Analogies

Nous allons à présent rechercher au sein du monde végétal la présence ou non d’un mécanisme de déclenchement de la douleur et de réaction tel que celui décrit en détail chez l’homme.

Nous procéderons  par analogie avec nos connaissances sur la douleur humaine, cherchant à mettre en évidence les points communs et les différences entre notre système nerveux et ce qui permet aux plantes de percevoir et réagir face à leur environnement.

1. Les végétaux ont-ils des capteurs?

Le CNRS (Centre National de Recherche Scientifique) apporte une réponse sur l’existence de capteurs permettant aux plantes d’interagir avec leur environnement :

Les cryptochromes, protéines présentes chez les organismes vivants comme les plantes et les animaux sont des pigments récepteurs de lumière bleue qui interviennent dans de nombreux processus (croissance, développement…) liés au cycle circadien (jour/nuit).

C’est ainsi que certaines fleurs se ferment la nuit  et s’ouvrent  le jour.  Mais c’est aussi grâce à ces capteurs que la plante se défend face à toute sorte d’agression  telle que les herbivores voraces (cas de l’acacia), les parasites ou encore face à une infection virale par exemple. Ces récepteurs, pour les végétaux, sont des protéines situées sur la membrane plasmique d’une cellule végétale. Tout comme les nôtres,  ils tapissent l’épiderme du végétal. Leur rôle est de « traduire » le  message initial -apporté par certaines hormones- qui en temps normal contribue aux développements et à la croissance de la plante. Lorsque celle ci est agressée, les cellules détruites libèrent une grande quantité d’hormones qui induisent une réponse immédiate de la plante (allongement, synthèse des cellules par exemple, mais aussi divers mécanismes de défense)

Pour illustrer l’existence et le rôle de capteurs, nous avons mené quelques expériences sur une dionée.

La dionée vit dans un milieu marécageux au sol acide (tourbe) et contenant peu de nutriments. Au fil de l’évolution, la dionée s’est donc dotée de la capacité à capturer et digérer des insectes d’où elle tire la majeure partie de sa matière organique ainsi que de ses sels minéraux. La capture de proies se fait à l’aide de « pièges » qui consistent en une feuille pliée en son centre; cette feuille est tapissée de cellules qui sécrètent le liquide responsable de la digestion ainsi que de 6 poils sensitifs répartis de part et d’autre de la feuille.

shéma 1

En orange, on peu voir les six poils sensitifs et la zone entourée en jaune correspond à la zone où sont sécrétés les sucs digestifs.

Un plant de dionée peut posséder une quantité très variable de feuilles. Le piège est déclenché par la proie qui déforme la base des poils sensitifs. En effet, à la base de ces poils se trouvent des cellules qui une fois déformées sont à l’origine de la création d’un potentiel d’action qui à l’inverse de celui neuronal se déplace grâce à l’espace inter- cellulaire. Le piège de la dionée a une durée de vie d’environ 3 fermetures car les cellules se déformant pour le fermer, il arrive un moment où la feuille ne peut plus se refermer et meurt.

fonctionnement du piège au niveau cellulaire (cliquer)

fonctionnement du piège au niveau macroscopique (cliquer)

Le piège se déclenche lorsque la proie -en se débattant- fait se déformer les cellules dites « sensitives » placée à la base des poils du même nom. Ces poils jouent donc un rôle de « capteurs » de mouvements. Cette action va ensuite avoir pour conséquence de provoquer l’ouverture de canaux ioniques (les uns spécifiques aux ions Cl- et les autres aux ions Ca²+) responsables d’une dépolarisation du milieu intracellulaire à l’origine de la création d’un potentiel d’action qui va se déplacer à la manière d’une onde très rapide. Ce potentiel d’action va induire le relâchement d’ions H+ par les cellules de la paroi interne acidifiant donc le milieu intercellulaire. Cette acidification aura pour conséquence de rendre perméables et extensibles les parois des cellules de la face externe favorisant une entrée massive d’eau dans celles-ci par phénomène osmotique et ainsi grâce à la pression générée déformer les cellules pour les allonger et fermer le piège. Tout le phénomène décrit plus haut ne se déroule qu’en quelques centièmes de secondes assurant de ce fait la capture de la proie rapide et quasi imparable.

On constate donc un phénomène de dépolarisation comme pour le système humain.

