Une équipe du CABBI conçoit des cultures bioénergétiques efficaces nécessitant moins d'eau

Une équipe du CABBI conçoit des cultures bioénergétiques efficaces nécessitant moins d'eau

Julie Wurth, CABBI*

M. Andrew Leakey, directeur du CABBI (à droite), et M. Daniel Lunn, chercheur postdoctoral, avec des plantes de canne à sucre, de miscanthus et de sorgho dans la serre du CABBI à l'Université de l'Illinois Urbana-Champaign.

Crédit : Julie Wurth/CABBI

Le stress dû à la sécheresse est depuis longtemps un facteur limitant pour la production végétale dans le monde entier, un défi exacerbé par le changement climatique.

Depuis plus d'un siècle, les scientifiques ont ciblé une caractéristique clé des plantes, connue sous le nom d'efficacité de l'utilisation de l'eau (WUE – water use efficiency), afin d'aider les cultures à pousser avec moins d'eau et à éviter de souffrir du stress de la sécheresse. Une meilleure utilisation de l'eau peut aider les plantes à éviter le stress dû à la sécheresse, mais pour la plupart des cultures, elle est également associée à une productivité plus faible lorsque l'eau est abondante.

Dans deux études publiées aujourd'hui dans le Journal of Experimental Botany, des chercheurs du Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI) ont utilisé le génie génétique pour améliorer l'efficacité de l'utilisation de l'eau de cultures bioénergétiques en C4 respectueuses du climat sans sacrifier le rendement, ce qui constitue une avancée significative pour le développement d'une bioéconomie durable. Le CABBI est un centre de recherche en bioénergie financé par le Département de l'Énergie (DOE).

Dans la première étude, l'équipe du CABBI a pu réduire la quantité d'eau s'échappant des plantes de sorgho en diminuant le nombre de stomates, ou pores, à la surface des feuilles, améliorant ainsi l'efficacité de l'utilisation de l'eau sans limiter la photosynthèse et la production de biomasse. Les chercheurs ont inséré un gène dans les plantes qui a modifié leur schéma de développement et réduit la densité stomatique.

« Avec les espèces en C4, nous pensons pouvoir bénéficier d'un repas gratuit : nous pouvons améliorer l'efficacité de l'utilisation de l'eau sans avoir à faire de compromis sur la croissance de la plante lorsqu'elle dispose de suffisamment d'eau. Il s'agit d'un cas particulier », a déclaré M. Andrew Leakey, directeur du CABBI et chef d'équipe des deux études.

Les chercheurs de la seconde étude ont découvert que la réduction de la densité stomatique dans la canne à sucre et d'autres cultures en C4 coïncidait avec une ouverture plus large des pores. Cela annule une partie de l'amélioration attendue de l'efficacité de l'utilisation de l'eau. Le mécanisme sous-jacent de cette réaction n'est pas entièrement compris, de sorte que cette découverte représente une nouvelle cible précieuse pour l'ingénierie d'une plante encore plus efficace.

Ensemble, ces découvertes permettront de maximiser la production de matières premières bioénergétiques, d'aider les cultures à atténuer les effets d'un approvisionnement en eau inadéquat et d'ouvrir de nouvelles voies de recherche sur les plantes, a déclaré M. Leakey, titulaire de la chaire Michael Aiken et professeur aux départements de biologie végétale et de sciences des cultures et à l'Institut Carl R. Woese de Biologie Génomique (IGB) de l'Université de l'Illinois Urbana-Champaign.

« Il s'agit d'une opportunité passionnante pour de nouvelles découvertes scientifiques et stratégies d'ingénierie », a déclaré M. Daniel Lunn, chercheur postdoctoral du CABBI en biologie végétale, de l'IGB et du Center for Digital Agriculture de l'Université de l'Illinois, auteur principal de l'étude sur la canne à sucre.

Les principaux collaborateurs du CABBI pour cette recherche sont M. Tom Clemente, professeur distingué de biotechnologie à l'Université du Nebraska, et M. Fredy Altpeter, professeur d'agronomie à l'Université de Floride, co-chercheurs principaux pour la production de matières premières. L'auteur principal de l'article sur le sorgho est M. John Ferguson, ancien chercheur postdoctoral à l'IGB.

Cette image d'un stomate de graminée en C4 montre comment il s'ouvre pour absorber le CO₂ nécessaire à la photosynthèse, mais aussi comment il perd de l'eau.

