A compact and portable system for simultaneous CO₂ and O₂ measurements of leaf respiratory quotient

Les plantes, comme tous les êtres vivants, doivent respirer pour survivre. Bien qu'elles soient célèbres pour absorber du dioxyde de carbone et rejeter de l'oxygène pendant la journée pour alimenter leur croissance, elles accomplissent également un processus opposé et plus discret la nuit. Dans l'obscurité, les feuilles consomment de l'oxygène et rejettent du dioxyde de carbone, un processus appelé respiration. Cette respiration nocturne n'est pas seulement une perte d'énergie passive ; c'est un moteur métabolique complexe qui indique aux scientifiques exactement ce que la plante brûle comme carburant. Le rapport entre le dioxyde de carbone rejeté par une plante et l'oxygène qu'elle consomme est appelé le quotient respiratoire. Si une plante brûle du sucre pur, ce rapport se situe proprement à un. Cependant, si elle brûle des graisses, des protéines ou d'autres molécules complexes, ou si sa chimie interne change pour gérer le stress, ce chiffre varie. En mesurant ce rapport, les chercheurs peuvent jeter un regard à l'intérieur de la cuisine métabolique de la plante pour voir quels ingrédients sont utilisés et comment la plante s'adapte à son environnement.

Pendant des décennies, mesurer ce rapport a été une affaire délicate. Les scientifiques mesuraient généralement le dioxyde de carbone sortant d'une feuille et l'oxygène entrant à l'aide de deux machines complètement distinctes, souvent à des moments différents ou sur des feuilles différentes. Cette approche revient à essayer de juger la vitesse d'une voiture en la chronométrant sur deux pistes différentes avec deux chronomètres différents ; même de petites différences dans l'équipement ou les conditions peuvent fausser le calcul final. Le résultat est souvent une image confuse où les chiffres ne concordent pas, suggérant parfois que la plante respire d'une manière qui défie les lois fondamentales de la biologie. Pour résoudre cela, une équipe de chercheurs de l'université du Chili, d'Espagne et des îles Baléares s'est donné pour mission de construire une méthode plus simple et plus précise pour observer la respiration des plantes.

Les chercheurs ont construit un dispositif compact et portable qui s'insère dans une petite chambre métallique étanche. À l'intérieur de cette chambre, ils ont placé un minuscule disque foliaire et l'ont scellé. Le système utilise deux capteurs spécialisés travaillant côte à côte : l'un pour suivre les niveaux croissants de dioxyde de carbone et l'autre pour surveiller la baisse des niveaux d'oxygène. Comme les deux capteurs surveillent la même feuille au même instant précis à l'intérieur du même espace clos, ils capturent un instantané parfait et simultané de la respiration de la plante. Cette nouvelle installation est peu coûteuse et portable, permettant aux scientifiques de passer de l'environnement contrôlé d'une chambre de culture à l'étude de véritables cultures et de plantes sauvages dans des conditions naturelles sur le terrain.

L'équipe a testé ce nouveau système sur trois types de plantes différents : le quinoa, le sorgho et le blé, en les faisant pousser dans un cadre de laboratoire contrôlé. Ils ont également emporté le dispositif dans un vignoble en Espagne pour étudier des vignes sous des conditions d'arrosage normal et de sécheresse. Dans chaque cas, ils ont comparé les nouvelles mesures simultanées par rapport à la méthode traditionnelle, qui utilisait une machine à air libre standard pour mesurer le dioxyde de carbone et le nouveau capteur pour mesurer l'oxygène séparément. Les résultats étaient frappants. La méthode traditionnelle montrait systématiquement que les feuilles libéraient beaucoup plus de dioxyde de carbone que ce que le nouveau système détectait. En fait, l'ancienne méthode suggérait souvent que les plantes libéraient tellement de dioxyde de carbone que le rapport des gaz était supérieur à un, impliquant que les plantes brûlaient des carburants hautement oxydés comme des acides organiques.

Cependant, les mesures simultanées racontaient une autre histoire. Lorsque le dioxyde de carbone et l'oxygène étaient mesurés ensemble dans la chambre scellée, le rapport des gaz était presque toujours proche ou légèrement inférieur à un. Cela correspond beaucoup mieux à ce que les scientifiques attendent lorsque les plantes brûlent des sucres standards et d'autres carburants courants. Les chercheurs ont réalisé que la divergence n'était pas un mystère de la biologie végétale, mais un défaut de la technique de mesure. Les machines traditionnelles à air libre possèdent un joint, ou joint d'étanchéité, qui presse contre la feuille pour la maintenir en place. L'équipe a découvert que le tissu foliaire piégé sous ce joint continue de respirer, mais que le dioxyde de carbone qu'il produit fuit latéralement sous le joint et est aspiré par le capteur de la machine. Ce gaz supplémentaire et indésirable faisait croire à la machine que la feuille respirait beaucoup plus intensément qu'elle ne le faisait réellement.

Pour le prouver, les chercheurs ont appliqué une correction mathématique à leurs anciennes données, tenant compte du gaz supplémentaire provenant de la zone située sous le joint. Une fois cela fait, les chiffres de la machine traditionnelle correspondaient enfin aux chiffres du nouveau système simultané. Les deux méthodes, qui semblaient raconter des histoires différentes, décrivaient en réalité la même réalité, à condition que l'erreur de mesure soit corrigée. Le nouveau système portable, en enfermant l'intégralité du disque foliaire et en mesurant les deux gaz simultanément, évite naturellement ce problème de fuite.

Cette découverte change la façon dont les scientifiques peuvent étudier la respiration des plantes. Elle montre que de nombreuses études antérieures pourraient avoir surestimé la quantité de dioxyde de carbone rejetée par les plantes, menant à des conclusions erronées sur les carburants qu'elles utilisent. Le nouveau dispositif offre un moyen robuste et accessible d'obtenir la bonne réponse, révélant que les plantes maintiennent souvent un équilibre respiratoire plus proche de l'unité que ce qui était précédemment pensé. En éliminant le bruit technique des joints fuyants et des mesures discordantes, cet outil portable et simple permet aux chercheurs de percevoir le véritable état métabolique des plantes, qu'elles poussent en laboratoire ou qu'elles luttent contre la sécheresse dans un vignoble. Il s'avère que pour comprendre comment une plante respire, il suffit de l'écouter sans laisser l'air extérieur interférer.