À une époque où le changement climatique rend de nombreuses régions de la planète plus chaudes et plus sèches, il est décourageant de penser que les déserts sont des biomes relativement nouveaux qui se sont considérablement développés au cours des 30 derniers millions d'années. Des régions arides étendues, comme les déserts qui couvrent aujourd'hui une grande partie de l'ouest de l'Amérique du Nord, n'ont commencé à émerger qu'au cours des 5 à 7 derniers millions d'années.
Comprendre comment les plantes qui ont envahi ces biomes désertiques difficiles ont pu survivre pourrait aider à prédire comment les écosystèmes se comporteront dans un avenir plus sec.
Une étude intensive d'un groupe de plantes qui ont d'abord envahi les les déserts il y a des millions d'années conclut que ces pionnières - les marguerites des rochers - n'étaient pas déséquipées pour faire face à la chaleur, au soleil brûlant et au manque d'eau. Ils avaient développé des adaptations à ces contraintes tout en vivant sur des affleurements rocheux secs et exposés dans des zones plus anciennes et plus humides et même forêts tropicales, ce qui leur a permis d'envahir plus facilement des zones arides en expansion.
Isaac Lichter-Marck, chercheur à l'Université de Californie à Berkeley, et Bruce Baldwin, professeur de biologie intégrative à l'UC Berkeley, conservateur de l'herbier Jepson et rédacteur en chef de "The Jepson Desert Manual: Vascular Plants of Southeastern California" (2002), ont publié leur étude sur l'évolution des marguerites de roche dans les déserts nord-américains cette semaine dans le journal Actes de l'Académie nationale des sciences.
L'étude est la première à fournir des preuves pour résoudre un débat évolutif de longue date : plantes du désert, comme les majestueux cactus saguaro, les ocotillos flamboyants et les agaves seussiens s'adaptent à conditions arides seulement après avoir envahi les déserts, ou sont-ils venus pré-adaptés au stress de la vie dans le désert ?
La question est pertinente aujourd'hui, a déclaré Lichter-Marck, car l'accélération de l'aridité due au changement climatique oblige les plantes à s'adapter beaucoup plus rapidement qu'elles ne l'ont fait par le passé. Déjà, environ un cinquième de la surface terrestre de la Terre est désertique. Si l'adaptation aux conditions arides n'était possible que pour les plantes qui avaient déjà évolué pour faire face à de tels stress, alors beaucoup aujourd'hui pourraient ne pas être équipées d'une trousse d'outils génétiques adéquate pour survivre.
"Si vous considérez l'aridité uniquement comme un stimulant de l'évolution des plantes, alors dans de nombreux cas, les gens pourraient dire que ces plantes sont des survivantes, qu'elles sont adaptables et qu'elles iront bien. Ils profiteront de ces nouvelles conditions et ils prospéreront », a déclaré Lichter-Marck, qui est également chercheur postdoctoral de la National Science Foundation à l'UCLA.
Mais l'histoire des marguerites rocheuses suggère que "lorsque les déserts ont émergé, les plantes qui avaient les pré-adaptations nécessaires pour tirer parti des nouvelles conditions étaient celles qui ont prospéré", a-t-il déclaré. « Ajouter plus d'aridification au système ne signifie pas nécessairement qu'une évolution adaptative plus rapide se produira. Il existe une source limitée de lignées qui peuvent tirer parti de nouveaux niveaux d'aridité, et c'est important pour comprendre l'effet du changement climatique sur la biodiversité.
Sept ans à errer dans le désert
Les botanistes se sont rendus compte depuis longtemps que lorsque les plantes envahissaient les zones désertiques, elles se diversifiaient rapidement pour combler les nombreuses niches créées par ce nouveau type d'habitat.
"Même il y a 1 à 1.5 million d'années, il aurait été difficile de trouver des habitats désertiques répandus comme nous le voyons aujourd'hui en Amérique du Nord, ce qui est assez surprenant car les déserts et les habitats arides sont désormais le biome le plus répandu sur terre, », a déclaré Lichter-Marck. "Mais à la fin du Miocène, les habitats secs se sont répandus et les lignées mondiales de plantes du désert, en particulier les lignées succulentes comme les cactus, les agaves et les plantes de glace - ainsi que de nombreuses autres lignées tolérantes à la sécheresse - ont subi une diversification rapide synchrone. ”
Les paléontologues ont cependant souligné que les plantes fossilisées qui prospéraient des dizaines de millions d'années avant la prolifération des déserts avaient des caractéristiques similaires à celles des plantes désertiques d'aujourd'hui. Certains scientifiques, comme le regretté paléoécologue Daniel Axelrod de l'UCLA et de l'UC Davis, ont fait valoir que cela signifiait que les plantes qui prospéraient dans le désert aujourd'hui avaient évolué plus tôt et étaient pré-adaptées - ou exaptées - pour survivre aux conditions du désert en poussant dans des microsites secs, tels que affleurements rocheux, ombres de pluie ou sommets de montagne. D'autres, comme Ledyard Stebbins de l'UC Berkeley, un biologiste de l'évolution qui a aidé à fonder le département de génétique de l'UC Davis, ont fait valoir que l'aridité elle-même incitait les plantes à se diversifier et à développer des traits pour résister à la sécheresse, à la chaleur, à la lumière intense du soleil et aux vents violents.
Malgré les similitudes entre les affleurements rocheux et les déserts, il a été difficile de prouver que les plantes du désert descendent de plantes déjà adaptées aux contraintes de l'aridité, en partie parce que les fossiles se forment rarement dans les habitats secs et ne peuvent pas nous en dire beaucoup sur l'habitat dans lequel ces anciens les plantes poussaient.
