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Un gène unique renforce la résistance au climat, le rendement et le piégeage du carbone dans les cultures
Oak Ridge National Laboratory*
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Une équipe de recherche dirigée par Xiaohan Yang, de l'ORNL, a utilisé un gène d'agave pour obtenir un rendement plus élevé, une meilleure tolérance au stress et une plus grande séquestration du carbone dans des plants de tabac. Crédit : Carlos Jones/ORNL, Département Américain de l'Énergie.
Des scientifiques du Oak Ridge National Laboratory ont découvert un gène unique qui stimule simultanément la croissance des plantes et leur tolérance à des stress tels que la sécheresse et le sel, tout en s'attaquant à la cause profonde du changement climatique en permettant aux plantes d'extraire davantage de dioxyde de carbone de l'atmosphère.
Le changement climatique entraînant des sécheresses plus fréquentes et plus longues, les problèmes de pénurie d'eau s'intensifient. Seuls 3 % environ de l'eau dans le monde sont des eaux douces, et une grande partie de cette eau est à l'état de glace ou ne peut être utilisée d'une autre manière. L'agriculture est le plus gros consommateur d'eau douce au monde, ce qui souligne la nécessité de disposer de plantes plus rustiques, capables de résister à des conditions plus sèches et d'utiliser de l'eau non potable contenant des niveaux plus élevés de sel.
Afin de concevoir des cultures bioénergétiques plus productives et plus tolérantes à la sécheresse, les scientifiques de l'ORNL du Center for Bioenergy Innovation, ou CBI, ont étudié les mécanismes qui permettent aux plantes du désert, comme l'agave et le kalanchoë, de prospérer dans des conditions sèches.
Les plantes du désert utilisent une forme de photosynthèse connue sous le nom de métabolisme acide crassulacé, ou CAM [crassulacean acid metabolism], pour retenir le dioxyde de carbone dans leurs cellules pendant la nuit afin de le transformer en sucres pendant la journée. Pour survivre aux températures extrêmes du désert, les plantes CAM n'ouvrent leurs stomates, ou pores des feuilles, que pour capturer le dioxyde de carbone pendant la nuit et les gardent fermés pendant la chaleur du jour, évitant ainsi la perte d'eau.
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Une équipe de l'ORNL a identifié les gènes clés de la photosynthèse CAM en 2017 en utilisant le superordinateur Titan du laboratoire. S'appuyant sur cette étude, les chercheurs se sont concentrés sur une nouvelle variante d'une enzyme importante et ont découvert qu'elle déclenche deux voies simultanément – une pour la fixation du carbone et la croissance des plantes et une autre qui produit de la proline, un acide aminé clé connu pour augmenter la tolérance au stress. Leurs résultats sont publiés dans la revue Cells.
« Il est inhabituel de constater qu'une seule modification génétique peut avoir des avantages multiples », a déclaré Xiaohan Yang de l'ORNL, un biologiste des systèmes végétaux et de synthèse qui a dirigé l'étude. « C'est différent du modèle classique d'un gène et d'une protéine affectant un trait. Nous voyons de plus en plus d'exemples de ce phénomène où un seul gène agit comme un régulateur principal qui active de nombreux autres gènes en amont et en aval de lui. »
« Tout ce que nous pouvons faire pour rendre les cultures bioénergétiques plus tolérantes à la sécheresse et leur conférer une croissance rapide a une valeur économique positive », a déclaré Jerry Tuskan, directeur de l'IBC. « Nous envisageons des cultures énergétiques dédiées qui ne concurrencent pas la production alimentaire. Pour ce faire, nous devrons faire pousser ces cultures sur des terres marginales qui connaissent la sécheresse. »
L'équipe de recherche a pris un gène variant, AaPEPC1, de l'agave, une plante des déserts, dont ils avaient trouvé précédemment qu'il exprimait une enzyme importante dans la photosynthèse CAM, et l'a incorporé au tabac, qui effectue la photosynthèse par une voie non CAM. L'enzyme, la phosphoénolpyruvate carboxylase, est essentielle à la fixation nocturne du dioxyde de carbone. Comme prévu, le gène a permis une plus grande capture du dioxyde de carbone, ce qui a favorisé la croissance des plants de tabac et le rendement de la biomasse.
La surprise est venue lorsque l'équipe a constaté que l'augmentation du rendement en biomasse était constante même dans des conditions de stress. Les résultats montrent que le poids sec des plants de tabac modifiés avec AaPEPC1 a augmenté d'environ 82 % dans des conditions salines et de 37 % dans des conditions de sécheresse, par rapport au tabac conventionnel.
« Habituellement, vous pouvez augmenter soit le rendement en biomasse, soit la tolérance au stress, mais pas les deux », a déclaré M. Yang. « L'arbitrage entre les deux a été un grand défi scientifique."
Une étude plus approfondie a révélé que l'expression du gène AaPEPC1 et de l'enzyme correspondante a régulé ou activé plusieurs gènes dans la voie CAM pour la production de malate, essentielle pour retenir le dioxyde de carbone dans le cytoplasme, c'est-à-dire le liquide à l'intérieur des cellules végétales. Le même gène a régulé à la hausse un autre ensemble de gènes qui produisent de la proline, augmentant ainsi la tolérance au stress. L'équipe examine encore les mécanismes moléculaires en jeu.
« Ces effets ne sont très probablement pas spécifiques au tabac, et nous devons donc effectuer des tests supplémentaires sur d'autres espèces », a déclaré M. Yang. « Nos résultats peuvent jeter les bases de futures recherches visant à augmenter la production durable de biomasse sur les terres marginales, avec des avantages à la fois pour la bioénergie et la séquestration du carbone. »
« Nous n'avons pas testé le gène dans le maïs ou le soja », a précisé M. Tuskan. « Bien qu'ils soient cultivés sur des terres agricoles de haute qualité, cette découverte pourrait avoir des applications pour augmenter leur production dans les régions plus sèches du monde également. »
Les coauteurs de l'étude sont Degao Liu, Rongbin Hu, Jin Zhang, Hua Cheng, Linling Li, Anne Borland, Jin-Gui Chen et Wellington Muchero de l'ORNL, ainsi que Hao-Bo Guo et Hong Qin de l'université du Tennessee à Chattanooga.
Les recherches ont débuté dans le cadre d'un projet de biodesign portant sur la photosynthèse CAM et se sont poursuivies par le biais du Center for Bioenergy Innovation du Département de l'Énergie à l'ORNL. Les deux activités ont été financées par le programme de recherche biologique et environnementale de l'Office of Science du DOE. Le projet initial a également bénéficié du soutien du programme Laboratory Directed Research and Development.
L'UT-Battelle gère l'ORNL pour le compte de l'Office of Science du Département de l'Énergie, le plus important bailleur de fonds de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis. L'Office of Science s'efforce de relever certains des défis les plus pressants de notre époque. Pour plus d'informations, veuillez consulter le site energy.gov/science.
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* Source : Single gene boosts climate resilience, yield and carbon capture in crops | ORNL
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