Quand les plantes se défendent

Bien qu'elles soient fixées à leur milieu de vie, les plantes sont loin d'être sans défense. Au cours de leur évolution, elles ont développé un remarquable arsenal de stratégies leur permettant de faire face aux agressions de leur environnement : sécheresse, gel, maladies, insectes ravageurs ou animaux herbivores.

En agriculture, ces agressions représentent un enjeu majeur et expliquent le recours fréquent aux pesticides. Une meilleure compréhension des mécanismes naturels de défense des végétaux ouvre toutefois la voie à des méthodes de protection plus respectueuses de l'environnement.

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Des mécanismes de défense très diversifiés

Résister à la sécheresse

Face aux épisodes de sécheresse et de fortes chaleurs, les végétaux ont développé plusieurs adaptations complémentaires.

Les organes aériens des plantes terrestres — feuilles, jeunes tiges et parfois fruits — sont recouverts d'une cuticule, une fine couche hydrophobe constituée principalement de cutine et de cires. Cette enveloppe limite l'évaporation de l'eau tout en constituant une première barrière contre de nombreux agents extérieurs. L'épaisseur de cette cuticule varie selon les espèces. Chez les cactus, les agrumes ou encore le laurier, elle est particulièrement développée, ce qui contribue à réduire les pertes d'eau. 

Les échanges gazeux nécessaires à la photosynthèse s'effectuent par de minuscules pores appelés stomates. Ceux-ci permettent l'entrée du dioxyde de carbone, mais constituent également la principale voie de sortie de la vapeur d'eau lors de l'évapotranspiration. Chez la plupart des plantes terrestres, les stomates sont beaucoup plus nombreux sur la face inférieure des feuilles, moins exposée au rayonnement solaire, ce qui limite les pertes d'eau. 

Certaines espèces possèdent également de fins poils, appelés trichomes, qui ralentissent la circulation de l'air au contact de la feuille. Ils maintiennent ainsi une fine couche d'air plus humide, réduisant l'évaporation. Chez certaines plantes, comme la sauge, ces poils participent aussi à la défense contre les insectes. 

D'autres espèces présentent des adaptations particulières. Les feuilles blanchâtres de l'olivier réfléchissent une partie du rayonnement solaire. Étroites, recouvertes de cuticule et de trichomes, elles fournissent à cet arbre une grande résistance aux climats méditerranéens.

Enfin, certaines plantes stockent l'eau dans des organes spécialisés. Les cactus et les aloès accumulent ainsi d'importantes réserves dans leurs tiges, tandis que d'autres espèces utilisent leurs racines, leurs bulbes ou leurs tubercules comme réservoirs mobilisables lors des périodes de sécheresse.

Survivre au gel

Le froid constitue une autre contrainte majeure pour les végétaux. Là encore, les plantes disposent de nombreuses stratégies pour passer l'hiver.

Les arbres caducs, comme le chêne ou le hêtre, perdent leurs feuilles avant l'arrivée des grands froids. En supprimant ces organes où se produisent l'essentiel des échanges avec l'atmosphère, ils réduisent fortement les pertes d'eau et protègent leurs tissus les plus fragiles contre les dommages causés par le gel. Les futures pousses demeurent quant à elles à l'abri dans des bourgeons protégés par des écailles résistantes.

D'autres espèces passent l'hiver sous terre sous forme de bulbes, de rhizomes ou de tubercules. La tulipe survit ainsi grâce à son bulbe, tandis que la pomme de terre conserve ses réserves dans ses tubercules. Certaines plantes annuelles, enfin, ne subsistent que sous forme de graines jusqu'au retour de conditions favorables.

À l'échelle des cellules, les plantes mettent également en œuvre des mécanismes plus discrets. En contrôlant leur teneur en eau et en accumulant notamment des sucres, elles limitent les dommages liés à la formation de glace. Certaines produisent également des protéines dites « antigel », capables notamment de modifier la formation, la propagation ou la recristallisation des cristaux de glace. Des conifères, notamment, utilisent ce type d'adaptation pour mieux résister aux basses températures.

Se protéger des prédateurs

Les plantes doivent également faire face à de nombreux animaux et insectes herbivores. Incapables de fuir, elles ont développé au cours de leur évolution une grande diversité de mécanismes de défense, que l'on peut regrouper en deux catégories : les défenses physiques et les défenses chimiques.

