De l’horloge biologique des tournesols

Contrairement aux jeunes plants qui suivent la course du soleil par héliotropisme, les fleurs des tournesols matures ne changent pas d’orientation et font toujours face à l’est.
Photo: Ben Blackman UC Berkeley Contrairement aux jeunes plants qui suivent la course du soleil par héliotropisme, les fleurs des tournesols matures ne changent pas d’orientation et font toujours face à l’est.

Il n’y a probablement pas de plus fidèle adepte du soleil que le jeune tournesol qui, jour et nuit, suit la course de cet astre vital. Une équipe de chercheurs des universités de Californie à Davis et à Berkeley ainsi que de Virginie a percé le mystère de la fascinante danse solaire des tournesols, appelée héliotropisme, laquelle est en grande partie rythmée par une horloge circadienne, interne à la plante.

En vertu de ce phénomène d’héliotropisme, les pousses, les feuilles et la tête des jeunes plants de tournesol sont tournés vers l’est à l’aube et vers l’ouest au crépuscule. Durant la nuit, les organes aériens de la plante font le chemin inverse, se réorientant à nouveau vers l’est, pour être fin prêts à capter les premiers rayons du soleil. Les chercheurs ont d’abord confirmé que l’héliotropisme favorise la croissance de la plante, car, lorsqu’ils ont immobilisé les plants de tournesol à l’aide de rigides tuteurs ou lorsqu’ils ont fait pivoter les pots — contenant chacun un plant — chaque soir vers l’est afin que la plante soit tournée vers l’ouest au petit matin suivant, ils ont mesuré une diminution de 10 % de la surface des feuilles des plantes et de la biomasse totale produite par ces plantes par rapport aux plants qui pouvaient suivre le soleil à leur guise.

Un répit la nuit

Dans un article paru dans la dernière édition de la revue Science, ces spécialistes de biologie végétale et moléculaire affirment que la réorientation des jeunes tournesols durant la nuit, soit en l’absence de tout signal lumineux évident de l’environnement, suggère fortement que la plante est dotée d’une horloge biologique interne. Les scientifiques ont été convaincus de l’existence d’une telle horloge quand, après avoir exposé de jeunes plants à un éclairage fixe, installé au zénith, ils ont observé que ces derniers ont continué à pivoter vers l’ouest durant le jour et à se repositionner vers l’est durant la nuit pendant plusieurs jours d’affilée, et ce, en dépit de l’absence de tout signal lumineux directionnel. Autre preuve de la présence de cette horloge interne : la vitesse du mouvement de réorientation vers l’est des têtes des jeunes plants durant les nuits du solstice d’été (16 heures de lumière et 8 heures d’obscurité) était plus rapide que durant les nuits d’automne (12 heures de lumière et 12 heures d’obscurité).

Un rythme défini

Les chercheurs ont prouvé que l’héliotropisme des jeunes plants de tournesol est gouverné par une horloge « circadienne » — c’est-à-dire ayant un rythme de 24 heures — et non pas seulement par les signaux lumineux de l’environnement, en exposant les plants à un cycle de 30 heures, soit 20 heures de lumière et 10 heures d’obscurité. Sous un tel régime, « les plants n’atteignaient plus leur inclinaison maximale vers l’ouest à la tombée du jour, et les plants empruntaient des directions complètement erratiques durant la nuit », affirment les chercheurs. Par contre, quand ceux-ci ont réintroduit un cycle de 24 heures, les plants ont retrouvé leur trajectoire nocturne normale.

Alors qu’ils cherchaient à comprendre comment le tournesol parvient à se mouvoir, les biologistes ont d’abord observé une réduction graduelle de l’amplitude des mouvements héliotropiques des tournesols à mesure que les plants atteignaient leur maturité et que leur croissance ralentissait. Ils ont ensuite montré que l’allongement de la tige durant la croissance était le facteur moteur de l’héliotropisme, et ce, à l’aide de tournesols nains produisant très peu d’hormones de croissance.

Lorsqu’ils ont traité ces plants nains — ne manifestant aucun héliotropisme — avec l’hormone de croissance dont ils étaient privés, ces petits tournesols ont vu leur tige s’allonger et… se mouvoir selon un rythme circadien. Les chercheurs ont également suivi de très près la croissance de la tige de jeunes plants normaux, et ils se sont alors aperçu que le côté oriental de la tige, celui étant exposé au soleil, croissait rapidement durant le jour et très lentement en soirée et la nuit, tandis que le côté occidental de la tige croissait pour sa part lentement durant le jour, mais plus rapidement le soir. « Le taux de croissance plus élevé sur le côté est de la tige par rapport au côté ouest durant le jour permet à l’apex [sommet] de la pousse principale de se mouvoir graduellement d’est en ouest. Puis, le soir, le taux de croissance plus élevé sur le côté ouest de la tige conduit cette fois l’apex à faire face à l’est à l’aube », expliquent les auteurs dans leur article.

Immaturité

Dans la nature, seuls les jeunes plants de tournesol se meuvent par héliotropisme. Quand les plants atteignent leur stade final de développement, soit la floraison, ils cessent de suivre la course du soleil et adoptent pour toujours une position orientée vers l’est. Cette orientation leur procure un avantage écologique, soulignent les chercheurs, qui ont observé que les fleurs faisant face à l’est étaient visitées le matin cinq fois plus souvent par les pollinisateurs que celles exposées à l’ouest, et ce, vraisemblablement parce qu’elles se réchauffent beaucoup plus rapidement le matin.

Quand les chercheurs ont réchauffé les fleurs orientées vers l’ouest à l’aide de petits radiateurs portatifs afin d’imiter les fleurs exposées au soleil levant, elles ont reçu la visite d’un plus grand nombre de pollinisateurs, qui est néanmoins demeuré moindre que pour les fleurs montrant leur visage à l’est. Encore une fois, mère Nature fait des merveilles pour promouvoir la reproduction de cette magnifique fleur qui a tant inspiré Van Gogh.