Pour Lichter-Marck et Baldwin, les marguerites de roche, qui sont classées dans la tribu Perityleae de la famille des tournesols, semblaient être un bon groupe pour explorer la connexion. Certaines espèces vivent sur des roches sèches et exposées dans les régions tropicales du Mexique - ce qui pourrait être considéré comme des « micro-déserts » - tandis que d'autres se sont pleinement adaptées aux zones désertiques, comme le Mojave en Californie et les déserts du Grand Bassin, de Chihuahuan et de Sonoran qui couvrent la majeure partie de l'ouest de l'Amérique du Nord.
"Les plantes qui vivent sur des affleurements rocheux sont confrontées aux mêmes défis que celles qui vivent dans un habitat sec et désertique", a déclaré Lichter-Marck. « Les affleurements rocheux ont tendance à être exposés aux rayons UV, au vent et à des conditions sèches et desséchantes, ainsi qu'à la chaleur et au gel. Ils ont également tendance à être plus exposés aux herbivores.
"Les façons dont les plantes les traitent sont diverses, mais elles impliquent généralement une sorte de morphologie racinaire spécialisée qui les aide à s'ancrer dans les affleurements rocheux, ainsi qu'à faire face aux conditions arides accrues. Et ils ont tendance à avoir des feuilles plus petites ou des feuilles avec une couverture dense de poils qui les aident à se protéger contre la sécheresse et à bloquer la lumière du soleil, y compris la lumière UV. Ils ont également tendance à avoir des défenses chimiques renforcées contre les herbivores, car il faut beaucoup d'énergie pour se régénérer après avoir été grignotés.
Pour son doctorat. thèse au Département de biologie intégrative et à l'herbier Jepson, Lichter-Marck, originaire du sud de la Californie, a parcouru les déserts de l'Arizona, de la Californie, du Texas et du Mexique pendant des mois d'affilée dans une camionnette, accompagné de son talonneur bleu, Rio , pour collecter des centaines de spécimens de tribunes rocheuses. Certaines marguerites de roche sont parmi les floraisons les plus spectaculaires du printemps, tapissant le désert de fleurs colorées. Beaucoup, cependant, sont limités à de petites régions géographiques où ils ne poussent que sur des parois rocheuses verticales ou des chaînes de montagnes d'îles célestes, ce qui les rend dangereux à collecter. Lichter-Marck est un alpiniste expérimenté, une compétence importante pour travail sur le terrain en terrain accidenté.
Plus tard, il a séquencé l'ADN de ces spécimens - 73 des 84 espèces reconnues de marguerite des rochers - et a catalogué leur cycle biologique, comme l'endroit où ils ont poussé, le type de système racinaire qu'ils avaient et s'ils étaient annuels ou vivaces, une herbe ou un arbuste. Il les a ensuite comparées à des marguerites fossilisées pour développer une chronologie approximative de l'évolution de ces caractéristiques et du passage éventuel de la lignée dans les déserts.
Cela lui a permis de conclure que la plupart des marguerites de roche - en particulier le genre Laphamia, qui a été le premier à se déplacer dans les déserts et est le plus grand genre de marguerite de roche - s'étaient adaptées au stress de la chaleur, de l'aridité, du vent et du soleil en vertu de leur croissance sur les falaises avant d'envahir les déserts.
"Il s'agit d'une démonstration empirique claire de ce qui était à l'origine l'hypothèse d'Axelrod - d'un groupe de plantes désertiques originaires de microclimats secs avant l'émergence généralisée d'habitats désertiques", a déclaré Lichter-Marck. «Cela signifie que les stratégies de tolérance à la sécheresse qui sont si caractéristiques de la végétation désertique pourraient ne pas réellement représenter des réponses aux conditions sèches rencontrées dans les déserts. Au lieu de cela, il pourrait s'agir de traits qui ont évolué plus tôt en association avec des microclimats secs beaucoup plus anciens et plus stables, tels que des affleurements rocheux en milieu tropical.
La préadaptation peut être la clé du succès de nombreuses plantes du désert, y compris les cactus, qui sont connus pour habiter les affleurements rocheux ou pousser comme épiphytes dans les cimes des arbres dans les zones tropicales, bien que ces grandes lignées nécessitent une analyse beaucoup plus approfondie, a-t-il déclaré. .
Les marguerites de roche, dont beaucoup vivent dans des habitats spécialisés qui les rendent vulnérables à l'extinction, soulignent l'importance de conserver des espèces apparemment niches.
"Beaucoup de marguerites de roche sont très spécialisées et ont tendance à être très étroites dans leur distribution et peuvent être considérées comme moins importantes pour la survie de l'écosystème dans son ensemble. En biologie évolutive et en biologie de la conservation, les organismes spécialisés avec des aires géographiques étroites sont souvent considérés comme des lignées vulnérables et ont parfois même été appelés des impasses évolutives », a-t-il déclaré. "Une implication importante ici est qu'un groupe de spécialistes écologiques poussant sur des falaises dispersées dans des habitats tropicaux a commencé ce rayonnement majeur dans le désert. Ainsi, cela montre en fait que les spécialistes ne sont pas seulement ces lignées vulnérables au bord de l'extinction. Ils pourraient en fait être des sources très importantes d'innovation dans l'évolution.
Lichter-Marck prolonge actuellement son étude de plantes qui poussent sur des affleurements rocheux jusqu'à Hawai'i, où de nombreuses espèces endémiques rares ne vivent que sur les flancs de montagnes escarpées. Au lieu d'escalader des falaises précaires pour atteindre des spécimens rares, cependant, il espère utiliser des drones.