Pourquoi les racines poussent-elles vers le bas et les tiges vers le haut ?
― Même plantée à l'envers, une graine pousse normalement
Avez-vous déjà enfoui une graine de liseron dans la terre sans faire attention au sens ? Pourtant, la racine finit toujours par pousser vers le bas, et la tige vers le haut. Les plantes n'ont ni yeux ni cerveau. Et pourtant, elles savent où est le bas. L'indice se trouve dans une « petite bille lourde » cachée au cœur des cellules.
Vous vous souvenez peut-être d'avoir semé des graines de liseron ou de haricot à l'école primaire. Le maître ou la maîtresse ne vous a-t-il pas dit « peu importe le sens » ? Et en effet, quel que soit le sens dans lequel on les enfouit, elles finissent par germer correctement.
Vous avez peut-être aussi vu, après un typhon, des plants de riz couchés au sol. Au bout de quelques jours, seule leur extrémité se redresse, comme si la plante relevait la tête.
Une plante est censée ne pas pouvoir se déplacer, et pourtant elle parvient à corriger son orientation. D'où vient cette capacité à « se redresser » ?
Deux raisons principales
Dans les cellules de l'extrémité de la racine et d'une partie de la tige se trouvent de petites billes plus lourdes que leur environnement. Attirées par la gravité, elles coulent au fond de la cellule. L'endroit où elles se déposent, c'est le « bas ». C'est grâce à ce dépôt que la plante connaît le haut et le bas.
Du côté où les billes se déposent s'accumule en plus grande quantité une substance qui régule la croissance. Dans la tige, cette substance stimule la croissance ; dans la racine, au contraire, elle la freine. Le même déséquilibre provoque donc une réaction opposée, et la plante se courbe dans des sens opposés.
Autrement dit, la plante possède deux mécanismes distincts : un pour « sentir » le haut et le bas, et un autre pour transformer cette information en mouvement. Voyons cela dans l'ordre.
Comment la plante sait-elle où est le « bas » ?
À l'extrémité de la racine se trouve une sorte de « coiffe », appelée coiffe racinaire. Dans les cellules de sa face interne se trouvent de lourdes billes gorgées d'amidon. Plus lourdes que le liquide environnant, elles coulent lentement au fond de la cellule.
Ce dépôt prend du temps. On estime qu'il faut environ quelques minutes pour qu'il se termine après que la racine a été couchée, une dizaine de minutes avant que la courbure ne commence, et plusieurs heures avant qu'elle ne soit visible à l'œil nu. Si la réaction des plantes paraît lente, ce n'est pas parce qu'elles perçoivent lentement, mais parce que l'allongement des cellules prend du temps.
Si l'on enfouit une graine à l'envers, ce sont les cellules elles-mêmes qui se retrouvent à l'envers. Pourtant, les billes coulent de nouveau vers le fond. Où que ce soit sur Terre, l'endroit où elles se déposent, c'est le bas. C'est en se fiant uniquement à ce « point de dépôt » que la plante connaît sa propre orientation.
Regardez la figure 1. À gauche, le jeune plant juste après avoir été couché sur le côté. À droite, son aspect après avoir corrigé son orientation.
Pourquoi la racine et la tige se courbent-elles en sens opposés ?
Une fois les billes déposées, une hormone végétale qui régule la croissance est transportée en plus grande quantité de ce côté-là. Jusque-là, racine et tige fonctionnent de la même façon. Ce qui diffère, c'est la réaction qui suit.
Dans la tige, plus cette substance est abondante, plus les cellules s'allongent. Dans une tige couchée, le côté inférieur s'allonge donc davantage, ce qui fait remonter la tige vers le haut.
Dans la racine, en revanche, un excès de cette même substance freine l'allongement. Dans une racine couchée, le côté inférieur s'allonge moins, et seul le côté supérieur s'allonge. La racine se courbe alors vers le bas. Le même signal produit donc des réponses exactement opposées.
Un autre point important concerne l'endroit où se produit la courbure. C'est l'extrémité qui perçoit la gravité, mais c'est une zone un peu plus en arrière, encore souple, qui s'allonge ou se rétracte réellement pour produire la courbure. Comme le lieu de perception et le lieu d'action sont éloignés, le signal doit être transporté sur quelques millimètres par le flux de la substance.
C'est pour la même raison qu'un plant de riz couché se redresse en se pliant au milieu de la tige. La base, devenue rigide, ne bouge plus. Seule la partie souple restée près d'un nœud s'allonge de nouveau pour redresser la plante.
On croit souvent que la tige pousse vers le haut parce qu'elle recherche la lumière. Mais sous terre, il fait complètement noir. Tant qu'elle n'a pas émergé du sol, la jeune pousse n'utilise absolument pas la lumière pour déterminer son orientation. La tendance à se courber vers la lumière ne s'ajoute qu'une fois la plante sortie de terre.
