La NASA a cultivé des graines de maïs dans l'espace à bord d'Atlantis en 1989 et a constaté que les plants poussaient en bonne santé, mais qu'environ la moitié perdaient l'orientation de leurs racines et de leurs pousses.

En octobre 1989, l'astronaute Shannon Lucid a placé deux boîtes en aluminium contenant des plants ayant germé dans l'obscurité sur le pont intermédiaire de la navette Atlantis dans un congélateur à azote à −195°C. Cela faisait partie d'un essai financé par la NASA visant à voir comment le maïs pousse dans l'espace lorsque la gravité disparaît presque.

Les plants pesaient pratiquement le même poids que ceux cultivés dans le sol, contenaient presque les mêmes hormones et leurs tissus semblaient normaux. Ce qui a changé, c'est la direction, car de nombreuses racines et pousses sont devenues tordues et sans leur orientation habituelle.

L'ouvrage a été rédigé par Aga Schulze, Philip J. Jensen, Mark Desrosiers, J. George Buta et Robert S. Bandurski, du Département de botanique et de phytopathologie de la Michigan State University, et a été publié en 1992 dans la revue Plant Physiology.

Cinq jours dans le noir dans un placard d'Atlantis

Atlantis a décollé le 18 octobre 1989 pour la mission STS-34. Les graines étaient du maïs sucré de la variété Silver Queen, de la maison de semences W. Atlee Burpee.

Chaque grain était enveloppé dans du papier filtre à l’intérieur d’un tube en téflon et chaque boîte en aluminium comportait deux compartiments contenant chacun 13 grains.

Dix-sept heures avant le décollage, l'équipe a versé 108 millilitres d'eau stérile dans chaque compartiment. Les quatre bateaux voyagaient dans un coffre à mi-pont, enveloppé de mousse.

Lucid en a gelé deux en vol, 108 heures après le lancement, alors que les plantes poussaient depuis 125 heures. Les deux autres ont été congelés dans l’azote liquide après leur atterrissage à la base aérienne d’Edwards, en Californie, après 137 heures de croissance.

Pendant ce temps, quatre autres conteneurs poussaient à 25°C au Kennedy Space Center, et des mois plus tard, un incubateur du Michigan répétait les températures enregistrées pendant le vol.

Des plantes saines qui ne savaient pas où pousser

L’équipe a pesé les pousses, les racines et les grains frais et secs. Il a également mesuré deux hormones végétales, l'auxine, qui régule la vitesse de croissance, et l'acide abscissique, choisi pour sa possible relation avec la réponse à la gravité.

Une pousse cultivée sur terre pesait en moyenne 0,351 gramme frais, et une pousse cultivée en orbite pesait 0,390. Aucune différence de poids n’était statistiquement significative.

En ce qui concerne les hormones, il n'y avait que deux exceptions. Les racines spatiales contenaient moins d'auxine libre, 17,7 picomoles par plante contre 26,4 dans le sol, et les grains présentaient une différence en acide abscissique libre.

« Les tissus des plantes cultivées sur la navette semblaient normaux et les plants ne différaient que par le manque d'orientation des racines et des pousses », écrivent les auteurs.

Selon la légende de l'une des photos de l'article, environ la moitié des plants présents dans l'espace sont sortis désorientés, souvent avec une courbure ou avec la racine et la pousse poussant en parallèle. Ceux sur terre poussaient généralement droits et alignés avec la gravité.

La gravité agit comme une boussole pour les racines

Sur Terre, les racines poussent vers le bas et les pousses vers le haut grâce au gravitropisme, qui est la capacité de la plante à ressentir la gravité et à corriger sa direction.

Dans un vaisseau en orbite, la gravité continue d’agir, mais le vaisseau et tout ce qu’il contient sont en chute libre. La NASA appelle cet état la microgravité, dans lequel les objets semblent flotter. Sur l'Atlantide, l'accélération ressentie par les graines était d'environ trois cent millièmes de la gravité terrestre.

« Le principal problème de la culture de plantes dans l'espace pourrait être de fournir un vecteur de substitution pour guider la croissance des racines », ont écrit les auteurs, qui proposent de rechercher « des moyens potentiels physiques et/ou électriques » pour les guider. Ils ont trouvé cela plus facile avec les pousses, car la lumière leur donnerait une bonne orientation.

La lumière sert de guide lorsque la gravité fait défaut

Des expériences ultérieures avec Arabidopsis thaliana, une petite plante largement utilisée en laboratoire, ont montré que les racines trouvent d'autres indices.

