Multiplication des vagues de chaleur, fortes précipitations ou assèchement des sols… Ces effets du changement climatique menacent les végétaux. Alors, sous terre, leurs racines mettent en œuvre des mécanismes d’adaptation.
Longtemps délaissées par la recherche au profit des parties aériennes, les racines sont pourtant indispensables à la survie des végétaux. Elles captent l’eau et les nutriments, mais aussi ancrent dans le sol. Les aléas climatiques (pics de chaleur, sécheresses prolongées, fortes précipitations…), de plus en plus fréquents avec le changement climatique, rendent le sol plus compact ou, au contraire, gorgé d’eau. Il revient alors aux racines de faire face pour maintenir la plante en vie.
En cas de sécheresse ou de piétinement, comment parviennent-elles tout de même à se frayer un chemin dans des sols plus compacts ? Une équipe internationale, dont plusieurs membres du laboratoire Matière et systèmes complexes, s’est penchée sur ces questions.
Les racines savent se rigidifier
Les scientifiques ont mis à l’épreuve la plante modèle Arabidopsis thaliana (arabette des dames, ou arabette de Thalius). Ils ont fait germer des graines dans des dispositifs de type microfluidiques, permettant de manipuler de très petites quantités de liquide dans des microvolumes. Avec une graine par dispositif, chaque racine était ainsi contrainte dans un canal de large de 0,2 mm lui imposant sa direction de croissance.
« Un hydrogel d’agar plus ou moins dense remplissait le dispositif, détaille Atef Asnacios. À la sortie, un dispositif de micromécanique – le premier au monde de ce type – mesurait la force développée par la racine, ainsi que sa résistance à la compression, ceci en la confrontant à une microplaque de verre dont la raideur était connue, comme pour un ressort. »
Résultat : après croissance dans le gel dense, la majorité des racines (environ 80 %) se révélaient plus rigides que celles passées par le gel mou. « En moyenne, elles étaient trois fois plus rigides, mais nous avons observé une grande variabilité de valeurs, certaines n’étant pas plus rigides alors que d’autres l’étaient six fois plus, précise le physicien. Cette diversité de réponses confère peut-être une certaine robustesse à l’espèce face aux aléas. »
Une sensibilité à la courbure
Le mécanisme sous-jacent a été mis en évidence par d’autres équipes de la collaboration. Lorsque la racine rencontre un milieu résistant, elle se courbe. L’étirement du côté convexe (le côté extérieur de la courbure) est alors perçu par les canaux mécanosensibles (MCA1), qui s’ouvrent et engendrent une augmentation transitoire du calcium dans les cellules.
« Ce mécanisme était connu, indique Atef Asnacios, mais l’étude l’a précisé et a mis en évidence son lien avec la rigidification de la racine. » En effet, ce signal calcique active la production par la plante de molécules oxydantes (appellées « espèces réactives de l’oxygène », ou ERO). Lesquelles provoquent finalement une rigidification des parois végétales entourant les cellules racinaires du côté convexe, en modifiant leurs liaisons chimiques.
Des plants mutants aux racines moins rigides
Des mutants ne produisant pas ces molécules ont été isolés. Atef Asnacios et son équipe ont révélé que, dans ce cas, leurs racines ne rigidifient pas leur paroi en milieu dense. Ce résultat se vérifie également hors des canaux microfluidiques. Il se traduit par un défaut de pénétration des racines dans des gels d’agar denses.
« Seuls 35 % des (plants) mutants réussissaient à entrer, contre quasiment 100 % des sauvages », détaille Atef Asnacios. De plus, lorsqu’elles étaient cultivées dans un sol compacté, les racines primaires des plants mutants mesuraient presque 1 cm de moins que celles des sauvages : « Les racines des mutants étant plus souples. Dès qu’elles rencontrent un obstacle, elles plient. »
Rigidifier pour résister ?
Ce mécanisme de rigidification s’imbrique avec celui impliquant l’auxine, une hormone végétale, et qui inhibe la croissance côté concave (côté intérieur de la courbure) afin que la racine suive la gravité. Reste à tester si d’autres espèces sont capables de rigidifier leurs racines en réaction à la résistance mécanique du sol, mais également à étudier la vitesse de rigidification, sa durée et à chercher si la plante « mémorise » cette adaptation.
Faut-il alors essayer de maximiser la rigidité des plantes pour les préparer au changement climatique ? « Pas forcément, répond Atef Asnacios, il s’agit pour la plante de trouver un équilibre entre rigidité et flexibilité en fonction du milieu où elle évolue. »
Une question de compromis donc, mais qui ne s’applique pas uniquement à la rigidité car les racines sont capables de percevoir d’autres signaux du sol.
Les racines captent des signaux
Les racines ne se limitent pas à de simples « tubes digestifs inversés » qui assimilent les nutriments présents dans le sol, souligne Christophe Maurel, directeur de l’Institut des sciences des plantes de Montpellier. Les racines sont recouvertes d’un microbiote et protégées par une barrière cellulaire interne, l’endoderme.
