Des poivriers ont été cultivés dans une serre du Museo Nacional de Ciencias Naturales (CSIC) à Madrid pour étudier comment leur comportement souterrain différait lorsqu'ils étaient plantés seuls ou à côté d'un voisin. Crédit :Ciro Cabal, Université de Princeton
Vous avez peut-être observé des plantes en compétition pour la lumière du soleil - la façon dont elles s'étirent vers le haut et vers l'extérieur pour se bloquer mutuellement l'accès aux rayons du soleil - mais hors de vue, un autre type de compétition se déroule sous terre. De la même manière que vous pouvez changer votre façon de chercher des collations gratuites dans la salle de repos lorsque vos collègues sont présents, les plantes modifient leur utilisation des ressources souterraines lorsqu'elles sont plantées à côté d'autres plantes.
Dans un article publié aujourd'hui dans Science , une équipe internationale de chercheurs dirigée par l'étudiant diplômé de Princeton Ciro Cabal fait la lumière sur la vie souterraine des plantes. Leur recherche a utilisé une combinaison de modélisation et une expérience en serre pour découvrir si les plantes investissent différemment dans les structures racinaires lorsqu'elles sont plantées seules ou lorsqu'elles sont plantées à côté d'un voisin.
"Cette étude était très amusante car elle combinait plusieurs types de bonbons pour l'esprit pour concilier des résultats apparemment contradictoires dans la littérature :une expérience intelligente, une nouvelle méthode d'observation des systèmes racinaires dans des sols intacts et une théorie mathématique simple", a déclaré Stephen Pacala, le professeur Frederick D. Petrie en écologie et biologie évolutive (EEB) et l'auteur principal de l'article.
"Alors que les parties aériennes des plantes ont été largement étudiées, y compris la quantité de carbone qu'elles peuvent stocker, nous en savons beaucoup moins sur la façon dont les parties souterraines - c'est-à-dire les racines - stockent le carbone", a déclaré Cabal, titulaire d'un doctorat. étudiant dans le laboratoire de Pacala. "Comme environ un tiers de la biomasse végétale mondiale, donc du carbone, se trouve sous le sol, notre modèle fournit un outil précieux pour prédire la prolifération des racines dans les modèles mondiaux du système terrestre."
Comment les racines des plantes stockent-elles le carbone ? Les chercheurs de Princeton ont découvert que l'énergie qu'une plante consacre à ses racines dépend de la proximité d'autres plantes :lorsqu'elles sont proches les unes des autres, les plantes investissent massivement dans leurs systèmes racinaires pour se disputer des ressources souterraines finies; s'ils sont éloignés, ils investissent moins. Comme environ un tiers de la biomasse végétale mondiale (et du carbone) se trouve sous le sol, ce modèle fournit un outil précieux pour prédire la prolifération des racines dans les modèles mondiaux du système terrestre. Les poivriers ont été cultivés dans une serre du Museo Nacional de Ciencias Naturales (CSIC) à Madrid pour étudier comment leur comportement souterrain différait lorsqu'ils étaient plantés seuls ou à côté d'un voisin. Les racines des poivriers voisins ont été colorées de différentes couleurs (par injection) pour distinguer quelles racines appartenaient à quelle plante. Crédit :Ciro Cabal, Université de Princeton
Les plantes fabriquent deux types de racines différents :des racines fines qui absorbent l'eau et les nutriments du sol, et des racines de transport grossières qui transportent ces substances vers le centre de la plante. « L'investissement » des plantes dans les racines porte à la fois sur le volume total de racines produites et sur la manière dont ces racines sont réparties dans le sol. Une plante peut concentrer toutes ses racines directement sous ses pousses, ou elle peut étaler ses racines horizontalement pour se nourrir dans le sol adjacent, ce qui risque de concurrencer les racines des plantes voisines.
Le modèle de l'équipe a prédit deux résultats potentiels pour l'investissement racinaire lorsque les plantes se retrouvent à partager le sol. Dans le premier résultat, les plantes voisines « coopèrent » en séparant leurs systèmes racinaires pour réduire le chevauchement, ce qui conduit à produire globalement moins de racines qu'elles ne le feraient si elles étaient solitaires. Dans le deuxième cas, lorsqu'une plante sent des ressources réduites d'un côté en raison de la présence d'un voisin, elle raccourcit son système racinaire de ce côté mais investit davantage dans les racines directement sous sa tige.
