Un nouveau trait découvert aide les plantes à s'enraciner plus profondément dans un sol sec
AGDAILY Reporters*
Une caractéristique racinaire jusqu'alors inconnue permet à certaines plantes céréalières de développer des racines plus profondes capables de percer les sols secs, durs et compactés, selon des chercheurs de l'Université de l'État de Pennsylvanie, qui suggèrent que l'exploitation de cette caractéristique héritable pourrait conduire à des cultures mieux adaptées au changement climatique.
« Cette découverte est de bon augure pour l'agriculture américaine et mondiale car ce caractère aide le maïs, le blé et l'orge à développer des racines plus profondes, ce qui est important pour la tolérance à la sécheresse, l'efficacité de l'azote et la séquestration du carbone », a déclaré Jonathan Lynch, éminent professeur de sciences végétales. « La sélection de cette caractéristique devrait permettre de développer de nouvelles variétés pour atténuer les effets du climat. »
Appelé sclérenchyme cortical multisérié par les chercheurs – ou MCS – le phénotype est caractérisé par de petites cellules aux parois épaisses juste sous la surface des racines. Les racines avec le génotype MCS ont une plus grande concentration de lignine – un polymère organique complexe qui est important dans la formation des parois cellulaires, en particulier dans le bois et l'écorce, et qui leur donne de la rigidité.
Plus de lignine confère aux racines MCS une plus grande résistance à la traction et une plus grande force de flexion à l'extrémité des racines par rapport aux génotypes non MCS. Cette rigidité supplémentaire aide les racines à pénétrer dans les couches de sol dures.
Les résultats de l'étude sur l'anatomie des racines, publiés dans les Proceedings of the National Academy of Sciences, sont frappants. Les génotypes de maïs avec MCS avaient des systèmes racinaires avec une profondeur de 22 % plus importante et une biomasse aérienne 39 % plus importante dans les sols compactés en champ par rapport aux lignées sans MCS.
La compaction du sol réduit la porosité, limite l'infiltration de l'eau, réduit l'aération et restreint la croissance des racines en présentant un obstacle physique, a noté la chercheuse principale Hannah Schneider, chercheur postdoctoral dans le groupe de recherche de M. Lynch au Collège des Sciences Agricoles.
« Les couches de sol compactées limitent la productivité des cultures en restreignant la croissance et l'exploration des racines dans les couches de sol plus profondes, ce qui à son tour limite l'accès aux nutriments et à l'eau », a-t-elle déclaré. « Les plantes dont les racines sont capables de pénétrer dans un sol dur et d'explorer plus profondément ont un avantage pour capturer l'eau et les nutriments – ce qui, en fin de compte, donne de meilleurs résultats en cas de sécheresse ou de faible fertilité du sol. »
L'étude comprenait à la fois des éléments de plein champ et de serre pour évaluer la capacité de pénétration des racines dans les sols compacts.
Les scientifiques ont mené deux expériences sur le terrain pour étudier la croissance des racines – l'une au Centre de Biologie Racinaire Apache à Willcox, en Arizona, et l'autre au Centre de Recherche Agricole Russell E. Larson de la Penn State à Rock Springs. Sur chaque site, les chercheurs ont cultivé six génotypes de maïs dont la teneur en lignine des racines était différente. Chaque expérience sur le terrain comportait des traitements de compactage et de non-compactage.
Lorsque le maïs a fleuri, les sols ont été carottés à proximité de plantes choisies au hasard pour évaluer la croissance des racines. Les racines de deux plantes par parcelle de recherche ont également été déterrées et évaluées, et la biomasse des parties aériennes a été collectée.
Douze génotypes de blé et six génotypes de maïs ont également été cultivés dans une serre sur le campus du parc universitaire. De grands conteneurs de culture, ou « mésocosmes », ont été installés avec une couche de sol compactée pour déterminer quelles racines ont pénétré le substrat dur. Après plus d'un mois de croissance, des segments de racines de chacun des génotypes de maïs et de blé ont été recueillis, mesurés et testés pour la résistance à la traction et la force de flexion de l'extrémité des racines.
Cette recherche a utilisé la tomographie par ablation laser – connue sous le nom de LAT – pour visualiser l'anatomie des racines des plantes étudiées. Le groupe de recherche de M. Lynch a développé cette technologie unique en 2011 pour d'autres applications d'analyse des racines. Les chercheurs qui utilisent la LAT peuvent mesurer les spectres de lumière émis par différentes cellules coupées par le laser pour différencier les différents tissus.
Une variation génétique pour la MCS a été trouvée dans chacune des céréales examinées par les chercheurs, et l'héritabilité était relativement élevée, ont-ils rapporté, ce qui suggère que ce trait peut être sélectionné dans les programmes d'amélioration des plantes. Parmi les lignées de plantes examinées dans cette étude, la MCS était présente dans 30 à 50 % des cultivars modernes de maïs, de blé et d'orge.
Les implications des cultures de maïs dont les racines sont plus profondes et qui s'étendent plus loin pour l'eau et les nutriments – et par conséquent produisent des rendements plus élevés – seraient immenses dans les régions où la population est en insécurité alimentaire, a souligné Mme Schneider. Cela est particulièrement vrai face au changement climatique qui rend de vastes régions plus sujettes à la sécheresse.
« Nous observons la MCS dans le maïs, le blé, l'orge et de nombreuses autres cultures céréalières, et notre travail suggère que de nombreux avantages de la MCS peuvent être analogues pour différentes espèces", a-t-elle déclaré. « La MCS pourrait être un trait important pour la tolérance au stress et l'augmentation des rendements dans les cultures céréalières. »
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* Source : Newly discovered trait helps plants grow deeper roots in dry soil | AGDAILY