Le maïs de grande culture, une espèce de graminées à grands limbes.
Lawren Sack, biologiste végétal à l’UCLA
Un tiers de la surface de la Terre est couvert par plus de 11 000 espèces de graminées – y compris des cultures comme le blé, le maïs, le riz et la canne à sucre qui représentent l’essentiel de la production alimentaire agricole mondiale et d’importants biocarburants. Mais l’herbe est si commune que peu de gens réalisent à quel point elle est diversifiée et importante.
La recherche publiée aujourd’hui dans la revue Nature fournit des informations que les scientifiques pourraient utiliser non seulement pour améliorer la conception des cultures, mais aussi pour modéliser plus précisément les effets du changement climatique. Il offre également de nouveaux indices qui pourraient aider les scientifiques à utiliser les fossiles de feuilles pour mieux interpréter le climat du passé antique.
L’auteur principal de l’étude est Lawren Sack , professeur d’écologie et de biologie évolutionniste à l’UCLA et l’un des chercheurs scientifiques les plus influents au monde.
La recherche a déterminé que l’herbe avec des feuilles étroites et un nombre élevé de veines devrait être mieux à même de résister aux conditions plus sèches attendues à l’avenir. Cette découverte devrait permettre aux scientifiques de mieux prédire la capacité des espèces de graminées à tolérer le froid et la sécheresse, ce qui est important pour la conservation des espèces au milieu du changement climatique. Cela suggère également que les scientifiques qui élèvent des herbes agricoles pour mieux survivre aux climats froids et à la sécheresse devraient se concentrer sur des variétés à feuilles plus petites et à plus grandes veines.
À partir d’autres types de plantes, les scientifiques ont appris que la taille des feuilles est un facteur important dans la façon dont les plantes s’adaptent à leur environnement. Mais jusqu’à présent, on ne savait pas comment des milliers d’espèces de graminées pouvaient exister dans autant d’environnements divers et si la taille des feuilles pouvait jouer un rôle.
«Les lames des feuilles d’herbe peuvent varier en taille de quelques millimètres carrés pour les herbes des hautes Andes à plus d’un mètre carré pour les bambous tropicaux», a déclaré Sack.
Sack, le doctorant de l’UCLA Alec Baird et d’autres scientifiques des États-Unis et du Royaume-Uni ont compilé une base de données sur les tailles de lames, les climats indigènes et les relations évolutives des graminées à travers le monde. Ils ont constaté que les brins d’herbe plus petits dominent dans les environnements arides et froids.
C’est parce qu’au fil de l’histoire, les espèces de graminées se sont répandues hors des tropiques et les espèces à grandes feuilles ont été filtrées hors des endroits aux étés chauds et secs ou aux hivers froids, a déclaré Baird, l’auteur principal de l’étude.
Les petites feuilles sont bénéfiques pour les plantes car elles accumulent une couche plus mince d’air immobile sur leur surface que les grandes feuilles. Cela les aide à se refroidir plus rapidement les jours chauds et à éviter de se refroidir les nuits froides, a expliqué Sack.
L’étude a également révélé de nouvelles connaissances sur les systèmes veineux des feuilles et sur la manière dont les veines des petites feuilles d’herbe fournissent spécifiquement une tolérance au froid et à la sécheresse.
Les veines distribuent les nutriments et l’eau dont les feuilles ont besoin pour effectuer la photosynthèse – la fonction par laquelle les plantes convertissent la lumière du soleil et le dioxyde de carbone en sucre. Des études sur d’autres types de plantes ont montré que les feuilles créent leurs premières veines lorsqu’elles sont nouvellement formées, et que ces veines sont ensuite plus espacées à mesure que les feuilles se dilatent, a déclaré Sack. En conséquence, les grandes feuilles ont un plus petit nombre de grosses veines dans une zone donnée, ce qui les rend plus vulnérables au stress que les petites feuilles.
La raison pour laquelle le nombre de veines est important est que, pour qu’une plante pousse, les feuilles utilisent des ouvertures appelées pores stomatiques à leur surface pour capturer le dioxyde de carbone. Mais l’ouverture de ces pores expose l’intérieur humide de la feuille, ce qui fait que les plantes perdent de grandes quantités d’eau par évaporation. Pour remplacer cette eau, les plantes extraient l’eau du sol par leurs racines, leurs tiges et leurs nervures foliaires dans des structures en forme de tuyaux appelées xylème.
Mais si le sol est trop sec ou trop froid, ou si les tuyaux de xylème gèlent, des bulles d’air peuvent se former, empêchant l’eau de se répandre dans toute la plante. La recherche sur les plantes non graminées a montré que c’est moins un problème dans les feuilles plus petites avec un plus grand nombre de veines rapprochées, car il y a suffisamment de veines pour acheminer l’eau autour de ces blocages.
«Mais il n’était pas clair pourquoi les herbes de plus petite taille auraient l’un de ces avantages qui sont connus pour les feuilles d’autres types de plantes», a déclaré Baird. «La plupart des brins d’herbe sont déjà, en moyenne, des centaines de fois plus petits que les feuilles des plantes à fleurs typiques, et ils ont des systèmes de veines parallèles plutôt que semblables à des arbres.»
Les chercheurs ont effectué des milliers de mesures des systèmes de veines d’herbe et ont utilisé des modèles informatiques pour examiner l’influence de la taille des feuilles d’herbe et des traits des veines sur l’efficacité avec laquelle chaque espèce effectuait la photosynthèse.
«Nous avons constaté que même s’il y a tant de variations dans la structure des brins d’herbe, les petits brins d’herbe sur toute la surface ont des veines beaucoup plus larges que les gros brins d’herbe, offrant une tolérance à la sécheresse et au gel», a déclaré Baird. «Les petites feuilles d’herbe ont également tendance à contenir des tuyaux plus petits à l’intérieur, ce qui peut mieux résister au blocage d’air.»
La recherche a été financée par la National Science Foundation.
Sack a déclaré que les équations mathématiques conçues par les scientifiques dans le cadre de l’étude pourraient également être utilisées pour estimer la taille des brins d’herbe intacts provenant de restes fragmentaires dans des lits de fossiles datant de dizaines de millions d’années – ainsi que pour tirer des conclusions sur les climats dans dont ils ont grandi.
«Tout ce que nous apprenons sur les herbes a une valeur importante pour notre alimentation et nos écosystèmes», a-t-il déclaré. «Le poète Walt Whitman a souligné l’énorme savoir que les gens peuvent apprendre tout en contemplant les feuilles d’herbe, et je pense qu’il serait heureux qu’avec ces nouvelles découvertes, nous tirions des leçons de milliers de milliards de feuilles d’herbe dans le monde.»
