Agave détient-il le secret de l'agriculture résistante à la sécheresse?

La plante utilisée pour fabriquer la tequila utilise également moins d'eau pendant la photosynthèse

L’agave est peut-être le plus souvent associé à la tequila, mais cette plante a un usage moins familier: elle enseigne aux scientifiques comment fabriquer des plantes plus résistantes à la sécheresse.

La succulente rustique, ainsi que des espèces telles que le figuier de Barbarie (un cactus comestible), l’ananas et l’orchidée vanille, a évolué au cours de millions d’années pour réaliser un type de photosynthèse différent qui permet aux plantes de survivre dans des environnements semi-arides où l’eau n’est pas toujours facile. disponible.

Ce processus s'appelle le métabolisme de l'acide crassulacé, ou CAM, et un petit groupe de scientifiques l'étudie depuis plusieurs décennies parce que les plantes qui l'utilisent utilisent moins d'eau. Cependant, ce n’est que depuis quelques années que de plus en plus de chercheurs tentent d’identifier et de transférer pleinement cette voie de la photosynthèse vers d’autres espèces végétales.

Recréer toute une voie métabolique dans une plante est loin d'être une tâche simple. Une fois que les scientifiques ont découvert tous les gènes associés à sa fonction fondamentale et à sa régulation, ils doivent trouver un moyen d'ajouter ce matériel génétique à la plante cible ou de faire en sorte que les gènes et les protéines de la plante fonctionnent comme ils le souhaitent. eux à. Au total, cela pourrait impliquer environ une centaine de gènes, ont indiqué les chercheurs, sans toutefois connaître le nombre exact.

Xiaohan Yang, chercheur à la division Biosciences du laboratoire national Oak Ridge, est l’un des chercheurs qui s’efforce de déterminer comment faire en sorte que la FAO fonctionne dans d’autres types d’usines. Il a ajouté que l'intérêt pour la CAM avait augmenté rapidement ces dernières années seulement, les préoccupations relatives aux effets du changement climatique sur la sécheresse s'étant accrues et les fonds supplémentaires octroyés par le gouvernement fédéral.

Qu'est-ce qui rend la photosynthèse des agaves et des cactus si différents? Contrairement à la plupart des plantes qui absorbent le dioxyde de carbone par les stomates dans leurs feuilles pendant la journée (plantes C3 et C4), les plantes CAM absorbent la majeure partie de leur CO2 la nuit. Ce décalage temporel signifie que moins de feuilles s'évaporent des feuilles par la transpiration. En fait, les usines de FAO utilisent entre un cinquième et un tiers de l’eau dont ont besoin les usines de C3 et de C4.

Cependant, les usines de FAO ont également besoin d'un moyen de stocker le carbone du jour au lendemain car, tout comme les autres usines, elles ne peuvent pas l'utiliser pour constituer des réserves d'énergie telles que les sucres et les féculents sans soleil. Pour ce faire, ils fixent temporairement le carbone dans un pool transitoire principalement constitué d’acide malique. Lorsque le soleil se lève, les plantes décomposent les acides organiques en libérant du CO2. À ce stade, la plante est capable de réaliser la photosynthèse comme une plante C3, sauf que les stomates ne doivent pas rester ouverts car le carbone est déjà disponible dans la feuille.

Le défi pour des chercheurs comme Yang est de trouver un moyen de faire en sorte que d'autres plantes créent ce stockage de carbone nocturne. Depuis que les génomes de différentes plantes CAM ont été séquencés au cours des deux dernières années, les chercheurs commencent à mieux comprendre le fonctionnement de cette voie.

«Nous avons une très bonne idée de quels gènes sont importants pour les espèces CAM», a déclaré Yang. "En ce moment, nous travaillons sur la manière dont ces gènes se combinent, puis nous testons leur efficacité."

