Ces plantes qui n’ont pas froid aux yeux !

Cet article est adapté de la chronique du même nom rédigée pour PodcastScience, épisode 484.

C’est l’hiver, il fait froid dehors… l’hiver est morne, gris et les arbres n’ont même plus leurs jolies feuilles. L’hiver c’est triste. Surtout quand il ne neige pas ! Tout à l’air mort, surtout la végétation. Mais d’ailleurs, est-ce que les plantes meurent à cause du froid ? Après tout, ce sont des êtres vivants, comme vous et moi ! Et sans pull par moins de 0°C dehors, personne ne fait trop le fier !
Si ces questions vous taraudent, alors vous êtes au bon endroit puisque dans cet article, vous allez découvrir les mille et une stratégies de résistance au froid que les plantes déploient dans des environnements… particulièrement peu chaleureux !

Au secours, il fait froid !

Il y a des plantes sous toutes les latitudes du globe, Antarctique compris et pourtant, dans bien des endroits, on a guère envie de mettre le nez dehors ! Si vous vous souvenez de vos cartes de géographie du collège, toutes les zones recensées sont « climat polaire », les plus lointaines de l’équateur, sont froides. Voire très froides.

Contrairement aux animaux, les plantes sont enracinées, sessiles (le contraire de mobile) et ne peuvent donc pas migrer ou échapper au froid. Elles sont donc régulièrement confrontées à d’innombrables stress : températures extrêmes, peu de nourriture à disposition, sécheresse… Oui, sécheresse !
Ca paraît contre intuitif, mais l’eau qui gèle est indisponible pour que la plante l’absorbe ! Les gelées génèrent aussi de l’abrasion mécanique dans les sols, sur les racines… et pourraient très bien créer des engelures, un peu comme nous ! On sait tous dans quel état de mollesse finissent les légumes qui sont passés au congélateur…
Alors pour comprendre comment elles s’y adaptent, les chercheurs s’intéressent à ces espèces qu’on appelle les « cryophytes » ou les « psychrophytes » (du grec kruos = froid, ou psukhros = gelé et phila = aimé) : ces plantes qui résistent, voire dépendent du froid pour leur cycle de vie. Qu’elles vivent dans les steppes arctiques ou dans les alpages des plus hautes montagnes, vous allez voir que ça donne des choses exotiques !

Se revêtir d’un manteau chaud

C’est le premier réflexe que nous aurions en cas de baisse de température : rajouter une petite laine pour s’isoler du froid. Et figurez-vous que c’est exactement la stratégie de certaines plantes arctiques !

Un exemple connu : le pavot arctique (Papaver radicatum), l’une des plantes qui pousse le plus au Nord, tout en haut du Canada dans le Nunavut. A sa surface, des poils partout, des feuilles au sépales ! Ces poils gardent l’ovaire de la fleur légèrement au chaud. En plus de ça, les pétales forment une coupe qui suit la course du soleil, afin de bénéficier d’un maximum de chaleur tout au long de la journée.

Un autre exemple célèbre est l’Edelweiss : en plus de la protéger du froid, son duvet lui sert aussi à conserver l’humidité ainsi qu’à se protéger des rayons UV du soleil, qui sont réfléchis à la surface de la neige. Ca lui donne un prime un petit air tout doux de peluche-plante : avouez que vous l’aimez aussi maintenant.

Permettons nous donc un petit interlude musical avant de continuer :

Se mettre à l’abri
Certaines plantes ne poussent que dans des fissures de rochers, ou profitent d’une source chaude non loin pour se créer leur propre petit microclimat.
Une astuce est aussi de se « mettre en boule » avec ses camarades. C’est une stratégie répandue dans beaucoup de plantes arctiques et alpines qui poussent en « coussins ». L’Androsace de suisse (Androsace helvetica) ou la silène acaule (Silene acaulis) en sont de très beaux exemples.