Expériences

Nous avons réalisé une série d’expériences simples qui ont pour but de voir dans un premier temps si les dionées réagissent à une agression pour ensuite en tirer quelques interprétations.

protocole 1 : On brule légèrement une feuille:

On remarque que le piège se referme, mais la plante sent-elle réellement qu’elle est agressée ?

Il semblerait que la « sensibilité » ne soie présente que dans le piège.

Protocole 2 : simulation d’une morsure

Nous essayons une autre expérience dans laquelle on se propose de déterminer si la plante perçoit la morsure d’un petit insecte ici représenté par une aiguille stérilisée.

Là aussi, la plante semble percevoir l’agression.

Une autre expérience nous a permis non seulement  de définir une « zone de sensibilité » mais aussi de trouver une explication à ce phénomène : on coupe d’abord un lobe de la feuille en faisant attention à ne pas toucher la zone où sont présentent les cellules sécrétrices puis on coupe le lobe en touchant la zone de cellules sécrétrices.

Si l’on s’imagine à la place de la plante, il est certain que nous avons l’impression qu’elle souffre. Néanmoins cela ne reste qu’une impression car la raison de ces réactions peut être expliquée de manière simple : les lésions causées à la plante ont pour conséquence de détruire des cellules qui vont alors libérer des ions initiant ainsi un potentiel d’action responsable de la fermeture du piège. On peut tout de même noter que ces réactions peuvent êtres bénéfiques pour la plante par exemple en réduisant la surface de contact avec un feu ou en capturant l’insecte prédateur

Les dionées possèdent donc comme nous des récepteurs et un mode de transmission de l’information basé sur un signal électrique créé par des ions. Cependant chez la dionée comme chez ses cousines les droseras (d’autres plantes carnivores possédants elles aussi un mode de capture basé sur les mouvements), la zone de « sensibilité » ne s’étend qu’au piège et à aucun moment l’information n’est interprétée par un quelconque centre nerveux, les réactions de captures sont donc ce que l’on pourrait apparenter à des réflexes chez nous ou à une réaction en chaîne. C’est pour ces raisons que l’on ne peu pas parler de sensation douloureuse car seul le cerveau et ses millions de connexions est capable d’effectuer une modélisation de sensation. Les plantes en sont dépourvues bien que les plantes carnivores possèdent des cellules ressemblant beaucoup à nos neurones.

2. Les végétaux peuvent-ils communiquer?

Lors d’une action du milieu sur le végétal, toute une série de réaction en chaîne se produisent. Nous pouvons en distinguer trois phases :

  • Premièrement une phase de réception : les récepteurs captent des hormones (un récepteur particulier pour chaque type d’hormone), l’hormone  s’encastre et se fixe sur un complexe tridimensionnel (un peu comme un puzzle) prévu à cet effet
  • Ensuite vient une phase d’amplification : les hormones sont produites en très faible quantité,  il est donc nécessaire pour la plante d’amplifier le message en libérant d’autres substances chimiques. Ce processus est appelé   « conversion -amplification »

Pour finir vient la phase dite de « réponse » : là les substances sont libérées

C’est au travers de cette communication hormonale que la plante peut appréhender son environnement (les hormones sont en cela comparables au neurotransmetteur). Ces hormones sont à l’origine de la forme des végétaux et de leur croissance mais permettent aussi  d’interagir avec les autres plantes.

Si la plante entière perçoit l’agression, c’est que l’information est bien transmise.

C’est au travers de cette communication hormonale que la plante peut appréhender son environnement (les hormones sont en cela comparables au neurotransmetteur). Ces hormones sont à l’origine de la forme des végétaux et de leur croissance mais permettent aussi  d’interagir avec les autres plantes.

Si la plante entière perçoit l’agression, c’est que l’information est bien transmise.

Etude de cas : communication entre végétaux

Nous avons trouvé au travers de nos recherches une illustration concrète d’un mode de communication entre arbres (acacia) via des hormones. L’hormone responsable de cette communication est l’éthylène.

Nous remarquons aussi que l’éthylène a pour effet de protéger la plante agressée en favorisant le développement de ses épines (elle permet donc de communiquer avec la plante).

3. Les végétaux peuvent-ils se défendre?

En essayant de trouver des similitudes entre mécanismes de défense humaine et végétale on peut essayer de retrouver les mêmes réactions que lorsque l’être humain souffre et donc s’interroger sur le fait que les plantes souffrent peut-être d’une autre façon.