Crédit : Daniel Lunn/CABBI

Au cours de la photosynthèse chez les plantes, l'énergie lumineuse est captée et utilisée pour convertir l'eau et le dioxyde de carbone (CO₂) en composés organiques riches en énergie. L'efficacité de l'utilisation de l'eau correspond au gain de carbone photosynthétique d'une plante – ou, plus généralement, à la quantité de biomasse produite – par rapport à la quantité d'eau qu'elle utilise. Dans ces études, les chercheurs se sont concentrés sur les feuilles, mesurant la quantité d'eau et de CO₂ entrant et sortant par les stomates.

Dans la grande majorité des plantes, et dans la grande majorité des efforts visant à augmenter l'utilisation de l'eau chez les plantes, les scientifiques sont confrontés à un compromis qui compromet l'amélioration des cultures : en les rendant plus économes en eau, on réduit leur productivité intrinsèque, leur gain de carbone photosynthétique et leur taux de croissance. « Elles sont donc plus performantes lorsqu'elles n'ont pas assez d'eau, mais moins performantes lorsqu'elles en ont assez. D'un point de vue agricole plus large, il s'agit d'un compromis plutôt indésirable », a déclaré M. Leakey.

Mais les cultures en C4 – y compris le sorgho, la canne à sucre et le miscanthus, les cultures bioénergétiques ciblées par le CABBI – sont construites différemment. Elles ont une « version de la photosynthèse avec injection de carburant » qui concentre le CO₂ à l'intérieur de la feuille avant de le capturer, « alors que la plupart des plantes sont comme une Ford modèle T, c'est-à-dire qu'elles fonctionnent avec un moteur à aspiration naturelle », a déclaré M. Leakey.

Bien que les plantes en C4 ne représentent que 5 % de toutes les espèces végétales, elles deviennent de plus en plus essentielles à la production agricole de nourriture, de carburant et de fibres. Elles constituent des exemples importants de cultures de biomasse émergentes, notamment la canne à sucre et le miscanthus, qui séquestrent le carbone tout en fournissant une base pour la fabrication de bioproduits.

Avec la nouvelle recherche sur l'utilisation de l'eau, « nous prenons les plantes qui ont déjà un avantage en tant que cultures et nous les rendons potentiellement encore meilleures sans entraver le gain de carbone », a déclaré M. Leakey.

L'équipe étudie cette approche d'ingénierie sur d'autres espèces de plantes ciblées par le CABBI et peaufine leur conception. Les travaux novateurs réalisés sur le miscanthus par d'autres chercheurs de l'équipe de production de matières premières du CABBI – séquençage du génome du miscanthus et mise au point des premières techniques d'édition de gènes – « nous permettront de poursuivre cette stratégie d'ingénierie dans une culture productrice de matières premières pérenne émergente très importante, capable de séquestrer une grande quantité de carbone », a déclaré M. Leakey.

Une comparaison du sorgho de type sauvage et de la variété améliorée avec moins de stomates montre comment les plantes modifiées peuvent maintenir leur productivité avec moins d'eau.

Source : Daniel Lunn/CABBI

« Surmonter les limitations en eau de la production végétale est vraiment essentiel pour réaliser notre mission, qui est de soutenir une bioéconomie rentable, durable et résiliente », a-t-il ajouté.

Les feuilles, les racines et d'autres caractéristiques des plantes ont évolué pour gérer le compromis fondamental entre le gain de carbone et la perte d'eau dans la photosynthèse, et ces processus ont un impact prépondérant sur les endroits où les cultures peuvent pousser sans irrigation, a déclaré M. Leakey. Le développement de cultures nécessitant 10 à 20 % d'eau en moins pourrait étendre la région agricole pluviale des États-Unis plus à l'ouest et permettre aux agriculteurs de la zone de culture actuelle de maintenir des productions rentables même les années où les précipitations ne sont pas suffisantes – une menace plus fréquente dans le cadre du changement climatique.

« Une partie de ce que nous essayons de faire ici est de maintenir une productivité accrue à des moments et dans des endroits où l'approvisionnement en eau est inadéquat », a déclaré M. Leakey.

Les autres co-auteurs du premier article sont M. Peter Schmuker et Mme Anna Dmitrieva de l'IGB et les chercheurs du CABBI Truyen Quach, Tieling Zhang, Zhengxiang Ge, Natalya Nersesian et Shirley Sato du département d'agronomie et d'horticulture de l'Université du Nebraska. Les co-auteurs du second article sont M. Baskaran Kannan du CABBI et Mme Amandine Germon et M. Alistair Leverett du CABBI et de l'IGB.

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* Source : CABBI Team Designs Efficient Bioenergy Crops That Need Less Water to Grow - CABBI

Comments

[hbsc xris]

Fascinant, merci pour cet éclairage.