Des plantes plus dures pour un problème alimentaire mondial difficile
Si elles réussissent et si les usines de FAO sont suffisamment productives, la recherche pourrait potentiellement avoir un impact significatif sur la sécurité alimentaire mondiale. Alors que les changements climatiques causés par l'homme entraînent des températures plus élevées au cours du siècle, le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC) prédit que les sécheresses deviendront probablement plus longues et plus graves. Dans le même temps, la population mondiale devrait dépasser les 9 milliards d'habitants, ce qui exercera une pression supplémentaire sur les ressources en eau disponibles. Dans ces conditions, il est de plus en plus important de disposer de plus de plantes pouvant produire des aliments pour les humains et les animaux, ainsi que des fibres et des combustibles contenant moins d’eau, selon les chercheurs.

Le gouvernement fédéral est intéressé par ses applications aux biocarburants. Yang fait partie d'un projet de recherche quinquennal financé par le ministère de l'Énergie, qui se concentre sur l'ingénierie de la voie de la photosynthèse CAM dans les cultures de bioénergie. Son laboratoire s'intéresse plus particulièrement au peuplier, un arbre à croissance rapide utilisé pour sa biomasse ligneuse. La subvention de 14,3 millions de dollars est répartie entre cinq institutions aux États-Unis et au Royaume-Uni et 6,3 millions de dollars vont au Laboratoire national Oak Ridge; l'Université du Tennessee, Knoxville; et l'Université de Newcastle. Une autre sous-équipe comprenant l'Université du Nevada, l'Université Reno et l'Université de Liverpool a reçu un financement de 7,6 millions de dollars.

La semaine dernière, 51 chercheurs de neuf pays différents ont co-écrit un article publié dans la revue Nouveau phytologueLa première section Points de vue décrit brièvement ce qui doit être fait sur le terrain pour faire avancer la recherche et l’ingénierie CAM. Yang était l'auteur principal de l'article. Il a précisé que l'article sur la «feuille de route» s'adressait non seulement aux scientifiques étudiant en CAM, mais également à un public plus vaste, qui devait les initier à la recherche. Les auteurs ont également discuté de la manière dont les usines de FAO existantes pourraient être développées en grandes cultures.

La recherche sur les plantes CAM fait partie d'un effort international plus vaste visant à identifier et éventuellement à créer des caractères génétiques qui permettraient aux plantes de mieux résister à la sécheresse. Dans une étude publiée dans la revue Cellule de plante le mois dernier, des chercheurs de l'Université nationale de Séoul en Corée du Sud ont découvert un facteur de transcription important (NAC016) dans l'usine modèle Arabidopsis thalianaqui favorise la réponse au stress de la sécheresse. Selon l’auteur principal de l’étude, Nam-Chon Paek, les résultats pourraient fournir des indications sur la manière de développer des plantes tolérantes à la sécheresse par la sélection ou la biotechnologie.

Plus tôt cette semaine, des chercheurs de la Kansas State University ont publié une étude montrant que l'identification de signatures génomiques spécifiques associées à l'adaptation pouvait prédire comment différentes variétés de sorgho réagiraient à des stress environnementaux tels que la sécheresse.

«C’est une approche qui nous permet d’examiner les variétés d’une banque de gènes de cultures et de dire:« Hé, il y a quelque chose d’utile dans cette variété », a déclaré Geoffrey Morris, professeur assistant en agronomie à la KSU et auteur principal de l’étude .

L’étude ne relie pas la génétique des plantes à des traits spécifiques; La méthode repose plutôt sur une association entre la localisation géographique et certains marqueurs génomiques, a-t-il déclaré.

«Nous examinons l’utilisation à court terme. La plupart des laboratoires de génétique des cultures peuvent en tirer parti », a déclaré Morris, ajoutant que la recherche en ingénierie CAM était beaucoup plus spécialisée et pouvait prendre de nombreuses années.