Un des mécanismes de défense le plus efficace chez la plante est la réaction d’hypersensibilité: il permet de retarder l’agent pathogène en tuant toutes les cellules avoisinantes. L’expression des gènes de défense se fait par la suite, la nécrose ayant pour but de laisser le temps à ces mécanismes de se mettre en place. Cette hypersensibilité est notamment plus efficace grâce aux molécules endogènes dont nous avons parlé précédemment et qui permettent de maintenir l’agent pathogène à l’endroit de l’attaque. La résistance systématique acquise permet de prévenir les cellules avoisinantes pour permettre par la suite une défense plus efficace lors d’une autre agression. Cette réaction a pour avantage de ne pas mobiliser constamment les mécanismes de défense. Couplés avec cette réaction, il existe des antibiotiques végétaux appelés phytoalexines qui sont spécifiques à l’hôte mais indépendants de l’agent pathogène.

De plus on trouve aussi des protéines de défense notamment les PR. Ces protéines ont pour avantage d’être stables : elles restent solubles en milieu acide (pH= 2,8) et résistent à l’action des protéases. Elles ont pour rôle de détruire parfois la paroi des champignons et des bactéries et d’activer le système de défense de la plante en lâchant des oligosaccharides qui sont reconnus comme éliciteurs.

Il existe aussi une troisième réaction de défense chez la plante qui est un renforcement de la paroi pecto-cellulosique. Ce renforcement a pour but d’accroitre sa résistance aux enzymes microbiens.

L’acacia, un système de défense efficace

Des études sur les acacias ont été menées par Mr Wouter Van Hoven, professeur à l’université de Pretoria suite à des morts mystérieuses d’animaux (koudous) dans des réserves en Afrique.



Le koudou, une espèce d’antilope (visible sur la photo), se nourrit principalement de feuilles d’acacia. Cette espèce animale a dans un premier temps adapté sa morphologie pour éviter les épines de l’acacia (qui peuvent atteindre jusqu’à  20 cm) : dans le cadre de son évolution, l’avant du crâne du koudou s’est allongé  de sorte que l’animal puisse passer entre les épines et ainsi se nourrir des feuilles basses.
Les acacias ont dû à leur tour mettre en place un nouveau système de défense pour assurer leur survie. Il est important de noter le caractère indispensable de cette survie car en vivant l’acacia permet de nourrir presque toutes les espèces herbivores de son milieu (il est en effet la nourriture principale des koudous).  La disparition de ces derniers pourrait ainsi provoquer une modification profonde de la faune. Le nouveau système de défense développé par l’acacia a consisté à augmenter le taux de tanin présent dans ses feuilles au delà d’une consommation trop importante des feuilles par ses prédateurs. Cette augmentation donne un goût amer à la feuille et dissuade les herbivores d’en manger : lorsque le tanin est ingéré en trop grande dose,  il devient mortel car il rend les feuilles indigestes.

L’acacia possède en plus un autre système assurant sa survie : il va relâcher des substances volatiles (éthylène) qui vont alors être portées par le vent. Lorsque ces substances vont atteindre d’autres arbres elles vont leur communiquer un message de danger provenant de l’acacia ;  les arbres en réaction à ce message vont également produire du tanin.

Ainsi dans cette partie nous avons vu que les acacias réagissent à une agression et s’en protègent ainsi que leur milieu (communication entre arbres) : cette agression met en danger leur survie. On retrouve donc des similitudes avec la douleur humaine (mécanismes de survie face à une agression).

De plus les acacias perçoivent leur milieu car ils « comprennent » que leurs feuilles sont nécessaires à la survie de leur entourage : ils régulent la production de tanin au-delà d’un certain seuil de consommation de leurs feuilles, de sortent à également assurer leur survie.

On peut voir dans cette forme « d’intelligence » une  similitude avec l’être humain : s’ils perçoivent leur milieu ils peuvent donc aussi percevoir le danger. Or la plupart du temps la douleur est associée au  danger.

Centre nerveux réel ou imaginaire?

Comme expliqué précédemment, les récepteurs des végétaux sont en fait des protéines.

Ces protéines sont créées par des gènes dit gènes de résistance. Elles sont classées en 5 classes en fonction de leur type (si elles sont intracellulaires, intracellulaire ou extracellulaire LRR, ou bien intracellulaire ou extracellulaire kinase).

