Sans yeux, oreilles, ou un système nerveux central, les plantes peuvent percevoir la direction des signaux environnementaux et réagir pour assurer leur survie.

Par exemple, les racines doivent s'étendre à travers le labyrinthe de coins et de recoins dans le sol vers des sources d'eau et de nutriments. Les différentes manières dont les plantes guident cette ramification pour tirer parti de leur environnement sont d'un grand intérêt pour les scientifiques et potentiellement utilisables par les agriculteurs ayant besoin de cultures produisant plus de nourriture avec moins de ressources.

Le biologiste de Carnegie et de l'université de Stanford, José Dinneny, a passé des années à étudier comment la croissance des racines réagit à l'eau, notamment par un phénomène appelé hydropatterning, ce qui permet aux plantes d'optimiser la ramification des racines pour maximiser l'absorption d'eau.

Tout comme la façon dont les plantes se ramifient au-dessus du sol pour accéder à la lumière du soleil, les racines des plantes forment un réseau souterrain ramifié, avec des racines latérales partant d'un axe principal. La structure de ces réseaux racinaires doit être régulée de manière à optimiser l'exploration des sols, tout en limitant l'expansion dans les régions pauvres en eau.

"Nous savions que les plantes faisaient cela - se branchant vers l'eau - mais pas le mécanisme par lequel la plante percevait et réagissait à ce signal environnemental, " expliqua Dinneny.

Lui et Neil Robbins II, étudiant diplômé de Stanford, ont cherché à déterminer si la capacité observée d'une racine de plante à encourager la ramification vers l'humidité et à décourager la ramification dans un sol sec est localisée à n'importe quelle partie de la racine, ou est partagé par l'ensemble de la structure racine.

"En comprenant où la racine perçoit l'eau, nous pourrions obtenir des indices sur la façon dont la plante accomplit cette tâche remarquable, " dit Dinneny.

En utilisant à la fois des approches de microdissection à petite échelle et de modélisation mathématique, ils ont découvert que l'extrémité de la racine où l'expansion cellulaire stimule la croissance est uniquement capable de percevoir et de répondre aux signaux d'humidité en façonnant la direction dans laquelle la racine se ramifie dans le sol. L'utilisation de la modélisation mathématique a montré que la perception de l'eau telle qu'observée par le mouvement de l'eau dans la racine était considérablement affectée par le taux de croissance des racines.

L'auteur principal Robbins a commenté :« Lorsque la croissance des racines a ralenti, la capacité de la racine à répondre à la direction de l'eau était fortement diminuée. Ce travail indique que le processus actif d'absorption d'eau par la racine est nécessaire pour voir où se trouve l'eau dans l'eau du sol et répondre au niveau du développement à cet indice environnemental clé."

Pour replacer ce travail dans son contexte, il est important de réaliser que l'on comprend peu de choses sur la façon dont les plantes perçoivent l'abondance d'eau dans l'environnement et la plupart des travaux se sont concentrés sur les événements de signalisation qui se produisent au niveau cellulaire.

Le travail de Robbins et Dinneny, Publié dans Actes de l'Académie nationale des sciences , montre que le processus même de croissance induit un état physique dans la plante qui lui permet uniquement de percevoir à l'échelle de l'organe la direction d'une ressource indispensable dans son environnement.

"La plante ne semble voir la direction de l'eau que lorsqu'elle essaie de l'extraire de l'environnement, " Dinneny a déclaré. "Lorsque l'expansion cellulaire n'est pas le moteur de la croissance, la capacité de voir la direction de l'eau est réduite, and the root either can't see or doesn't care where water is and starts making branches in every direction."  

Using the flux of water as a key metric of water availability may provide an important way in which the plant can convert the outside picture of where water is in soil into an internal biophysical pattern that plants can then interpret. Understanding how plants optimize this process for particular soil environments may enable the production of more water-efficient plants. When it comes to the importance of water for plants, a picture can be worth a thousand words.