La sélection naturelle prédit ce deuxième scénario, car chaque plante agit pour augmenter sa propre condition physique, quelle que soit l'incidence de ces actions sur les autres individus. Si les plantes sont très proches les unes des autres, cet investissement accru dans le volume racinaire, malgré la ségrégation de ces racines, pourrait entraîner une tragédie des biens communs, par laquelle les ressources (dans ce cas, l'humidité du sol et les nutriments) sont épuisées.
Pour tester les prédictions du modèle, les chercheurs ont cultivé des plants de poivrons dans une serre à la fois individuellement et par paires. À la fin de l'expérience, ils ont teint les racines des plantes de différentes couleurs afin de pouvoir facilement voir quelles racines appartenaient à quelle plante. Ensuite, ils ont calculé la biomasse totale du système racinaire de chaque plante et le rapport racines/pousses, pour voir si les plantes modifiaient la quantité d'énergie et de carbone qu'elles déposaient dans les structures souterraines et aériennes lorsqu'elles étaient plantées à côté des voisins, et comptaient le nombre de graines produites par chaque plante comme mesure de fitness relative.
L'équipe a découvert que le résultat dépend de la proximité d'une paire de plantes entre elles. Si elles sont plantées très près les unes des autres, les plantes seront plus susceptibles d'investir massivement dans leurs systèmes racinaires pour essayer de se concurrencer pour des ressources souterraines finies ; si elles sont plantées plus espacées, elles investiront probablement moins dans leur système racinaire qu'une plante solitaire ne le ferait.
Plus précisément, ils ont constaté que lorsqu'ils étaient plantés à proximité d'autres, les poivriers augmentaient l'investissement dans les racines localement et réduisaient la distance à laquelle ils étiraient leurs racines horizontalement, afin de réduire le chevauchement avec les voisins. Il n'y avait aucune preuve d'un scénario de «tragédie des biens communs», car il n'y avait aucune différence dans la biomasse racinaire totale ou l'investissement relatif dans les racines par rapport aux structures hors sol (y compris le nombre de graines produites par plante) pour les plantes solitaires par rapport aux plantes cohabitantes. .
Les plantes éliminent le dioxyde de carbone de l'atmosphère et le déposent dans leurs structures - et un tiers de ce carbone végétatif est stocké dans les racines. Comprendre comment les dépôts de carbone changent dans différents scénarios pourrait nous aider à prédire avec plus de précision l'absorption de carbone, ce qui pourrait aider à concevoir des stratégies pour atténuer le changement climatique. Cette recherche pourrait également aider à optimiser la production alimentaire, car pour maximiser le rendement des cultures, il est utile de comprendre comment utiliser de manière optimale les ressources souterraines (et aériennes).
Référence :"La ségrégation par l'exploitation des racines des plantes" par Ciro Cabal, Ricardo Martínez-García, Aurora de Castro, Fernando Valladares et Stephen W. Pacala, 4 décembre 2020, Science .
DOI :10.1126/science.aba9877
Les autres co-auteurs de l'article sont Ricardo Martínez-García, un ancien boursier postdoctoral à l'EEB qui est maintenant professeur à l'Institut sud-américain de recherche fondamentale ; Aurora de Castro, qui a travaillé sur le projet dans le cadre d'une thèse de premier cycle pour le Département de biogéographie et changement global du Musée national espagnol des sciences naturelles ; et Fernando Valladares, professeur associé au Département de biologie, géologie, physique et chimie inorganique de l'Université Rey Juan Carlos et chercheur au Département de biogéographie et changement global du Musée national espagnol des sciences naturelles.
"The exploitative segregation of plant roots", de Ciro Cabal, Ricardo Martínez-García, Aurora de Castro, Fernando Valladares et Stephen W. Pacala, paraît dans le numéro du 4 décembre de Science (DOI :10.1126/science.aba9877). Ce travail a été soutenu par la bourse de mai de l'Université de Princeton dans le département d'écologie et de biologie évolutive ; la Fondation Gordon et Betty Moore (subvention GBMF2550.06); Instituto Serrapilheira (subvention Serra-1911-31200); la Fondation de recherche de São Paulo (subvention ICTP-SAIFR 2016/01343-7); le Programa Jovens Pesquisadores em Centros Emergentes (2019/24433-0); la Fondation Simons; le ministère espagnol des Sciences, de l'Innovation et des Universités (bourse COMEDIAS CGL2017-83170-R) ; et l'initiative d'atténuation du carbone de l'Institut environnemental de Princeton.
