Nouvelles recherches sur la biomécanique de la dispersion explosive des graines chez les concombres gicleurs (Ecballium elaterium) révèle comment ces plantes ont développé une série de caractéristiques uniques qui contribuent à propulser leurs graines à grande vitesse sur de vastes étendues. La recherche a été présentée par Helen Gorges lors de la conférence annuelle de la Society for Experimental Biology à Anvers.

La dispersion des graines prend de nombreuses formes, et on en sait beaucoup sur la dispersion assistée par les animaux, le vent et l'eau, mais on en sait moins sur les mécanismes de dispersion autopropulsés des plantes. L'un d'eux est la dispersion balistique du concombre-gicleur, qui utilise des explosions à haute pression pour éjecter ses graines à grande vitesse sur de longues distances.

Le chercheur principal, Gorges d'Hélène, est un doctorant spécialisé en morphologie fonctionnelle et biomécanique à l'Université de Kiel. Elle utilise des technologies d'imagerie de pointe, comme la vidéographie à haute vitesse et la micro-tomodensitométrie, pour comprendre les mouvements rapides des plantes.

Ce spectacle botanique impressionnant est l'un des exemples les plus spectaculaires de dispersion balistique des graines dans la nature, une stratégie qui a évolué indépendamment dans au moins 23 familles de plantes malgré sa rareté dans le règne végétal.

« De nombreux facteurs doivent interagir parfaitement pour disperser les graines de la manière la plus efficace, sans pour autant détruire toute la plante trop tôt », explique Gorges.

Pour réduire la concurrence directe pour l'espace et les ressources entre les plantes mères et leurs descendants, les plantes ont développé une tendance évolutive à disperser leurs graines le plus loin possible. Les recherches menées par Mme Gorges visaient à explorer les mécanismes qui contrôlent la maturation du fruit du concombre et à maximiser ses chances de dispersion réussie.

Mme Gorges et son équipe ont utilisé la microtomographie à rayons X pour créer un modèle 3D du fruit entier, ainsi que l'imagerie micro-CT et la vidéographie à haute vitesse pour capturer l'explosion du fruit avec une grande précision. « Nous avons enregistré l'explosion du fruit en vidéo à 1 000 et 10 000 images par seconde afin de calculer la vitesse des graines et les distances de projection possibles », explique Mme Gorges. « Nous avons également analysé des images prises pendant la maturation des fruits pour mesurer la courbure du pédoncule et l'angle entre le fruit et le pédoncule. »

Des recherches récentes menées par d'autres botanistes ont révélé une forte interaction entre le fruit et la tige, avant l'explosion. Curieusement, malgré la nécessité d'exercer une pression pour expulser les graines, Box et ses collègues ont constaté qu'il y a un mouvement de fluide du fruit vers la tigeCela a pour effet de modifier la position du fruit pour améliorer l’angle de tir.

Gorges et ses collègues ont également constaté que la tige du fruit se redresse pendant la maturation. Ils ont observé qu'elle forme un angle moyen de 53°, proche de l'angle théorique idéal de 50° qui maximiserait la distance de prise de vue.

L'équipe a découvert que les graines peuvent atteindre des vitesses allant jusqu'à 29 km/h et une portée de projection de 12 mètres. « C'est fascinant d'observer les explosions grâce à des enregistrements à haute vitesse, car elles sont beaucoup trop rapides pour être vues en temps réel ! » explique Mme Gorges.

De plus, l'équipe a découvert que les graines sortent toujours du fruit dans le même sens et produisent une couche mucilagineuse lorsqu'elles sont mouillées, ce qui devient un adhésif lorsqu'il sèche et améliore les conditions de germination.

L'une des énigmes des botanistes réside dans le fait que, malgré son efficacité, la dispersion balistique reste rare chez les plantes. Les travaux de Gorges et de ses collègues pourraient contribuer à expliquer ce phénomène en permettant aux scientifiques de mieux comprendre l'effort nécessaire au développement d'organes spécialisés pour la dispersion, ainsi que les contraintes liées à la taille et à la forme des graines.

Ces recherches ne permettront pas de développer un concombre plus puissant et mortel. En revanche, les résultats obtenus offrent des applications potentielles pour les systèmes de lancement bio-inspirés, tels que les actionneurs à base d'hydrogel pour les outils médicaux et les microrobots. « Il existe également de nombreuses applications en robotique souple, dans les systèmes d'administration de médicaments et autres dispositifs similaires, où des systèmes de lancement économes en énergie sont recherchés », explique Mme Gorges.

Image de couverture : Gros plan d'un concombre qui gicle, Ecballium elaterium. Image: Mohamed Haddad / Canva.