Pourquoi les cactus sont-ils si juteux? La stratégie secrète des plantes succulentes

Pourquoi les cactus sont-ils si juteux? La stratégie secrète des plantes succulentes Floraison merveilleuse: les cactus sont parmi les rares espèces de plantes qui peuvent prospérer dans le désert. Alan Levine / Flickr, CC BY-SA

La lumière du soleil, exploitée par les plantes en cours de photosynthèse, alimente presque toute la vie sur Terre. Des adaptations spéciales permettent à certaines plantes de stocker une batterie de dioxyde de carbone pendant la nuit pour les utiliser dans la photosynthèse de jour, ce qui leur confère un avantage juteux dans des conditions désertiques et sèches.

Les processus qui constituent la vie - tels que la croissance, la réparation, le mouvement et la reproduction - nécessitent tous une source d'énergie. La source immédiate de cette énergie pour de nombreux êtres vivants est l’énergie chimique.

Les molécules à haute teneur en carbone, telles que les sucres et les graisses, sont décomposées pour alimenter les processus de la vie. Ces molécules de haute énergie ne se produisent pas naturellement dans l'environnement. Les organismes réticents au travail et malhonnêtes, tels que les humains, comptent sur le vol de molécules à haute énergie provenant d'autres organismes en les mangeant. En fin de compte, toutefois, davantage de molécules à haute énergie sont nécessaires pour remplacer celles qui sont décomposées.

Alors que les sucres et les matières grasses ne pleuvent malheureusement pas de l'espace, les photons riches en énergie (la meilleure chose à faire) le font sous forme de lumière solaire. Des organismes plus responsables que nous, tels que les plantes et les algues, effectuent la photosynthèse. Ce procédé utilise l’énergie du soleil pour régénérer les molécules à haute énergie à partir de leur produit de dégradation, le dioxyde de carbone (CO2), qui est constamment libéré dans l'atmosphère par tous les êtres vivants.

Dans la forme la plus courante de photosynthèse, le CO2 est absorbé dans les feuilles pendant la journée via de minuscules pores à la surface de la plante. Il est ensuite fixé, ou «fixé», directement sur une molécule de sucre en utilisant l'énergie du soleil, pour être utilisé comme source d'énergie chimique - par la plante ou par l'animal qui le mange.

Pourquoi les cactus sont-ils si juteux? La stratégie secrète des plantes succulentes De minuscules pores laissent du dioxyde de carbone dans la feuille, mais permettent également à l'oxygène d'entrer et de sortir de l'eau. Photohound

Mais acquérir CO2 de l'atmosphère peut être problématique dans certaines situations. L’ouverture des pores à la surface de la plante laisse le CO2 dans, mais laisse également entrer l'oxygène et de l'eau. La perte en eau est un problème dans les environnements secs - en particulier pendant la journée, lorsque le CO2 est nécessaire pour la photosynthèse.

De plus, dans les environnements chauds, l’usine est moins en mesure de faire la distinction entre oxygène et CO.2 et peut effectivement finir par attacher de l'oxygène à la molécule de sucre. Une fois qu'une molécule d'oxygène est fixée à un sucre, elle doit être récupérée à un coût énergétique important, réduisant ainsi l'énergie nette que les plantes peuvent acquérir grâce à la photosynthèse.

Batteries au dioxyde de carbone pour l'efficacité

Plusieurs groupes de plantes ont évolué et ne fixent pas directement les émissions de CO2 faire des sucres, mais attachez du CO2 sur d'autres molécules qui peuvent être stockées, transportées et décomposées pour libérer du CO2 encore une fois, comme une batterie. Cela évite les problèmes de perte d'eau et de fixation accidentelle d'oxygène.

Deux stratégies alternatives ont été développées pour utiliser cette capacité: la photosynthèse C4, qui manipule la concentration de CO2 dans l'espace, et la photosynthèse CAM, qui manipule la concentration dans le temps.

La photosynthèse de C4 est réalisée par les espèces 7,600, la plupart des graminées, y compris le maïs et le sorgho. Il a évolué indépendamment au moins 60 fois, pourtant est présent dans moins de 0.5% des espèces de plantes. Bien que très compétitifs dans les environnements chauds, les coûts énergétiques associés au stockage de carbone signifient que les plantes effectuant la photosynthèse conventionnelle ont l'avantage à des températures plus basses.

