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Comment les plantes mesurent-elles la durée du jour ?

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Les mécanismes qui permettent aux plantes de percevoir le raccourcissement et l'allongement des jours sont de mieux en mieux compris. Des chercheurs britanniques viennent de les modéliser et ainsi de créer un outil qui jouera peut-être un rôle important pour l'adaptation de l'agriculture au changement climatique.

Le moment idéal de floraison de certaines plantes dépend en partie de la durée du jour. Un mécanisme moléculaire complexe, couplé à ceux de l’horloge interne des végétaux, permet aux végétaux de percevoir les variations de cette durée. © Cobalt123 CC by-nd

Les plantes aussi peuvent fêter le solstice d'hiver. Plus que par la température et les précipitations, les saisons sont définies par la longueur des journées, donc de l'exposition de la Terre au Soleil. La photopériode, rapport entre la durée du jour et celle de la nuit, conditionne donc plusieurs activités physiologiques chez les plantes. Sa variation entre le solstice d'été (journée la plus longue) et le solstice d'hiver (journée la plus courte) est l'un des repères pour la détermination de la période favorable à la floraison. Il faut donc que les plantes puissent percevoir cette variation.

« Le passage à la floraison est l'une des décisions les plus importantes que prennent les plantes. Elle doit être soigneusement contrôlée en fonction des saisons, explique Philip Wigge, du Centre John Innes. Par exemple, les plantes qui ont besoin d'être fécondées par du pollen d'autres membres de la même espèce, comme c'est le cas pour les cerisiers, doivent s'assurer qu'elles produisent des fleurs en même temps que leurs voisines. »

La bruyère fait partie des espèces sensibles à la longueur du jour. © Mimu_13 CC by-nc-nd

Pourtant, les plantes n'ont pas d'yeux ni d'ocelles pour constater cette variation photopériodique, contrairement aux membres du règne animal. L'hypothèse la plus courante pour expliquer leur perception de la durée du jour repose sur le couplage d'un rythme interne à la plante (horloge biologique) avec un signal lumineux externe.

Il est déjà établi que des gènes régulés par l’horloge circadienne, comme CONSTANS (CO), activent, par l'intermédiaire de protéines sensibles à la lumière, le gène FLOWERING LOCUS T (FT). Ce dernier joue un rôle important dans le déclenchement de la floraison. D'autre part, il a été démontré que ce gène FT était aussi activé dans les feuilles par la lumière.

La quantité d'informations sur les mécanismes moléculaires des plantes a donc permis aux équipes des universités d'Edimbourg et de Warwick de modéliser et de tester l'hypothèse de l'effet de la lumière sur le rythme circadien des plantes. Ces modèles ont notamment montré que le gène FLAVIN, KELCH, F-BOX (FKF1), qui active CO, stimule aussi le gène FT directement.

Faire sauter le verrou de la photopériode pour s’adapter au changement climatique

« Les modèles informatiques, comme l'explique Isabelle Carré, de l'Université de Warwick, aident à comprendre des propriétés de systèmes biologiques complexes. Par exemple, ici, ils nous aident à comprendre comment dans un groupe de gènes ceux-ci interagissent entre eux pour déterminer à quel moment de l'année une plante doit fleurir. Nos modèles informatiques pour déterminer le moment de la floraison peuvent aussi, avec quelques modifications, être utilisés pour prédire le comportement des espèces cultivées. Cela pourrait être utile par exemple pour prédire l'impact potentiel du changement climatique sur le comportement des cultures. »

Car si le changement climatique déplace la zone de répartition des espèces cultivées en modifiant températures et précipitations, il n'affecte pas les variations saisonnières de la durée du jour. Autrement dit, certaines espèces risquent de se retrouver coincées dans des zones climatiques où elles ne pourront fleurir et donc se reproduire. Ce problème pourrait être surmonté en agissant sur les mécanismes moléculaires de la floraison qui dépendent de la photopériode.

Autre intérêt des modèles créés par ces chercheurs, ils pourraient s'appliquer au monde animal, comme l'explique Andrew Millar de l'université d'Edimbourg : « Notre approche des systèmes biologiques, qui combinent modélisation mathématique et expérimentation, apporte un nouveau moyen d'expliquer comment les rythmes internes d'une plante réagissent et répondent à un changement de l'environnement. La même approche pourrait être appliquée pour comprendre comment les variations saisonnières affectent la reproduction animale, comme dans le cas des moutons ».