E10 Morphogenèse

Topique

La forme d'une plante n'est pas arbitraire : elle obéit à un ensemble de principes physiques qui régissent la répartition de sa taille et de sa biomasse, cherchant simultanément à minimiser le coût du transport de l'eau et des nutriments et à maximiser la capture de lumière avec cette même biomasse. Ces deux objectifs – minimiser les coûts de transport et maximiser la capture de lumière – ne peuvent pas toujours être atteints simultanément, et la forme observée de la plante résulte de l'équilibre qu'elle établit entre ces deux objectifs, modulé par les signaux environnementaux qu'elle reçoit.

L'allométrie de la plante, c'est-à-dire les rapports d'échelle entre ses différentes dimensions, est une expression de cet équilibre : lors de sa croissance, ses différentes dimensions – hauteur de la tige, diamètre à la base, envergure du couvert – ne croissent pas toutes dans les mêmes proportions. L'allométrie détermine plutôt comment ces proportions évoluent avec la taille de la plante, de manière à minimiser les coûts de transport dans l'ensemble de la plante.

Une autre expression de cet équilibre réside dans la répartition de la biomasse entre la racine, la tige et la feuille : la plante répartit la biomasse qu'elle produit entre ces trois organes de sorte que la fraction allouée à la racine lui permette de capter suffisamment d'eau et de nutriments, celle allouée à la tige lui permette de transporter ces ressources et de soutenir le feuillage, et celle allouée à la feuille lui permette de maximiser la capture de lumière, le tout dans les limites de la biomasse disponible.

Au sein de la fraction de biomasse allouée à la feuille, l'architecture de la plante est optimisée pour la capture de lumière : l'indice de surface foliaire (ISF) quantifie la surface foliaire exposée par unité de surface au sol occupée, et plus l'ISF est élevé, plus la plante capte de lumière. Cependant, l'auto-ombrage augmente également ; autrement dit, les feuilles supérieures commencent à bloquer la lumière des feuilles inférieures. Ainsi, au-delà d'un certain ISF, l'ajout de feuilles supplémentaires n'augmente plus proportionnellement la capture totale de lumière par la plante.

Enfin, les lois d'échelle métaboliques relient la forme de la plante à son métabolisme : à mesure que la plante grandit, son métabolisme total n'augmente pas proportionnellement à sa biomasse, mais obéit plutôt à des lois d'échelle métaboliques, qui reflètent le coût du transport des ressources au sein d'une plante de plus en plus volumineuse.

En résumé, l'allométrie (la répartition de la biomasse entre les racines, la tige et les feuilles), l'architecture optimisée pour la capture de la lumière (avec son indice de surface foliaire et son auto-ombrage) et les lois d'échelle métaboliques sont les différents moyens par lesquels la forme de la plante résout, dans chaque cas, le même compromis entre la minimisation des coûts de transport et la maximisation de la capture de la lumière, toujours modulé par des signaux environnementaux qui indiquent à la plante dans quel sens orienter cet équilibre.

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