mieux comprendre comment différentes plantes gèrent cet équilibre pourrait aider les chercheurs à identifier des caractéristiques utiles pour obtenir des cultures capables d’utiliser l’eau de manière plus efficace, un objectif de plus en plus crucial en agriculture à mesure que les sécheresses et les vagues de chaleur rendent la disponibilité hydrique moins fiable.
Les mêmes auteurs indiquent parmi les applications futures possibles l’étude des caractères génétiques qui régulent la forme et le comportement des stomates, afin de comprendre quelles combinaisons permettent aux cultures de maintenir une bonne photosynthèse tout en perdant moins d’eau.
Il n’en va pas encore de l’idée d’un maïs qui pousserait joyeusement sans irrigation. Stomata In-Sight est un outil de recherche, testé jusqu’ici dans des conditions contrôlées, et il devra être utilisé sur d’autres variétés, espèces et conditions environnementales. Mais il permet de regarder beaucoup plus en détail l’un des mécanismes qui déterminent la quantité d’eau qu’une plante dépense pour croître.
Une petite fenêtre sur le rapport entre les plantes et le climat
Le comportement des stomates entre également dans les modèles qui cherchent à décrire comment la végétation réagit à des températures plus élevées, à la sécheresse et à l’augmentation du CO2 atmosphérique. Jusqu’ici, bon nombre de ces processus étaient représentés par des moyennes et des paramètres dérivés des échanges de l’intégralité de la feuille. Pouvoir observer directement comment réagissent les pores individuels offre aux chercheurs une quantité d’informations bien plus détaillée à tester dans les modèles physiologiques et climatiques.
L’Université de l’Illinois a déjà déposé un brevet sur la technologie. La prochaine étape sera de l’utiliser pour comparer des plantes présentant des anatomies et des stratégies différentes et comprendre lesquelles parviennent à trouver le meilleur compromis entre carbone et eau. Car une feuille, vue de loin, semble toujours immobile. Sous le microscope, elle passe en revanche son temps à s’ouvrir et à se refermer sur de minuscules portes, tenues en équilibre entre ce qui entre et ce qui risque de partir.