« L'une des premières choses que nous avons découvertes est que certains types de stratégies de croissance des racines utilisées par les plantes sur Terre, qui ont toujours été considérées comme nécessitant la gravité comme guide, n'en ont en réalité pas du tout besoin », a expliqué Anna-Lisa Paul, professeure de recherche au Département des sciences horticoles de l'Université de Floride, dans une note de l'UF/IFAS en 2015.

« Cela nous a également donné une idée de la façon dont les racines peuvent utiliser la lumière comme outil pour guider leur croissance en l'absence de gravité, comme indication de la direction dans laquelle elles s'éloignent des feuilles », a ajouté Paul.

Son collègue Robert Ferl, directeur du Centre interdisciplinaire de recherche en biotechnologie de l'université, a résumé une autre découverte du groupe : « chaque partie de la plante avait sa propre stratégie métabolique pour s'adapter à un environnement sans gravité ».

En août 2024, Mingqi Zhou, Ferl et Paul ont publié dans npj Microgravity les résultats de CARA, une expérience avec des plantes cultivées pendant 11 jours sur la station spatiale, certaines à la lumière et d'autres dans l'obscurité.

Dans les feuilles de la variété Col-0, le vol a modifié dix fois plus de gènes chez les plantes claires que chez les plantes sombres. Les auteurs parlent d'« une interaction complexe entre la lumière en tant que signal et les gènes de signalisation lumineuse » dans l'adaptation au vol.

La laitue végétarienne pousse avec des graines bien orientées

Veggie, le potager de la station spatiale, a la taille d'une valise cabine et abrite généralement six plantes, chacune sur un « oreiller » d'argile et d'engrais sous des lumières LED.

« Les mèches sont là où nous plantons les graines », a déclaré Gioia Massa, du Kennedy Space Center et chef de l'équipe scientifique Veggie, en 2014 dans un texte de la NASA collecté par EarthSky. «Il faut faire très attention à orienter les graines pour que les racines poussent « vers le bas », vers le substrat, et que les pousses sortent du sac ».

Cette année-là, le commandant de l'Expédition 40, Steve Swanson, a récolté un lot de laitue romaine rouge Veggie sur la station, qu'il a ramené sur Terre pour voir si elle était sans danger.

Avec l'expérience XROOTS, la NASA teste également la culture en orbite sans sol ni substrat, avec la culture hydroponique et aéroponique, la même technique de culture aéroponique qui est testée en agriculture verticale sur Terre.

Ce que l'expérience sur le maïs ne peut pas prouver

Les auteurs eux-mêmes ont marqué la limite. « Cette conclusion, basée sur un vol de 5 jours, ne peut être extrapolée à 5 semaines, 5 mois ou 5 ans », écrivent-ils.

Les plantes ont été cultivées dans l'obscurité, le test ne dit donc rien sur leur comportement dans des chambres éclairées comme Veggie. De plus, chaque échantillon ne contenait que 13 plantes, et les auteurs attribuent les grandes marges d’erreur dans les mesures de l’auxine à cette taille.

Le papier filtre aurait également pu jouer un rôle, car il maintenait les racines et les pousses en place. « Avec le recul, il aurait été possible de faire pousser des plantes sans emballage en papier », ont-ils reconnu, notant que sans le frottement du papier, la paroi cellulaire et le cytosquelette auraient pu se développer anormalement.

Certains rapports récents parlent de racines emmêlées, même si l'article de 1992 ne décrit qu'environ la moitié des plants désorientés.

Le prochain jardin se prépare pour la Lune

La NASA, l'Agence spatiale canadienne et le Centre aérospatial allemand ont signé une déclaration d'intention commune, annoncée le 30 septembre 2026, pour préparer un démonstrateur d'agriculture lunaire sur Terre, le démonstrateur d'essai au sol du module d'agriculture lunaire.

L'objectif est de tester les cultures dans des environnements similaires à ceux de Moon Base, l'infrastructure que la NASA et ses partenaires prévoient près du pôle sud de la Lune. C’est un pas de plus vers la présence de plantes sur la Lune qui fourniront de la nourriture et de l’oxygène à une future base.

Selon la note de la NASA, les cultures fourniraient nutrition et variété aux équipages, et pourraient également absorber le dioxyde de carbone, produire de l'oxygène et recycler l'eau. L’agence a également soutenu des études visant à clôturer ce cycle, comme celle qui cherche à convertir les eaux usées en engrais spatial.

L’étude complète a été publiée dans Plant Physiology.

L'équipage du STS-34 était composé du commandant Donald E. Williams, du pilote Michael J. McCulley et des spécialistes de mission Shannon W. Lucid, Franklin R. Chang-Díaz et Ellen S. Baker, que les auteurs ont remerciés pour avoir rendu le vol possible.

Image : NASA (Johnson Space Center) / Archives nationales