Les défenses physiques sont les plus visibles. Elles rendent les plantes plus difficiles à consommer grâce à des épines, des aiguillons ou des poils urticants qui découragent les herbivores. La cuticule constitue également une protection efficace. En recouvrant les organes aériens d'une couche cireuse, elle constitue une barrière physique et chimique qui peut limiter l'adhérence, la pénétration ou l'installation de certains organismes.

Certaines espèces renforcent encore leurs tissus en y incorporant de la lignine ou de la silice. Les feuilles et les tiges deviennent alors plus rigides et parfois plus abrasives, ce qui peut compliquer leur consommation et, chez certains herbivores, contribuer à l'usure des pièces buccales.

Les plantes produisent également une extraordinaire diversité de molécules chimiques destinées à repousser, intoxiquer ou décourager leurs prédateurs. Certaines émettent des composés odorants qui perturbent ou éloignent les insectes. D'autres accumulent des tannins, qui rendent les tissus amers et peu digestes, ou encore des alcaloïdes et des terpènes, dont plusieurs possèdent des propriétés toxiques ou répulsives. Certaines de ces substances constituent une première ligne de défense présente en permanence (tandis que d'autres sont produites ou accumulées en réponse à une attaque). Les tannins offrent un autre exemple bien connu. Très abondants dans les glands de chêne, ils rendent ces fruits particulièrement astringents lorsqu'ils sont frais. Le kaki non mûr doit également son goût âpre à une forte concentration en tannins, qui diminue au cours de la maturation.

Beaucoup de molécules bien connues sont d'ailleurs, avant tout, des armes de défense végétale. La nicotine protège le tabac contre de nombreux insectes herbivores. La caféine, produite notamment par le caféier, décourage certains consommateurs de feuilles ou de graines. Quant à la capsaïcine du piment, responsable de la sensation de brûlure, elle dissuade la plupart des mammifères de consommer les fruits avant la dispersion des graines, tandis que les oiseaux, insensibles à cette molécule, continuent d'assurer leur dissémination.

L'efficacité de ces défenses évolue souvent au cours du développement des fruits. Ainsi, une tomate verte contient davantage de composés défensifs qu'une tomate mûre. Tant que les graines ne sont pas prêtes à être dispersées, la plante décourage leur consommation. Une fois les graines arrivées à maturité, ces substances diminuent, le fruit devient plus appétissant et les animaux participent à leur dissémination.

Réagir en cas d'attaque

Les plantes savent parfois attirer des alliés inattendus pour lutter contre leurs ravageurs. Lorsqu'une plante est attaquée par un insecte, elle peut modifier les composés organiques volatils (COV) qu'elle libère dans l'air. Ces molécules peuvent alors servir de signaux et attirer les ennemis naturels des ravageurs.

Ainsi, lorsque la piéride du chou pond ses œufs sur une brassicacée, comme la moutarde noire (Brassica nigra), la plante émet des COV qui attirent des microguêpes parasitoïdes du genre Trichogramma, lesquelles pondent leurs œufs dans ceux de la piéride, limitant ainsi le développement du ravageur. Ces insectes pondent à leur tour dans les œufs de la piéride, empêchant le développement des futures chenilles.

Certaines plantes entretiennent même des relations durables avec leurs protecteurs. Plusieurs espèces d'acacias hébergent ainsi des fourmis dans leurs épines creuses et leur fournissent des ressources nutritives. En échange, les fourmis défendent activement leur hôte contre les insectes, éliminent les plantes concurrentes qui poussent à proximité et peuvent même repousser de grands herbivores. Cette coopération constitue un exemple de mutualisme, une association bénéfique aux deux partenaires.