« Elles perçoivent divers signaux physiques, chimiques et biologiques provenant du sol, les interprètent puis transmettent ces informations au reste du végétal », explique le chercheur. Les racines, poursuit-il, sont ainsi capables de percevoir la gravité, la présence d’eau, d’ions comme le sodium ou le potassium, d’oxygène, de nutriments comme les nitrates et de métaux comme le fer.
Une intégration des signaux décentralisée
Les informations collectées sont transmises au reste du système racinaire, ainsi qu’à d’autres parties de la plante. Par exemple, les feuilles sont averties en cas de déficit hydrique.
« La communication repose sur des signaux physiques comme la pression, des hormones végétales comme l’auxine, l’éthylène ou l’acide abscissique, mais aussi sur de petites protéines et des ARN, observe Christophe Maurel. Chez les plantes, il n’existe pas de système de contrôle centralisé, comme le cerveau chez les animaux. L’intégration des signaux est décentralisée, entre tiges et racines, et les flux d’eau, de nutriments ou de métabolites sont finalement ajustés pour répondre aux besoins locaux ou généraux de la plante. »
« Les racines intègrent ainsi l’hétérogénéité du sol et la disponibilité locale de ses composants, puis mettent en place des ajustements à court ou plus long terme, ajoute le chercheur. Par exemple, elles peuvent activer ou non leurs transporteurs de nitrate en fonction de sa concentration dans le sol et des besoins de la plante. »
Adaptation aux précipitations
Christophe Maurel évoque également une étude menée par son équipe sur la réaction des racines aux fortes précipitations : « Lorsqu’un sol est inondé, les racines souffrent d’un manque d’oxygène qui peut menacer leur survie, donc celle de la plante. Mais les racines sont capables d’activer un gène entraînant un mécanisme limitant l’entrée d’eau dans les cellules. »
Par ailleurs, « les racines peuvent aussi exprimer à différents niveaux un gène déterminant la taille des vaisseaux d’un tissu appelé “xylème”, favorisant la circulation de l’eau et des nutriments vers les feuilles. Ce mécanisme leur permet de mieux capter l’eau d’un sol en train de dessécher. »
Revers de la médaille : de plus gros vaisseaux rendent le végétal davantage vulnérable à l’infection par une bactérie pathogène du sol.
Une sélection des plantes
À plus long terme, c’est l’architecture racinaire qui se construit grâce à cette surveillance du sol. « Il a été montré que les racines croissent et se ramifient davantage vers les zones présentant plus d’eau et de nitrate », illustre Christophe Maurel.
Il pointe toutefois que ces choix ne sont pas sans risque : « Pour la plante, il s’agit d’un pari sur l’avenir, de l’adoption d’une stratégie, car produire de nouvelles racines dans un compartiment du sol nécessite d’investir du carbone et de l’énergie, issus de la photosynthèse. »
« Ces capacités d’acclimatation des racines sont déterminées génétiquement », signale Christophe Maurel. Serait-il alors possible de sélectionner les plantes selon leurs traits racinaires ?
« Cela a déjà été fait de manière indirecte. Depuis des décennies, en Chine notamment, des variétés de maïs capables de pousser très serré ont été sélectionnées. On a pu observer a posteriori que ces variétés ont des systèmes racinaires plus compacts », relève le biologiste. Aujourd’hui, ajoute-t-il, les racines intéressent de plus en plus les sélectionneurs, notamment depuis que les rendements agricoles stagnent.
Des racines sur me ?
Christophe Maurel étudie la résistance du maïs au manque d’eau en s’intéressant aux racines. « En déficit hydrique modéré, nous avons par exemple observé que les lignées avec des racines plus perméables transpiraient et poussaient davantage », détaille-t-il. Le projet FoodDrought, sur lequel il travaille, vise à mieux connaître les gènes impliqués.
En outre, « certains champignons et bactéries augmentent de façon significative la résistance des plantes à la sécheresse lorsqu’ils sont présents au niveau des racines », constate le chercheur. Mais les mécanismes sous-jacents restent mal compris.
Les limites de l’adaptation
Si les végétaux s’avèrent capables d’acclimatation, il n’en demeure pas moins qu’ils ont leurs limites. « Un arbre peut survivre à plusieurs sécheresses, par exemple, mais une succession d’événements climatiques stressants va le fragiliser, remarque Christophe Maurel. Il sera alors plus sensible aux pathogènes et pourra mourir non pas de la sécheresse, mais d’une infection. »
Le chercheur rappelle enfin que les racines stockent du carbone dans le sol. Même si cela ne doit pas être une excuse pour continuer à émettre autant de gaz à effet de serre, favoriser leur développement et la santé des sols représente un levier d’atténuation du changement climatique.
À lire
Revue Carnets de science n°20, dossier « Sols, un monde sous nos pieds », CNRS Éditions, juin 2026. En librairie et dans les principaux Relay.
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Source : CNRS Le Journal