La photosynthèse C4 utilise une enzyme spéciale pour fixer le CO atmosphérique2 sur un acide. Cette enzyme est beaucoup mieux à même de discriminer le CO2 et l'oxygène que l'enzyme classique utilisée dans la photosynthèse traditionnelle. L'acide est transporté profondément à l'intérieur de la plante, où les concentrations d'oxygène sont beaucoup plus faibles, et le CO2 est réédité. Dans cet environnement pauvre en oxygène, la plante commet moins d’erreurs de fixation de l’oxygène, augmentant ainsi l’efficacité de la photosynthèse. Cette méthode détournée de la photosynthèse a un coût énergétique, mais elle est plus que compensée par la diminution de la fixation coûteuse de l’oxygène dans les environnements chauds.

Pourquoi les cactus sont-ils si juteux? La stratégie secrète des plantes succulentes Les plantes de cactus et d’ananas utilisent la photosynthèse CAM pour rester juteuses. hiyori13 / Flickr, CC BY-SA

L'autre type de photosynthèse alternatif est le CAM, ou métabolisme de l'acide crassulacé, qui précède la photosynthèse de C4 d'au moins 150 millions d'années. C'était découverte pour la première fois dans la famille Crassula de plantes mais a évolué indépendamment dans de nombreuses lignées de plantes, totalisant plus de 9,000 espèces.

Comme les usines C4, le CAM stocke également du CO2 dans un acide, mais il effectue cette réaction la nuit, et plutôt que de transporter les molécules d'acide dans une partie différente de la plante, il les stocke simplement dans la vacuole - la zone de stockage située au cœur de chaque cellule de la plante. Pendant la journée, lorsque la lumière nécessaire à la photosynthèse est disponible, la plante n'a pas besoin d'ouvrir ses pores: elle contient déjà un panier-repas dans ses cellules. Cela permet à la plante d'effectuer la photosynthèse sans ouvrir ses pores pendant la journée, réduisant ainsi considérablement la quantité d'eau perdue.

C’est ainsi que les plantes CAM telles que les cactus et les ananas peuvent rester succulentes et liquides en dépit des environnements chauds dans lesquels elles se développent. Cependant, dans les environnements plus humides ou plus froids, les problèmes résolus par la photosynthèse CAM et C4 ne sont pas aussi graves - et le coût stockage et re-libération de CO2 signifie que les plantes ne sont compétitives qu'avec leurs cousins ​​traditionnellement photosynthétiques dans des environnements chauds ou secs.

Par conséquent, le dernier endroit où l'on peut s'attendre à trouver des centrales CAM est probablement sous l'eau, un environnement plutôt humide, à tous points de vue. C’est donc avec une certaine surprise que CAM a été signalé pour la première fois dans l'usine de lac Isoetes suivi de découvertes en quatre autres genres de plantes aquatiques.

Pourquoi les cactus sont-ils si juteux? La stratégie secrète des plantes succulentes De minuscules plantes aquatiques du genre Isoetes effectuent des CAM pour concentrer le dioxyde de carbone dans le monde sous-marin. US Fish & Wildlife Service

Malgré des environnements très différents, les plantes des lacs et des déserts partagent finalement le même problème - la difficulté d’acquérir du CO2. Alors que beaucoup de CO2 peut être dissous dans l'eau, il diffuse beaucoup plus lentement que dans l'air, de sorte que l'eau autour d'une plante peut s'épuiser en CO2. Les plantes aquatiques ont développé la photosynthèse CAM pour pouvoir continuer à absorber le CO2 la nuit, en l’utilisant pour compléter ce qu’ils peuvent acquérir le jour.

Outre les recherches visant à introduire la photosynthèse C4 dans le riz, il y a eu un intérêt significatif à modifier les plantes cultivées pour qu'elles effectuent la photosynthèse CAM afin qu'elles puissent mieux survivre aux sécheresses causées par le changement climatique.La Conversation

A propos de l'auteur

Daniel Wood, étudiant au doctorat en biologie végétale, Université de Sheffield

Cet article est republié de La Conversation sous une licence Creative Commons. Lis le article original.

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