Un riz biotechnologique suralimenté donne 40 % de grains en plus
Une modification génétique pourrait stimuler la photosynthèse et l'absorption d'engrais dans le blé et d'autres cultures.
Erik Stokstad*
/image%2F1635744%2F20220729%2Fob_9dc614_capture-riz.jpg)
Obtenir encore plus de grains de riz à haut rendement, comme cette plante en Chine, sera important pour la sécurité alimentaire mondiale.
En munissant une variété de riz chinoise d'une deuxième copie d'un de ses propres gènes, des chercheurs ont augmenté son rendement jusqu'à 40 %. Cette modification permet à la plante d'absorber davantage d'engrais, de stimuler la photosynthèse et d'accélérer la floraison, autant d'éléments qui pourraient contribuer à des récoltes plus importantes, rapporte aujourd'hui le groupe dans Science [le 22 juillet 2022].
Le gain de rendement obtenu grâce à un seul gène coordonnant ces multiples effets est « vraiment impressionnant », déclare Matthew Paul, généticien des plantes chez Rothamsted Research, qui n'a pas participé aux travaux. « Je ne pense pas avoir jamais vu quelque chose de semblable auparavant ». Cette approche pourrait être testée sur d'autres cultures également, ajoute-t-il ; la nouvelle étude fait état de résultats préliminaires sur le blé.
Le rendement d'une culture est d'une complexité diabolique, car de nombreux gènes interagissent pour influencer la productivité des plantes. Pendant des années, les biotechnologues ont cherché des gènes uniques qui augmentent le rendement, sans grand succès. Ces dernières années, ils se sont intéressés aux gènes qui contrôlent d'autres gènes, et donc de multiples aspects de la physiologie, comme l'absorption des nutriments du sol, le rythme de la photosynthèse et le transfert des ressources des feuilles aux graines. La modification d'un de ces gènes régulateurs chez le maïs permet d'obtenir un rendement supérieur de 10 %, un gain important par rapport à l'augmentation de 1 % par an obtenue par la sélection végétale traditionnelle.
Pour trouver d'autres candidats à l'amélioration du rendement, une équipe dirigée par le biologiste végétal Wenbin Zhou, de l'Académie Chinoise des Sciences Agricoles (CAAS), a passé au peigne fin 118 gènes régulateurs du riz et du maïs, qui codent pour des protéines appelées facteurs de transcription, que d'autres chercheurs avaient précédemment identifiés comme probablement importants pour la photosynthèse. L'équipe de Zhou a cherché à savoir si l'un de ces gènes était activé dans le riz cultivé dans un sol pauvre en azote, car ces gènes pourraient favoriser l'absorption de ce nutriment. L'augmentation de leur activité dans le riz cultivé dans un sol normal pourrait inciter la plante à absorber encore plus d'azote et à produire plus de grains.
L'équipe a trouvé 13 gènes qui s'activaient lorsque les plants de riz étaient cultivés dans un sol pauvre en azote ; cinq d'entre eux ont permis de multiplier par quatre ou plus l'absorption d'azote. Ils ont inséré une copie supplémentaire de l'un de ces gènes, appelé OsDREB1C, dans une variété de riz appelée Nipponbare, utilisée pour la recherche. Ils ont également éliminé le gène dans d'autres plants de riz. Les expériences menées en serre par Shaobo Wei et Xia Li du CAAS ont montré que les plantes dépourvues du gène poussaient moins bien que les plantes témoins, alors que celles qui possédaient des copies supplémentaires d'OsDREB1C poussaient plus vite en tant que plantules et avaient des racines plus longues.
Une bonne nutrition était l'une des raisons : des traceurs isotopiques ont révélé que les plantes avec des copies supplémentaires d'OsDREB1C absorbaient de l'azote supplémentaire par leurs racines et en transféraient davantage vers les pousses. Les plantes modifiées étaient également mieux équipées pour la photosynthèse ; leurs feuilles contenaient environ un tiers de chloroplastes en plus, les organites photosynthétiques des cellules végétales, et environ 38 % de RuBisCO en plus, une enzyme clé de la photosynthèse. Semé en plein champ pendant 2 à 3 ans, le riz amélioré a donné des rendements plus élevés sur trois sites en Chine avec des climats allant de tempéré à tropical.
Fait important, les chercheurs ont également transformé une variété de riz à haut rendement souvent plantée par les agriculteurs en ajoutant une copie supplémentaire du gène. Ces plantes de riz modernes modifiées ont produit jusqu'à 40 % de grains en plus par parcelle que les témoins, rapportent les chercheurs. « C'est un gros chiffre », déclare Pam Ronald, généticienne du riz à l'Université de Californie, à Davis. « C'est incroyable ! »
Comme dans les expériences en serre, les plantes modifiées dans les champs avaient à la fois des grains plus gros et plus nombreux. « Ce qu'ils ont fait, c'est prendre une très bonne [variété de riz] et montrer qu'ils peuvent l'améliorer », déclare Steve Long, physiologiste végétal à l'Université de l'Illinois, Urbana-Champaign, qui ajoute que le résultat est « beaucoup plus convaincant » que l'amélioration d'une variété de recherche.
Les plantes modifiées ont également fleuri plus tôt, ce qui leur a donné plus de temps à consacrer à la production de grains. Une floraison plus rapide peut présenter d'autres avantages, en fonction de l'environnement, par exemple permettre aux agriculteurs de produire davantage de cultures par campagne ou de récolter les cultures avant les chaleurs estivales néfastes. Cependant, bien que le Nipponbare modifié ait fleuri jusqu'à 19 jours plus tôt, la variété de riz largement cultivée n'a fleuri que 2 jours plus tôt.
Pour démontrer un potentiel plus large, l'équipe a ajouté le gène OsDREB1C du riz à une variété de blé de recherche et a constaté les mêmes types d'effets. OsDREB1C et des gènes similaires sont présents non seulement dans le riz, le blé et d'autres graminées, mais aussi dans les dicotylédones. Les chercheurs ont découvert des résultats comparables en ajoutant une copie supplémentaire à l'arabette, une plante bien étudiée appelée Arabidopsis. Ces résultats sont cohérents avec un rôle commun à l'ensemble du règne végétal, ce qui suggère que d'autres types de cultures pourraient bénéficier d'une augmentation du rendement grâce à cette modification.
Les cultures transgéniques telles que le riz produit par l'équipe de Zhou sont inacceptables pour certains consommateurs. Mais Zhou et ses collègues affirment que la même augmentation du rendement pourrait être obtenue en modifiant les propres gènes de la plante, ce qui, dans certains pays, est désormais moins réglementé que le génie transgénique. Un autre avantage est que l'augmentation de l'efficacité de l'azote dans les cultures pourrait réduire la pollution des cours d'eau et des lacs due à l'excès d'engrais qui s'écoule des champs, explique Pam Ronald. Et l'amélioration de la photosynthèse sera vitale pour accroître les réserves alimentaires mondiales, note Steven Kelly, de l'Université d'Oxford, dans un commentaire. « Il est possible de faire d'énormes bonds en avant si l'on dispose du bon facteur de transcription », affirme M. Long. « Je suis sûr qu'il y en aura d'autres. »
___________
/image%2F1635744%2F20220729%2Fob_1c0fe0_capture-riz-2.jpg)
* Erik est journaliste à Science, où il couvre les questions environnementales.
Source : Supercharged biotech rice yields 40% more grain | Science | AAAS