Bien que les chercheurs en FAO ne puissent dire avec certitude combien de temps il leur faudra pour mettre au point une filière de FAO dans une centrale C3 ou C4, M. Yang a expliqué que, du moins sur le plan conceptuel, leur approche était la meilleure.

L'évolution a joué son rôle
«L’évolution nous a déjà apporté la réponse: la FAO a évolué pour devenir la solution la plus efficace en matière d’eau», a-t-il déclaré.

Contrairement aux autres plantes qui développent des systèmes racinaires plus profonds ou meurent pendant les périodes sèches, les espèces CAM ont un moyen de conserver l'eau "comme un chameau", a-t-il déclaré.

Yang et ses collègues n’essayent pas de fabriquer un C3 capable de réparer le carbone comme une usine de FAO. Au lieu de cela, ils prévoient de créer un hybride C3 qui pourra passer à un métabolisme plus économe en eau s’il est exposé à des conditions de sécheresse ou de salinité élevée. Ou, comme le mentionne John Cushman, co-auteur du rapport, ils veulent créer une usine qui aurait «CAM sur demande».

Les chercheurs se concentrent sur la création d'un hybride avec des plantes C3 parce que les plantes CAM en ont été développées il y a entre 10 et 30 millions d'années, selon Cushman, professeur au département de biochimie et de biologie moléculaire de l'Université du Nevada à Reno. et une partie du projet de recherche quinquennal. Avant que cela ne se produise, il reste encore beaucoup de recherche à faire, a-t-il déclaré.

«Les sentiers sont très complexes. vous ne voulez pas réorganiser quelque chose avant que nous ayons une bonne idée du plan directeur », a-t-il déclaré. "La façon dont ces voies ont évolué, un ensemble concerté de gènes est impliqué ... nous ne pensons pas que quelques changements sur les bords seront suffisants."

Jusqu'ici, le nombre de gènes impliqués dans la MCA n'est pas clair.Bien que l'ajout d'une nouvelle voie métabolique aux espèces végétales sera un processus compliqué, les plantes CAM partagent un grand nombre de composants moléculaires et de gènes avec les plantes C3 et C4, ce qui pourrait aider à faciliter le processus, a déclaré Yang.

Une des raisons de l’optimisme est que ces plantes doublement capables existent déjà dans la nature. Clusia pratensis est ce qu'on appelle un CAM facultatif. Avec des précipitations normales, la plante panaméenne absorbera du CO2 pendant la journée car elle agit comme une plante C3, mais pendant les périodes sèches, elle commence à absorber du CO2 la nuit.

«C’est l’exemple parfait dans la nature selon lequel [C3 et CAM] peuvent coexister dans une seule usine», a déclaré Yang. "Cette espèce est une sorte de magie."

Clusia pratensis n’est pas la seule usine CAM facultative. Études de Cushman Mesembryanthemum crystallinum, également connu sous le nom de l'usine de glace commune. La recherche a permis de montrer quels gènes sont recrutés dans les CAM, bien que l'approche puisse ne pas être uniforme d'une espèce à l'autre.

Idéalement, la meilleure centrale C3 à utiliser en ingénierie FAO serait celle qui possède déjà un génome entièrement séquencé, qui peut être facilement transformée, qui aurait un impact important sur la production alimentaire ou de biocarburants, et qui ne peut actuellement pas prospérer dans les zones arides.

Au cours des deux années restantes de la subvention du DOE, les chercheurs s’emploieront à transférer la CAM dans l’usine modèle. Arabidopsis thaliana et le peuplier.

"Nous allons commencer petit à travailler avec le métabolisme de base, puis nous allons travailler vers l'extérieur", a déclaré Cushman.

Enfin, s’ils réussissent à transférer la CAM dans des plantes C3, les chercheurs peuvent ajouter de la CAM à des plantes C4 comme le maïs et le sorgho pour augmenter l’efficacité de leur eau, ont également écrit les auteurs du rapport.

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