En cas d'attaque, certaines plantes peuvent également déclencher une mort cellulaire localisée. Lorsqu'un champignon, une bactérie ou certains virus pénètrent dans un tissu végétal, les cellules situées autour de la zone infectée peuvent, chez certaines espèces, déclencher une mort cellulaire programmée. Cette réaction, appelée réponse hypersensible, contribue à limiter la progression de l'agent pathogène vers les tissus sains. En isolant ainsi la zone infectée, cette stratégie peut, dans certaines interactions entre la plante et l'agent pathogène, empêcher l'infection locale de se propager à l'ensemble du végétal. Autour de cette zone, la plante renforce ensuite ses défenses. Elle produit des molécules antimicrobiennes, épaissit ses parois cellulaires et synthétise différentes substances capables de freiner le développement des agents pathogènes. Cette résistance locale forme une véritable barrière physique et chimique qui ralentit la propagation de l'infection.

L'agression ne reste cependant pas limitée à la zone touchée. Elle peut déclencher la production et la circulation de différents signaux chimiques, dont l'acide salicylique, le jasmonate et l'éthylène. Ces réseaux de signalisation permettent à des organes éloignés de la zone attaquée de modifier l'expression de nombreux gènes et de se préparer à une éventuelle attaque. Ce phénomène, appelé résistance systémique acquise, rappelle par certains aspects une forme de mémoire. Toutefois, contrairement aux animaux, les plantes ne produisent ni anticorps ni cellules immunitaires spécialisées. Leur réponse repose exclusivement sur l'activation de mécanismes de défense déjà présents.

Communiquer

Lorsqu’une plante est attaquée par un ravageur, elle peut modifier les COV qu’elle émet. Certains de ces composés peuvent être perçus par des plantes voisines et, dans certaines conditions, déclencher chez elles des mécanismes de défense ou les préparer à répondre plus efficacement à une attaque ultérieure. C'est le cas, par exemple, du peuplier hybride. Ce phénomène n’est toutefois pas généralisable à toutes espèces et situations.

La transmission de signaux chimiques entre plantes peut également être étudiée sous terre, notamment grâce aux mycorhizes : des associations symbiotiques entre les racines et certains champignons du sol.

Les filaments des champignons mycorhiziens peuvent relier les racines de plusieurs plantes et former des réseaux souterrains. Ces associations jouent un rôle important dans la nutrition des plantes : les champignons facilitent notamment l’accès à l’eau et à des éléments minéraux, tandis que les plantes leur fournissent des composés issus de la photosynthèse.

Ces réseaux peuvent aussi être impliqués dans la transmission de signaux entre plantes. Des travaux expérimentaux ont notamment montré que des réseaux mycorhiziens pouvaient permettre des échanges d’informations entre microorganismes ou plantes connectées. Cependant, les mécanismes précis, la fréquence de ces échanges et surtout leur importance dans les écosystèmes naturels restent encore étudiés.

Mais alors, si les plantes savent si bien se défendre, pourquoi utilise-t-on encore des pesticides ?

Des défenses trop limitées pour l'agriculture ?

Dans les écosystèmes naturels, ces différents mécanismes permettent aux plantes de maintenir un équilibre avec leur environnement. En agriculture intensive, la situation est différente. Les végétaux sont soumis à des conditions qui favorisent la prolifération des ravageurs et limitent parfois l'efficacité de leurs défenses naturelles.

Les grandes surfaces cultivées en monoculture offrent aux insectes et aux agents pathogènes un environnement particulièrement favorable : un ravageur peut passer très facilement d'un plant à l'autre. Les plantes subissent alors une pression d'attaque bien plus importante que dans les milieux naturels, où les espèces végétales sont beaucoup plus diversifiées. Miser sur les mécanisme de défense des plantes, c'est aussi accepter que l'énergie déployée par la plante pour cela soit moins disponible pour la croissance, la floraison ou la production de fruits et de graines. En effet, les plantes doivent constamment arbitrer entre leur développement et leur protection. En agriculture, cet équilibre peut se traduire par une diminution des rendements lorsque les défenses sont fortement sollicitées.

Or, depuis plusieurs siècles, la sélection variétale a privilégié des plantes très productives et homogènes. Si cela a permis d'améliorer considérablement les performances des cultures, certaines caractéristiques de défense ont parfois été perdues au cours de la domestication, réduisant la diversité génétique disponible pour faire face aux maladies émergentes.