On retrouve ainsi l’histone H2A.Z qui est une protéine permettant à la plante de percevoir des changements de température. En effet cette protéine participe à l’enroulement de l’ADN, mais lorsque la température augmente, cette protéine se raréfie. Cela a pour effet de faciliter ou de régresser la transcription de certains gènes ; de plus l’enroulement de l’ADN régule l’expression de plusieurs gènes. C’est ainsi que la plante perçoit une variation de température et qu’elle l’interprète : c’est un enchainement de réactions sans qu’à un seul moment l’une d’elle soit interprétée, à la différence de l’être humain (cerveau).

Les cryptochromes sont quant à elles des protéines qui reçoivent la lumière. Les mécanismes de fonctionnement de cette protéine sont encore très peu connus cependant on pense que lorsque ces récepteurs reçoivent de la lumière bleue,  ils déclenchent un transfert d’électron du cofacteur FAD (flavine adénine dinucléotide) qui serait la base de transmission de l’information. Cependant même si nous ne savons pas si ce signal est interprété, nous savons par contre que ces récepteurs sont des protéines à la différence des récepteurs chez l’être humain.

Par contre on connait beaucoup mieux les stratégies de défense de la plante face à une agression. Cette étude est importante car la douleur résulte souvent d’une agression.

Lors d’une agression la plante va reconnaitre certaines substances (éliciteurs) qui vont l’informer de l’agression. Ces substances peuvent soit provenir de l’agent pathogène, on les appelle alors éliciteurs exogènes (les substances seront libérées par la paroi de l’agent pathogène sous l’action d’une enzyme de la plante), ou éliciteurs endogènes si ces substances proviennent de la plante.

Il existe 3 types de molécules endogènes dans la signalisation intercellulaire lors d’une agression : l’acide salicylique, l’éthylène et l’acide jasmonique.

L’acide salicylique permet tout d’abord le confinement de l’agent pathogène sur le lieu de l’agression mais en plus permet la mise en place de la résistance systémique acquise, qui déclenche les protéines de défense. De plus le signal responsable de la résistance systématique acquise (SAR) se propage aussi dans les feuilles non infectées ce qui permet une bien meilleure protection de la plante.  Cet acide joue aussi un rôle dans la réaction d’hypersensibilité de la plante, et plus précisément dans la nécrose.

L’éthylène quant à lui  ne permet la résistance qu’à certain types d’agents pathogènes mais comme nous l’avons vu pour la partie concernant les acacias, c’est une substance volatile : elle permet de prévenir les autres plantes de l’agression (signal endogènes mobile). L’acide jasmonique quant à lui permet la signalisation aboutissant aux réactions de défense. Les élicitines sont des protéines particulières qui assurent la survie de la plante : en effet elles ont pour rôle de stimuler les défenses de la plante mais permettent aussi une réaction d’hypersensibilité. Les signaux intracellulaires semblent commander deux types de voies distinctes : une voie pour l’acide  salicylique et une autre pour l’acide jasmonique et l’éthylène. Selon la voie empruntée, les plantes acquièrent des résistances à des agents pathogènes différents. Par exemple le tabac utilise deux voies de signalisation distinctes: la voie de l’acide jasmonique pour une blessure et les deux voies (salcylique et jasmonique) pour un agent pathogène. La signalisation d’une agression serait donc due aux trois molécules endogènes décrites précédemment.

On pourrait émettre une analogie entre nocicepteurs et ces molécules endogènes : elles ont en effet le même rôle de prévention et de transmission de l’information. Cependant la transmission de l’information chez l’être humain se fait principalement par les neurones ; on ne retrouve aucun équivalent des neurones ici. L’information non plus n’est pas interprétée, ce qui confirme que le centre nerveux n’existe pas chez les plantes.

Malgré l’absence de centre nerveux, il subsiste des doutes sur le ressenti de la douleur par les végétaux : en effet lors d’une agression, le pavot produit de la bismorphine (dimère de morphine) qui s’accumule à l’endroit de cette agression. On sait que la morphine est utilisée chez l’être humain pour atténuer la douleur. Le pavot l’utiliserai t’il parce qu’il a mal? Cette bismorphine aurait seulement pour rôle  de maintenir associés les fragments de pectines produits par l’agression mécanique. Peut être que les plantes n’ont pas besoin de centre nerveux pour souffrir, qu’elles souffrent d’une autre façon ?

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