Les chercheurs du projet RIPE améliorent les rendements et l'efficacité de la photosynthèse

Les chercheurs du projet RIPE améliorent les rendements et l'efficacité de la photosynthèse

Collaborateurs d'AGDAILY*

Image : zoyas2222, Shutterstock

Les chercheurs du projet RIPE augmentent le rendement d'une des principales cultures vivrières, le soja, dans des essais en plein champ sans en affecter la qualité grâce à la bio-ingénierie multigénique de la photosynthèse.

Une équipe collaborative dirigée par l'Université de l'Illinois travaille sur ce projet depuis plus de dix ans. Cependant, Realizing Increased Photosynthetic Efficiency, ou RIPE, est également un projet de recherche international. Les parties prenantes visent à accroître la production alimentaire mondiale en améliorant l'efficacité photosynthétique des cultures vivrières pour les petits exploitants agricoles d'Afrique subsaharienne, avec le soutien de la Fondation Bill et Melinda Gates, de la Fondation pour la Recherche sur l'Alimentation et l'Agriculture et du ministère britannique des affaires étrangères, du Commonwealth et du développement.

« Le nombre de personnes touchées par l'insuffisance alimentaire continue de croître, et les projections montrent clairement qu'il faut un changement au niveau de l'approvisionnement alimentaire pour modifier la trajectoire », a déclaré Mme Amanda De Souza, chercheuse du projet RIPE, et auteur principal. « Notre recherche montre un moyen efficace de contribuer à la sécurité alimentaire des personnes qui en ont le plus besoin tout en évitant de mettre davantage de terres en production. L'amélioration de la photosynthèse est une opportunité majeure pour obtenir le saut nécessaire dans le potentiel de rendement. »

La photosynthèse, le processus naturel que toutes les plantes utilisent pour convertir la lumière du soleil en énergie et en matière, est un processus étonnamment inefficace de plus de 100 étapes que les chercheurs du RIPE s'efforcent d'améliorer depuis plus d'une décennie. Dans ce travail inédit, récemment publié dans Science, le groupe a amélioré la construction VPZ dans la plante de soja pour améliorer la photosynthèse et a ensuite effectué des essais sur le terrain pour voir si le rendement s'en trouvait amélioré.

Mme Amanda De Souza, chercheuse du projet RIPE (image : Allie Arp/projet RIPE)

La construction VPZ contient trois gènes qui codent pour des protéines du cycle de la xanthophylle, un cycle de pigments qui contribue à la photoprotection des plantes. Une fois en plein soleil, ce cycle est activé dans les feuilles pour les protéger des dommages, permettant aux feuilles de dissiper l'excès d'énergie. Cependant, lorsque les feuilles sont à l'ombre (cachées par d'autres feuilles, des nuages ou du fait du déplacement du soleil dans le ciel), cette photoprotection doit être désactivée afin que les feuilles puissent poursuivre le processus de la photosynthèse avec une réserve de lumière solaire. Il faut plusieurs minutes à la plante pour désactiver le mécanisme de protection, ce qui lui fait perdre un temps précieux qu'elle aurait pu consacrer à la photosynthèse.

La surexpression des trois gènes de la construction VPZ accélère le processus, de sorte que chaque fois qu'une feuille passe de la lumière à l'ombre, la photoprotection se désactive plus rapidement. Les feuilles gagnent des minutes supplémentaires de photosynthèse, ce qui, rapporté à l'ensemble de la période de végétation, augmente le taux de photosynthèse total. Cette recherche a montré que malgré une augmentation de plus de 20 % du rendement, la qualité des graines n'a pas été affectée.

« Malgré un rendement plus élevé, la teneur en protéines des graines est restée inchangée. Cela suggère qu'une partie de l'énergie supplémentaire obtenue grâce à l'amélioration de la photosynthèse a probablement été détournée vers les bactéries fixatrices d'azote dans les nodules de la plante », a déclaré le directeur du RIPE, Stephen Long, titulaire de la Chaire Universitaire Dotée Ikenberry en Sciences des Cultures et en Biologie Végétale à l'Institut Carl R. Woese de Biologie Génomique de l'Université de l'Illinois.