Enfin, la forte densité des cultures, les travaux du sol et certaines pratiques agricoles peuvent également modifier les communautés de micro-organismes présentes dans le sol. Ce microbiote joue pourtant un rôle essentiel dans la nutrition des plantes, leurs relations avec les mycorhizes et leur capacité à résister aux maladies. La préservation de cette biodiversité souterraine constitue aujourd'hui un enjeu majeur pour une agriculture plus durable.

Stimuler les défenses naturelles des cultures

Plutôt que de détruire directement les ravageurs ou les agents pathogènes, une autre approche consiste à aider les plantes à mobiliser leurs propres mécanismes de défense. C'est le principe des stimulateurs de défenses naturelles (SDN), également appelés éliciteurs. Ces substances peuvent être d'origine végétale, microbienne, minérale ou synthétique. Elles sont perçues par la plante comme des signaux d'alerte et déclenchent l'activation de nombreux mécanismes de défense, avant ou dès le début d'une attaque.

Par analogie, on compare parfois leur action à celle d'un « vaccin » végétal. Toutefois, les SDN ne créent pas une immunité au sens médical du terme.

Parmi les SDN utilisés en agriculture figure notamment la laminarine, un polysaccharide extrait d'algues brunes. Cette molécule est reconnue par la plante comme un signal de danger et stimule différentes réponses de défense contre certains agents pathogènes. Lorsqu'une attaque survient ensuite, la plante peut réagir plus rapidement et plus efficacement.

Les stimulateurs de défenses naturelles font aujourd'hui l'objet de nombreuses recherches et sont déjà utilisés dans certaines cultures. À ce jour, cette approche reste encore peu optimisée. L’utilisation majoritaire des pesticides chimiques lui laisse moins de place et permet donc peu de recul sur ces modes d’action souvent complexes, en particulier lorsque les stimulateurs sont issus d'extraits naturels renfermant de nombreuses molécules actives.

Le son, une nouvelle piste de recherche

Les stimulateurs de défenses naturelles ne représentent qu'une des voies actuellement explorées pour améliorer la protection des cultures.

Une autre piste repose sur l'exploration du rapport que les plantes entretiennent avec le monde sonore. En effet, les plantes peuvent percevoir des vibrations mécaniques produites par leur environnement et y réagir. Des recherches montrent que certaines stimulations vibratoires ou sonores peuvent modifier leur physiologie, notamment la croissance, la germination ou l’expression de certains gènes.

Un phénomène particulièrement intéressant concerne les vibrations produites par les insectes herbivores. Une expérience menée sur Arabidopsis thaliana a montré que les vibrations correspondant à la mastication de chenilles pouvaient être perçues par la plante. Après cette exposition, les plantes produisaient davantage de certaines défenses chimiques lorsqu’elles étaient ensuite attaquées par des chenilles. Les plantes distinguaient également ces vibrations de celles provoquées par le vent ou par le chant d’insectes.

D’autres travaux menés sur Arabidopsis thaliana ont montré que les vibrations produites par l’alimentation des chenilles pouvaient également modifier les concentrations de certaines hormones végétales et les émissions de composés organiques volatils (COV).

Une autre approche, plus récente et encore très largement expérimentale, consiste à transformer les caractéristiques vibratoires de certaines protéines en séquences sonores, appelées protéodies. L'hypothèse est que ces séquences pourraient influencer certains mécanismes biologiques chez les plantes.

Même si toutes ces pistes ne sont pas encore arrivées à maturité, elles témoignent d'un profond changement de perspective : l'agriculture de demain pourrait ainsi chercher moins à éliminer systématiquement les organismes qui menacent les cultures qu'à renforcer la capacité des agroécosystèmes à leur résister et à réguler leurs populations.

Les défenses des plantes racontent finalement une histoire bien plus ancienne que la nôtre. Depuis des millions d’années, plantes, herbivores, parasites et microbes évoluent les uns au contact des autres, chacun exerçant sur les autres de nouvelles pressions de sélection. Certaines défenses se sont ainsi affinées, certaines stratégies ont été contournées, et de nouvelles interactions sont apparues au fil du temps. Ce que nous observons aujourd’hui dans une feuille, une racine ou une fleur est donc le résultat d’une longue histoire d’adaptations réciproques. Les plantes ne vivent pas simplement dans leur environnement : elles évoluent avec lui, au gré d’interactions qui, depuis des millions d’années, façonnent le vivant.