Produire sa propre chaleur

Après tout, pourquoi ne pas produire sa propre chaleur pour se protéger du froid ? C’est ce que font plusieurs plantes de sous-bois, qui commencent leur cycle alors que le printemps n’est pas encore arrivé et que le couvert de neige est toujours présent. Un exemple très célèbre est le « chou puant » d’Amérique du Nord ou « skunk cabbage » en anglais, qui pratique cette stratégie de thermogenèse. La température interne peut monter jusqu’à 30°C et fait fondre la neige environnant. En plus de se protéger du gel, cela lui permet également de diffuser une odeur nauséabonde, attirant des mouches et autres insectes pollinisateurs.

La #plante du jour : Symplocarpus foetidus, skunk cabbage ou le "chou mouffette" littéralement. Une plante de la famille des Aracées. pic.twitter.com/KzmaoHJw2I

— Le Plantoscope 🌱🔬🌸 (@plantoscope) February 10, 2017

Cette capacité de thermogenèse est plus répandue dans des plantes tropicales, qui n’ont elles pas de problèmes de températures trop basses. L’Arum titan a la même stratégie d’attraction de pollinisateurs, mais en milieu tropical. Je vous avais déjà également parlé d’une autre plante capable de thermogénèse : le nénuphar géant, Victoria amazonica. Vous le retrouverez dans le dossier « La nuit, tous les arbres sont-ils gris ? » sur le site de Podcast science.

Des barrières d’antigel

Pour éviter que l’eau à l’intérieur des cellules ne gèle, provoquant des dégâts irréversibles, les plantes augmentent la concentrations en molécules dissoutes dans leur cytoplasme. Cela permet de garder une certaine viscosité et augmente la température de congélation de l’eau. Si d’aventure, certaines cellules sont déshydratées, cette viscosité permet aussi de former une structure solide (on parle de vitrification), plutôt que de geler.

C’est grâce à cette propriété que dans des expériences, certaines espèces boréales comme le peuplier ou certains conifères peuvent survivre à une immersion dans l’azote liquide à -196°C, à condition d’avoir été d’abord gelées doucement à -20°C. Cette réduction progressive de température et les solutés vont permettre de créer une sorte de « grille » régulière avec l’eau, qui évite de détruire les molécules internes.
En principe, toutes les cellules d’une plante sont connectées entre elles via ce que l’on appelle le symplasme. Un petit débris ou une source d’impuretés peut rapidement provoquer la « nucléation » de la cristallisation de l’eau dans toute la plante. Certaines plantes ont des modes de fonctionnement qui permettent de geler « autour », au niveau des parois plus rigides ou carrément à l’extérieur, plutôt qu’à l’intérieur où les réactions importantes se font.

Le genévrier ou le pin, à certaines altitudes peuvent empêcher l’eau de geler jusqu’à -50° selon l’altitude, en utilisant le phénomène physique de la surfusion. C’est le principe qui permet de faire des tours de magie spectaculaires, dans lesquels l’eau liquide refroidie gèle instantanément.
Pour vous convaincre que c’est possible : une petite vidéo du Palais de la Découverte.

Les mousses ou les lichens quant à eux évacuent complètement l’eau de leurs cellules, pour écarter le risque de geler ! Pas d’eau : pas de problèmes !

Les graminées alpines qui poussent en touffe ont également une organisation qui permet au système vasculaire de chaque brin d’être isolé. Ainsi, si un brin gèle, la réaction ne se propage pas aux autres brins d’une touffe. On peut ainsi voir une seule de ses fleurs sacrifiée par malchance, et pas toutes !

Adapter son mode de vie

Si on ne peut pas éviter le gel, on peut décider de ne pas grandir lorsque le temps n’est pas optimal ou on peut choisir une forme biologique qui nous permette de survivre discrètement, bien enfoui dans l’eau ou dans le sol.
Dans la classification proposée par le botaniste danois Christen Raunkier, on distingue des « types biologiques » pour les plantes qui se distinguent par la quantité d’organes qui persistent entre chaque cycle de saison, et leur localisation.

Ainsi les phanérophytes gardent leurs méristèmes (zones de croissance) dehors, mais les protègent au sein de bourgeons recouverts d’écailles pour les isoler du froid.

