Une découverte génétique sur les légumineuses pourrait améliorer la croissance des cultures

Une découverte génétique sur les légumineuses pourrait améliorer la croissance des cultures

La Trobe University*

Une équipe internationale de scientifiques, dirigée par des chercheurs de l'Université de La Trobe, a identifié pour la première fois un « interrupteur » génétique qui bloque le processus par lequel les légumineuses convertissent l'azote atmosphérique en nutriments.

Une équipe internationale de scientifiques, dirigée par des chercheurs de l'Université de La Trobe, a identifié pour la première fois un « interrupteur » génétique qui interrompt le processus par lequel les légumineuses convertissent l'azote atmosphérique en nutriments.

Les légumineuses telles que les haricots, les pois et les lentilles sont uniques parmi les cultures en raison de leur capacité à interagir avec des bactéries du sol pour convertir ou « fixer » l'azote en une forme utilisable de nutriments. Toutefois, ce processus biologique à forte intensité énergétique est réduit lorsque l'azote est déjà abondant dans le sol, soit par des processus naturels, soit par l'application d'engrais de synthèse.

La dernière découverte du régulateur génétique qui interrompt la fixation de l'azote lorsque les niveaux de nitrates dans le sol sont élevés a permis aux scientifiques de supprimer le gène dans des légumineuses modèles, ce qui a permis aux plantes de continuer à fixer l'azote quel que soit l'environnement du sol.

L'augmentation de la capacité biologique des légumineuses à fixer l'azote pourrait contribuer à accroître la croissance et le rendement des cultures tout en réduisant la nécessité d'utiliser des engrais de synthèse, qui contribuent à l'empreinte écologique de l'agriculture.

Les résultats de cette recherche, menée dans le cadre du projet international Enabling Nutrient Symbioses in Agriculture (ENSA), ont été publiés dans la revue Nature.

« D'un point de vue agricole, la fixation continue de l'azote pourrait être une caractéristique bénéfique qui augmente la disponibilité de l'azote, à la fois pour la légumineuse et pour les cultures suivantes qui dépendent de l'azote laissé dans le sol après la culture des légumineuses », a déclaré l'auteur principal, le Dr Dugald Reid, maître de conférences à l'Université La Trobe et chef du groupe de recherche à l'Institut La Trobe pour l'Agriculture et l'Alimentation Durables (LISAF) et au Département des Sciences Animales, Végétales et du Sol, ainsi que chercheur à l'ENSA.

« Cela permet de jeter les bases de futures recherches qui nous fourniront de nouveaux moyens de gérer nos systèmes agricoles afin de réduire l'utilisation d'engrais azotés, d'augmenter les revenus des agriculteurs et de réduire l'impact de l'utilisation d'engrais azotés sur l'environnement. »

Le projet ENSA est actuellement financé par Bill & Melinda Gates Agricultural Innovations (Gates Ag One), une organisation à but non lucratif qui investit dans la recherche agricole de pointe pour répondre aux besoins urgents et négligés des petits exploitants agricoles d'Afrique subsaharienne et d'Asie du Sud.

L'équipe a découvert le régulateur connu sous le nom de « Fixation sous Nitrate" (FUN) après avoir passé au crible 150.000 plantes légumineuses individuelles dans lesquelles des gènes avaient été supprimés afin d'identifier comment les plantes contrôlent le passage de la fixation de l'azote à l'absorption de l'azote du sol.

FUN, qui est un type de gène connu sous le nom de facteur de transcription et qui contrôle les niveaux d'autres gènes, s'est avéré être présent dans les légumineuses, qu'il soit actif ou inactif, et indépendamment des niveaux d'azote.

« Dans le cadre de l'étude, nous avons conçu un crible génétique pour des milliers de plantes en serre afin d'identifier les gènes qui relient les déclencheurs environnementaux aux signaux biologiques », a déclaré le Dr Jieshun Lin, co-auteur de l'article et chercheur à l'ENSA.

« En augmentant les niveaux de nitrate disponibles pour la légumineuse modèle, nous avons pu identifier les gènes dont la régulation de la fixation de l'azote était altérée et découvrir le mutant FUN. »

L'équipe a ensuite utilisé une combinaison de biochimie, d'études d'expression génétique et de microscopie pour découvrir que FUN forme de longs filaments protéiques lorsqu'il est inactif.

Cela a conduit à la découverte secondaire que les niveaux de zinc jouent un rôle dans le déclenchement de l'activation de FUN et dans l'arrêt de la fixation de l'azote.

« Nous avons découvert que la modification de l'azote dans le sol modifie les niveaux de zinc dans la plante. Le zinc n'avait jamais été associé à la régulation de la fixation de l'azote, mais notre étude a révélé qu'un changement dans les niveaux de zinc active FUN, qui contrôle alors un grand nombre de gènes qui arrêtent la fixation de l'azote », a déclaré le Dr Kasper Andersen, co-auteur et chercheur à l'ENSA.

« La suppression de FUN crée donc une situation dans laquelle la fixation de l'azote n'est plus interrompue par la plante. »

L'étude a été menée par des scientifiques de l'Université La Trobe (Australie) et de l'Université d'Aarhus (Danemark), en collaboration avec le Centre Européen de Rayonnement Synchrotron (ESRF), le Centro de Biotecnología y Genómica de Plantas (Espagne) et l'Universidad Politécnica de Madrid (UPM).

Les chercheurs étudient maintenant comment les cultures de légumineuses communes, telles que le soja et le niébé, se comportent lorsqu'elles perdent leur activité FUN.

DOI: 10.1038/s41586-024-07607-6

« Zinc mediates control of nitrogen fixation via transcription factor filamentation » (le zinc contrôle la fixation de l'azote par l'intermédiaire de la filamentation des facteurs de transcription)

Contact pour les médias : media@latrobe.edu.au

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* Source : Legume genetic discovery could improve crop growth, News, La Trobe University