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Les ingénieurs du MIT ont mis au point un moyen de suivre de près la façon dont les plantes réagissent à des stress tels que les blessures, les infections et les dommages causés par la lumière, en utilisant des capteurs constitués de nanotubes de carbone. Ces capteurs peuvent être intégrés dans les feuilles des plantes, où ils signalent les ondes de peroxyde d’hydrogène.

Des capteurs constitués de nanotubes de carbone

Les plantes utilisent le peroxyde d’hydrogène pour communiquer à l’intérieur de leurs feuilles, en envoyant un signal de détresse qui stimule les cellules des feuilles à produire des composés qui les aideront à réparer les dommages ou à repousser les prédateurs tels que les insectes. « Les plantes ont une forme de communication interne très sophistiquée, que nous pouvons maintenant observer pour la première fois. Cela signifie qu’en temps réel, nous pouvons voir la réaction d’une plante vivante, en communiquant le type de stress spécifique qu’elle subit », explique Michael Strano, professeur de génie chimique au MIT.
Ce type de capteur pourrait être utilisé pour étudier la façon dont les plantes réagissent à différents types de stress, ce qui pourrait aider les agronomes à développer de nouvelles stratégies pour améliorer le rendement des cultures. Les chercheurs ont démontré leur approche sur huit espèces de plantes différentes, dont les épinards, les fraisiers et la roquette, et ils pensent qu’elle pourrait fonctionner sur plusieurs autres.

Des capteurs embarqués

Au cours des dernières années, le laboratoire de M. Strano a exploré le potentiel d’ingénierie des « plantes nanobioniques » – des plantes qui incorporent des nanomatériaux qui confèrent aux plantes de nouvelles fonctions, comme l’émission de lumière ou la détection des pénuries d’eau. Dans cette nouvelle étude, il a entrepris d’incorporer des capteurs qui rendraient compte de l’état de santé des plantes.
Strano a vu qu’après qu’une feuille ait été blessée, le peroxyde d’hydrogène était libéré du site de la blessure et générait une onde qui se propageait le long de la feuille. Lorsqu’une cellule végétale libère du peroxyde d’hydrogène, elle déclenche la libération de calcium dans les cellules adjacentes, ce qui stimule ces cellules à libérer davantage de peroxyde d’hydrogène.
Ce flot de peroxyde d’hydrogène stimule les cellules végétales à produire des molécules appelées métabolites secondaires, comme les flavonoïdes ou les caroténoïdes, qui les aident à réparer les dommages. Certaines plantes produisent également d’autres métabolites secondaires qui peuvent être sécrétés pour repousser les prédateurs. Ces métabolites sont souvent la source des saveurs alimentaires que nous désirons dans nos plantes comestibles, et ils ne sont produits que sous l’effet du stress.
Les chercheurs ont testé des plants de fraises, d’épinards, de roquette, de laitue, de cresson et d’oseille, et ont constaté que différentes espèces semblent produire différentes formes d’ondes – la forme distinctive produite par la cartographie de la concentration de peroxyde d’hydrogène au fil du temps. Ils émettent l’hypothèse que la réponse de chaque plante est liée à sa capacité à contrecarrer les dommages. Chaque espèce semble également répondre différemment à différents types de stress, y compris les blessures mécaniques, les infections et les dommages causés par la chaleur ou la lumière.
« Cette forme d’onde contient beaucoup d’informations pour chaque espèce, et ce qui est encore plus intéressant, c’est que le type de stress subi par une plante donnée est codé dans cette forme d’onde », explique Strano.

Une réponse au stress

La fluorescence proche infrarouge produite par ces capteurs peut être vue à l’aide d’une petite caméra infrarouge connectée à un Raspberry Pi, un ordinateur de la taille d’une carte de crédit à 35 dollars, qui est similaire à celui qui se trouve à l’intérieur d’un smartphone. « Des instruments très peu coûteux peuvent être utilisés pour capter ce signal », explique Strano.
Les applications de cette technologie comprennent le criblage de différentes espèces de plantes pour leur capacité à résister aux dommages mécaniques, à la lumière, à la chaleur et à d’autres formes de stress, explique Strano. Elle pourrait également être utilisée pour étudier comment différentes espèces réagissent aux agents pathogènes, comme les bactéries qui provoquent le verdissement des agrumes et le champignon qui provoque la rouille du café.
Un problème que les chercheurs espèrent résoudre est l’évitement de l’ombre, que l’on observe chez de nombreuses espèces de plantes lorsqu’elles sont cultivées à haute densité. Ces plantes réagissent à un stress qui détourne leurs ressources pour croître plus haut, au lieu de consacrer de l’énergie à la production de cultures. Cela réduit le rendement global des cultures, c’est pourquoi les chercheurs agricoles s’intéressent à l’ingénierie des plantes afin qu’elles ne déclenchent pas cette réaction.
« Notre capteur nous permet d’intercepter ce signal de stress et de comprendre exactement les conditions et le mécanisme qui se produisent en amont et en aval dans la plante qui donne lieu à l’évitement de l’ombre », explique M. Strano.
Cette recherche a été publiée dans Nature Plants.
Source : MIT
Crédit photo : Pixabay