Les hémi-cryptophytes ont des bourgeons qui dorment juste à la surface du sol, et dont les tiges et les feuilles ne poussent qu’à la belle saison. C’est bien pratique, puisque la couverture de neige pourra servir de protection pour ces espèces.
Les géophytes (ou cryptophytes) ont des bourgeons qui vont dormir sous la surface du sol : ce sont toutes les plantes à bulbes, ou à tubercules. Vous en connaissez plusieurs comme les patates, les oignons, les tulipes, les iris…

Des plantes comme l’ortie ont également des rhizomes, des racines contenant des réserves, à partir desquelles elles vont repousser au printemps.
Les hydrophytes elles, vont garder leurs bourgeons dormants et parfois leurs feuilles, sous l’eau. Comme il n’y a que la surface des plans d’eau qui gèlent, s’ils sont assez profonds, les plantes n’auront pas à souffrir de dommages co-latéraux !

La plupart des graminées (qu’on appelle maintenant Poaceae) elles, ne s’embêtent même pas : elles font partie de la catégorie des « thérophytes » et font leur cycle en une année et meurent en hiver. La nouvelle génération démarre alors de graines à chaque saison. On dit aussi qu’elles sont annuelles, contrairement aux plantes vivaces qui durent plusieurs années consécutives.

Adapter son métabolisme

Le froid et la diminution de lumière en hiver induisent naturellement une réduction de l’activité de la photosynthèse, rendant la diffusion du C02 moins rapide par exemple. C’est ce que l’on appelle une photoinhibition. Pour certaines plantes, il est possible de contourner le fait d’avoir moins de lumière en optimisant son activité de photosynthèse à de faibles luminosités, sous la neige. Lorsque cette dernière disparaît, elles repartent de plus belle.

Mais dans d’autres cas, le plus simple est tout simplement d’entrer en dormance. Arrêter complètement la circulation d’eau et fonctionner à l’économie limite de perdre de l’énergie inutilement, et réduit les risques de geler. Perdre ses feuilles permet de réduire la surface exposée aux froid et au vent, ainsi que de faire un couvre-sol qui protégera le sol des gelées, dans une certaine mesure. L’arrêt de la synthèse de la chlorophylle et sa dégradation en automne est la raison pour laquelle les feuilles deviennent jaune-orange. Le pigment vert s’efface, apparaissent les autres pigments (carotènes etc… ). Contrairement à une idée reçue dans les milieux naturalistes, la chlorophylle ne descend pas vers les racines en hiver pour être redistribuée dans la plante au printemps via la sève.

Pour les plantes qui ne perdent pas leurs feuilles en hiver, comme le sapin par exemple, les feuilles sont souvent réduites à leur minimum, sour la forme d’aiguilles remplies de composés antigel, ce qui permet également de limiter les dégats.

L’écorce de certains saules reste verte en hiver, ce qui permet à l’arbre de continuer de faire de la photosynthèse, dans une certaine mesure.

Conjointement à tout ça, les plantes fabriquent également beaucoup de molécules « tampon » comme des antioxydants, pour limiter les dommages collatéraux d’une blessure liée au froid. Elles gardent toujours des zones de croissance potentielles « au chaud » pour pouvoir se régénérer en cas de lésion… on les croirait presque immortelles !

Evidemment, toutes ces solutions ne sont pas mutuellement exclusives, et on peut retrouver plusieurs de ces « astuces » dans une seule et même espèce. Mais pour adapter son mode de vie et stimuler sa croissance… encore faut-il sentir le froid arriver !

Percevoir la température et s’y adapter : toute une mécanique… moléculaire !

Très tôt, on a découvert que chez les animaux, des protéines qui laissent passer le potassium à travers les membranes (on parle de récepteurs canaux) de la famille TRP étaient impliqués dans la perception de la température. Comme les plantes ne possèdent pas de versions similaires de ces protéines, on s’est simplement dit que… elles ne percevaient pas le froid.