Les chercheurs ont d'abord testé leur idée sur des plants de tabac en raison de la facilité avec laquelle on peut transformer la génétique de cette culture et de la quantité de graines qui peuvent être produites à partir d'un seul plant. Ces facteurs permettent aux chercheurs de passer de la transformation génétique à un essai sur le terrain en quelques mois. Une fois le concept éprouvé sur le tabac, ils se sont attelés à la tâche plus complexe de transposer la génétique dans une culture vivrière, le soja.

« Le fait d'avoir démontré des augmentations de rendement très substantielles à la fois dans le tabac et le soja, deux cultures très différentes, suggère que ce concept a une applicabilité universelle », a déclaré M. Long. « Notre étude montre que la réalisation d'améliorations de rendement est fortement influencée par l'environnement. Il est essentiel de déterminer la répétabilité de ce résultat dans tous les environnements et de procéder à d'autres améliorations pour garantir la stabilité environnementale du gain. »

Des tests supplémentaires sur le terrain de ces plants de soja transgéniques sont menés cette année, et les résultats sont attendus au début de 2023.

« L'impact majeur de ce travail est d'ouvrir les voies pour montrer que nous pouvons faire de la bio-ingénierie de la photosynthèse et améliorer les rendements pour augmenter la production alimentaire dans les principales cultures », a déclaré Mme De Souza. « C'est le début de la confirmation que les idées ancrées dans le projet RIPE sont un moyen efficace d'améliorer le rendement des principales cultures vivrières. »

Le projet RIPE et ses sponsors s'engagent à garantir un accès mondial et à mettre les technologies du projet à la disposition des agriculteurs qui en ont le plus besoin, en mettant l'accent sur l'Afrique subsaharienne, l'une des régions du monde où la production de soja connaît la croissance la plus rapide. Selon le Soybean Innovation Lab, cette culture alimentaire à haute teneur en protéines a connu une augmentation des surfaces cultivées et de la demande intérieure.

« Ce fut un chemin de plus d'un quart de siècle pour moi personnellement », a déclaré M. Long. « En commençant d'abord par une analyse théorique de l'efficacité théorique de la photosynthèse des cultures, la simulation du processus complet par le calcul à haute performance, suivie de l'application de routines d'optimisation qui ont indiqué plusieurs goulets d'étranglement dans le processus dans nos cultures. Le soutien financier accordé au cours des dix dernières années nous a permis d'élaborer des solutions pour atténuer certains de ces goulets d'étranglement et de tester les produits à l'échelle du champ. Après des années d'essais et de tribulations, il est merveilleusement gratifiant de voir un résultat aussi spectaculaire pour l'équipe. »

Selon le communiqué de presse de RIPE, des résultats de cette ampleur ne pouvaient pas arriver à un moment plus crucial. Le dernier rapport des Nations Unies, L'état de la sécurité alimentaire et de la nutrition dans le monde 2022 [résumé en français], a révélé qu'en 2021, près de 10 % de la population mondiale souffrait de la faim, une situation qui n'a cessé de s'aggraver au cours des dernières années et qui éclipse, par son ampleur, toutes les autres menaces pour la santé mondiale.

D'ici 2030, plus de 660 millions de personnes devraient être confrontées à la pénurie alimentaire et à la malnutrition, selon les rapports de l'UNICEF. Deux des principales causes de ce phénomène sont l'inefficacité des chaînes d'approvisionnement alimentaire et les conditions de croissance plus difficiles pour les cultures en raison du changement climatique. Améliorer l'accès à la nourriture et la durabilité des cultures vivrières dans les régions pauvres sont les principaux objectifs de cette étude et du projet RIPE.

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* Source : RIPE researchers improve yields and photosynthetic efficiency | AGDAILY