Lorsqu'on cultive des plantes dans un lieu où la gravité ne s'exerce presque pas, comme à bord de la Station spatiale internationale, on observe que le sens de croissance des racines devient irrégulier. Pour une plante, la gravité est une « ligne de référence » tellement évidente qu'elle en devient indispensable.
En résumé
La plante connaît le haut et le bas grâce à une bille qui coule dans ses cellules, et elle module sa croissance selon la quantité de substance accumulée du côté où cette bille se dépose. Si la racine et la tige se courbent en sens opposés, c'est parce que leur réaction à la même substance est inversée. Et si le sens dans lequel on plante une graine importe peu, c'est parce que la plante est capable de corriger elle-même son orientation.
La plante ne « regarde » pas vers le bas.
Dans ses cellules, une bille se dépose simplement, en silence.
Le mécanisme qui permet à un arbre de faire monter l'eau jusqu'à 100 mètres de hauteur est expliqué dans « Comment un arbre parvient-il à faire monter l'eau jusqu'à 100 mètres de hauteur ? », la façon dont un arbre change de rythme de croissance selon les saisons dans « Pourquoi les arbres forment-ils un anneau de croissance par an ? », et comment cette même substance de croissance organise la disposition des graines dans « Pourquoi les graines de tournesol sont-elles disposées en spirale ? ». Un exemple de mouvement rapide chez les plantes, non lié à la croissance mais à des échanges d'eau, est traité dans « Pourquoi la sensitive referme-t-elle aussitôt ses feuilles au toucher ? ».
La façon dont les plantes modifient leur composition interne selon les saisons est aussi abordée dans « Pourquoi coupe-t-on le bois en automne et en hiver ? » et dans « Les légumes de saison sont-ils vraiment plus nutritifs ? ».
- Posez quelques graines de haricot ou de soja sur du papier absorbant humide, placez-les dans un récipient transparent et fermez-le. Mettez-le à l'intérieur, à l'abri de la lumière directe, et ajoutez de l'eau pour éviter que ça sèche.
- Quand la racine a poussé de 2 à 3 centimètres, remettez le récipient à l'horizontale (basculé de 90 degrés). Maintenez les graines légèrement en place avec le papier pour qu'elles ne bougent pas.
- Observez-le de côté toutes les demi-journées et photographiez comment seule l'extrémité de la racine se courbe vers le bas. Si une pousse est apparue, elle devrait se courber vers le haut.
Seuls « les quelques millimètres de l'extrémité » de la racine se courbent. La partie déjà rigidifiée ne bouge plus. En marquant l'endroit où la courbure commence, on voit clairement où se situe la zone de croissance.
Pour en savoir plus ― vocabulaire, formules et liens avec les manuels scolairesDu collège à l'université, le niveau de chaque explication est précisé
- CollègeNiveau des sciences au collège
- LycéeNiveau du programme de « biologie » au lycée
- Lycée+Contenu approfondi du lycée, ou encadré des manuels
- UniversitéContenu non vu au lycée, relevant d'une discipline universitaire spécialisée (physiologie végétale)
- RechercheSujet qui n'est même pas encore enseigné comme « établi » à l'université, en cours d'étude par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène porte un nom
- Gravitropisme : propriété par laquelle un organe végétal se courbe dans une direction déterminée en réponse à la gravité. La racine se courbe dans le sens de la gravité, la tige dans le sens opposé.
- Auxine : une des hormones végétales qui régulent la croissance. Dans la tige, elle renforce l'allongement des cellules ; dans la racine, une concentration trop élevée le freine.
- Amyloplaste : petite bille intracellulaire chargée d'amidon. Plus lourde que son environnement, elle coule et sert de poids indiquant le haut et le bas. On l'appelle aussi statolithe.
- Coiffe racinaire : partie en forme de coiffe qui recouvre l'extrémité de la racine. Elle protège la pointe en écartant la terre, tout en abritant les cellules sensibles à la gravité.
CollègeLycéeVérification par le calcul : à quelle vitesse pousse une racine ?
Seule une très courte portion de l'extrémité de la racine se courbe. Mais à quelle vitesse cette extrémité progresse-t-elle réellement ? Prenons une vitesse de croissance racinaire d'un jeune plant de 1 centimètre par jour, et convertissons-la en d'autres unités de temps. Portez attention à la façon dont les unités s'accordent.
| En notation symbolique | L = v × t |
| En mots | Longueur parcourue par la racine = vitesse de croissance × temps écoulé |
| D'où vient cette formule | C'est la définition de la vitesse (« vitesse = distance parcourue ÷ temps écoulé ») réécrite pour la longueur. On estime que l'extrémité de la racine progresse à une vitesse à peu près constante. |
| Symbole et signification | Vitesse de croissance de la racine d'un jeune plant. Unité : centimètres par jour |
| Vitesse de croissance (varie selon l'espèce et la température) | Environ 1 centimètre par jour |
| Durée d'une journée. Unité : heures | 24 heures |
| Nombre de jours dans un mois. Unité : jours | 30 jours |
| Croissance par heure, en centimètres | 1 ÷ 24 ≒ 0,042 |
| Conversion des centimètres en millimètres | 0,042 × 10 = 0,42 |
| Croissance sur un mois, en centimètres | 1 × 30 = 30 |
On obtient environ 0,42 millimètre par heure, et environ 30 centimètres par mois. Comme les cheveux poussent d'environ 1 centimètre par mois, la racine progresse dans le sol à une vitesse environ 30 fois supérieure. Une plante paraît immobile, mais sous terre, elle se déplace en réalité à une vitesse considérable.