Mais attention ! Malgré leurs airs candides et simples, les plantes sont des vrais bijoux de complexité. Elles sont capables de détecter des variations de température d’à peine 1°C, grâce à toutes sortes de capteurs répartis sur les membranes de chaque cellule. Lorsque la température diminue, les lipides (le gras) qui enveloppe chaque cellule va changer de consistance (vous avez déjà essayé de mettre de l’huile au frigo ? Elle peut figer ! ), les protéines vont ralentir leur activité, l’expression des gènes va forcément changer en conséquence… tous ces événements qui relèvent de la simple thermodynamique (l’eau pure gèle à 0°C, c’est comme ça) sont des signaux « passifs ». Mais il y a des capteurs plus spécifiques qui, lorsqu’ils vont changer de conformation à cause du froid, vont également déclencher une série de signaux « actifs » à laquelle la cellule va s’adapter pour composer ses défenses au froid.

La baisse de la température s’accompagne rapidement d’une dépolarisation de la membrane, c’est à dire une variation rapide de la concentration en calcium de l’extérieur vers l’intérieur. Le niveau dépolarisation n’est d’ailleurs pas le même selon le degré et la rapidité de refroidissement. Ce premier événement va induire l’expression de gènes associés au froid, qui codent pour des protéines responsables de la résistance au froid, qui elles mêmes vont permettre l’expression d’autres gènes, etc ! Lorsqu’on essaye de représenter la série d’événements qui vont déclencher la réponse au froid, ça donne vite mal à la tête. Et pourtant, des biologistes moléculaires s’évertuent à décortiquer chacune de ces étapes pour mieux les comprendre !

Un groupe de protéines appelées CBF est particulièrement étudié, puisqu’elles sont très importantes pour l’acclimatation des espèces au froid. L’expression de ces gènes est associée à un phénomène de nanisme, car ils interfèrent avec certains mécanismes de croissance. C’est pour cela que beaucoup de plantes boréales sont petites, et pas uniquement parce qu’on manque de ressource dans un milieu arctique.

Immobiles, mais versatiles !

Le résultat de ces mécanismes moléculaires, c’est que les plantes s’adaptent, tout au long de l’année, aux conditions de leur environnement. Les signaux du froid sont étroitement liés aux signaux lumineux. Lorsque la température baisse et que les jours raccourcissent, la plante est capable de se mettre « en veille ». A l’inverse, lorsque la température remonte et que les jours se rallongent, c’est le signal pour fleurir ! Les graines de certaines plantes ont d’ailleurs besoin d’une période de froid prolongée pour déclencher la germination. En horticulture et dans le monde agricole, on utilise d’ailleurs deux procédés très connus pour accélérer le développement de ses plantes. D’un côté la vernalisation, lors de laquelle on expose une plante au froid pendant une période, ce qui déclenche sa floraison. De l’autre la stratification, le procédé qui permet de mettre les graines au froid pour lever leur dormance et déclencher leur germination.

Des changements minimes de ces variations (avec, au hasard, le changement climatique par exemple ?) peuvent générer des catastrophes : si les plantes fleurissent plus tôt dans l’année, elles sont décalées avec les cycles des pollinisateurs, elles feront donc moins de fruits, ce qui signifie moins de rendements dans les cultures. Si une vague de froid s’abat subitement sur des plantes qui ont déjà commencé à fleurir et qui ne sont pas encore prêtes à l’encaisser, bonjour les dégâts !
Il est bien sûr possible d’acclimater des espèces, progressivement et génération après génération à des climats plus durs. C’est ainsi qu’on a pu introduire et cultiver de nombreuses espèces tropicales en Europe, où le climat est beaucoup plus rude. Mais le changement climatique est probablement beaucoup trop rapide pour envisager « prendre le temps » d’acclimater les espèces.
Ce genre d’événements se multiplie et la recherche autour des adaptations aux variations de température bat donc son plein, dans l’espoir d’un jour, trouver des façons de cultiver des plantes plus résilientes au réchauffement climatique.

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