LycéeLycée+Comment naît ce déséquilibre ?
LycéeAu lycée, en biologie, le tropisme est défini comme « une réaction de courbure dans une direction déterminée par rapport à la direction d'un stimulus ». La réaction à la lumière est le phototropisme, la réaction à la gravité le gravitropisme. Les deux s'expliquent par une répartition inégale de l'auxine.
Lycée+L'auxine est transportée de cellule en cellule, mais uniquement dans une direction déterminée. C'est la position, sur telle ou telle face de la cellule, des protéines chargées de l'exporter qui fixe le sens du flux. Dans les cellules ayant perçu la gravité, ces protéines transporteuses se réorganiseraient sur la face inférieure, ce qui inclinerait le flux d'auxine vers le bas.
UniversitéDe l'information de poids au signal chimique
En physiologie végétale universitaire, ce phénomène est analysé en trois étapes : « perception de la gravité », « conversion du signal » et « réaction ». Lors de la perception, on pense que le déclencheur est la pression exercée par les billes déposées sur les membranes et l'architecture interne de la cellule. Cette information de pression se traduirait ensuite en mouvements d'ions calcium et en variations du pH intracellulaire, avant de modifier enfin la disposition des protéines transporteuses. Il s'agit d'un processus où une grandeur physique, la force, se traduit en un signal chimique. Si la réaction s'inverse entre racine et tige, c'est parce que la courbe de réponse de l'allongement cellulaire à une même concentration d'auxine diffère selon l'organe. L'idée que des billes qui se déposent perçoivent la gravité est appelée théorie de l'amyloplaste-statolithe ; l'idée que la courbure résulte d'une répartition inégale de l'auxine est appelée théorie de Cholodny-Went. Ces deux théories constituent aujourd'hui le socle de l'explication.
📖 Pour aller plus loin : Gravitropisme (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qui reste encore mal compris
- Avec quoi la cellule « perçoit »-elle les billes déposées ? On peut observer le dépôt des billes, mais le composant capable de capter leur poids ou leur contact n'est pas encore totalement identifié.
- La réaction des parties dépourvues de billes. Même chez des plantes ne possédant presque pas de billes d'amidon, on observe des réactions à la gravité, quoique faibles. L'existence d'un autre mécanisme superposé fait débat.
- La culture des plantes dans l'espace. La manière dont les plantes se développent dans un lieu où la gravité s'exerce à peine est étudiée, notamment en vue de produire de la nourriture lors de longs séjours spatiaux, mais toutes les différences avec la croissance au sol ne sont pas encore expliquées.
Autrement dit, le contenu de cet article reflète lui aussi « ce que l'on comprend à ce jour ». Le dépôt des billes est un fait vérifié, mais la suite du mécanisme continue d'être réécrite.
Liens avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Passage correspondant de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences・Structure et fonctions des plantes / Force et poids | Orientation de la racine et de la tige, signification du mot « gravité » |
| Lycée | Biologie・Réponses des plantes à l'environnement (tropismes et auxine) | Raison de la courbure opposée entre racine et tige |
| Lycée+ | Biologie approfondie / encadré de manuel | Transporteurs de l'auxine et sens du flux |
| Université | Physiologie végétale・Biologie cellulaire | Les trois étapes, de la perception à la réaction |
| Recherche | Réponse des plantes à la gravité, culture dans l'espace | Ce qui reste encore mal compris |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Sens dans lequel semer une graine, redressement des cultures couchées |
- Société japonaise de physiologie végétale, « Espace public – Questions-réponses sur les plantes » (森林総合研究所, explication sur le gravitropisme et l'auxine)
- Charles Darwin et Francis Darwin, The Power of Movement in Plants (1880, observations classiques sur les tropismes)
- Manuel scolaire de « Biologie » de lycée (unité sur les réponses des plantes à l'environnement, section tropismes et auxine)
- Documents publics de l'Agence japonaise d'exploration aérospatiale (宇宙航空研究開発機構, JAXA) et de la NASA sur les expériences de culture de plantes dans l'espace
※Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des estimations données à titre indicatif pour faciliter la compréhension des mécanismes. La vitesse de croissance et l'intensité des réactions varient considérablement selon l'espèce végétale, la température et l'humidité. Pour vos observations, ne prélevez pas de graines ou de plants dans leur environnement naturel sans autorisation.