La découverte d'un gène du riz pourrait permettre de réduire l'utilisation d'engrais tout en préservant les rendements

La découverte d'un gène du riz pourrait permettre de réduire l'utilisation d'engrais tout en préservant les rendements

Université d'Oxford*

Des chercheurs de l'Université d'Oxford, de l'Université Agricole de Nanjing et de l'Institut de Génétique et de Biologie du Développement (Académie Chinoise des Sciences) ont enfin identifié le régulateur principal chez les plantes qui équilibre la croissance des racines et des pousses lorsque les nutriments sont limités. Lors d'essais en plein champ, les plantes de riz dotées d'une version naturelle et améliorée de ce gène ont vu leur rendement augmenter jusqu'à 24 %. Cette avancée, publiée dans la prestigieuse revue Science, pourrait à terme améliorer les rendements agricoles mondiaux tout en réduisant la dépendance aux engrais de synthèse.

Notre étude montre clairement que ce régulateur constitue une cible prometteuse pour l'amélioration durable des cultures. Il était extraordinaire de constater l'impact de la version améliorée de ce gène sur les rendements du riz lors de nos essais en plein champ.

Auteur correspondant : Dr Zhe Ji, Département de Biologie

Les engrais azotés sont essentiels à l’agriculture moderne, mais ils ont un coût environnemental élevé, contribuant aux émissions de gaz à effet de serre, à la pollution de l’eau et à la dégradation des sols. Les cultures réagissent généralement à une carence en azote en consacrant davantage d’énergie à la croissance des racines pour rechercher des nutriments, souvent au détriment du développement des pousses et de la production de grains. Bien qu’adaptative dans la nature, cette compensation limite la productivité agricole.

Jusqu'à présent, le mécanisme moléculaire à l'origine de ce changement de développement était inconnu. Dans cette nouvelle étude, les chercheurs ont non seulement identifié le gène responsable, mais ont également démontré que sa manipulation chez le riz permettait de maintenir la croissance des pousses et les rendements même lorsque les niveaux d'azote sont faibles.

Dans le cadre d'expériences contrôlées en serre et en plein champ, les chercheurs ont montré que les plantes de riz dépourvues d'une version fonctionnelle d'un gène appelé WRINKLED1a perdaient la capacité d'investir davantage dans la croissance racinaire dans des conditions de faible teneur en azote, et présentaient une croissance des pousses réduite lorsque l'azote était abondant. À l'inverse, les plantes génétiquement modifiées pour surexprimer ce gène ont montré une croissance plus forte tant au niveau des racines que des pousses, ainsi qu'un rapport racines/pousses plus constant lorsque les niveaux d'azote externes variaient.

L'introduction de la version supérieure de WRINKLED1a (plante de droite dans chaque paire) a amélioré le rendement du riz, tant avec de faibles qu'avec des niveaux élevés d'apport d'engrais. Crédit : Professeur Shan Li.

En criblant plus de 3.000 cultivars de riz, l'équipe a identifié une version naturelle du gène qui s'exprime plus fortement et a utilisé des techniques traditionnelles de sélection végétale pour la croiser avec des plantes de riz porteuses d'une version plus faible. Au cours de trois essais en plein champ menés dans les provinces de Hainan et d'Anhui, en Chine, les plantes de riz dotées de cet allèle amélioré ont conservé un rapport racines/pousses plus stable dans différentes conditions d'azote et ont produit des rendements plus élevés avec un faible apport d'engrais. Cela s'est traduit par une augmentation de 23,7 % du rendement avec un faible apport d'engrais azoté (120 kg/ha) et de 19,9 % avec un apport élevé (300 kg/ha).

L'auteur correspondant, le Dr Zhe Ji (Département de Biologie de l'Université d'Oxford et Centre de Recherche Calleva), a déclaré : « Notre étude montre clairement que ce régulateur est une cible prometteuse pour l'amélioration durable des cultures. Il était extraordinaire de constater la différence que la version améliorée du gène a eue sur les rendements de riz lors de nos essais en plein champ. »

L'équipe a démontré que WRINKLED1a joue des rôles distincts dans la partie aérienne et les racines. Dans la tige, il agit comme un activateur, déclenchant un gène régulateur clé (NGR5) qui favorise la ramification de la tige. Dans les racines, WRINKLED1a active des gènes impliqués dans l'absorption de l'azote. Il perturbe également la formation d'un complexe protéique qui empêche normalement l'accumulation d'auxine – une hormone végétale qui favorise la croissance des racines. Il est intéressant de noter que WRINKLED1a ne perturbe pas ce complexe protéique dans la tige, ce qui montre que ses rôles sont spécifiques à chaque tissu.

Schéma illustrant comment WRINKLED1a régule la croissance des pousses et des racines chez le riz. Crédit : Caroline Wood, Université d’Oxford.

Le riz est la culture de base pour plus de la moitié de la population mondiale (FAO), mais les récoltes mondiales sont menacées par le changement climatique : des études indiquent qu'une hausse de 1 °C pendant la saison de culture du riz peut réduire les rendements de plus de 8 %. Les engrais azotés représentent l'un des principaux coûts de production du riz – environ un tiers des coûts de production globaux pour certains agriculteurs – et leur utilisation contribue elle-même au changement climatique. En permettant aux agriculteurs de maintenir des rendements élevés tout en réduisant leur dépendance aux engrais, ces nouveaux résultats pourraient donc avoir un impact significatif sur la sécurité alimentaire mondiale.

L'auteur principal, le Dr Shan Li (Université Agricole de Nanjing, Chine), a ajouté : « WRINKLED1a aide le riz à éviter le compromis habituel " plus de racines, moins de pousses" en cas de limitation en azote, favorisant ainsi des rendements stables avec des apports d'azote réduits. La prochaine étape consiste à déterminer si des gènes homologues présents dans d’autres cultures, telles que le blé et le maïs, peuvent être exploités pour obtenir des résultats similaires. »

L’étude intitulée « OsWRI1a coordinates systemic growth responses to nitrogen availability in rice » (OsWRI1a coordonne les réponses de croissance systémiques à la disponibilité de l’azote chez le riz) a été publiée dans Science.

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* Source : Rice gene discovery could cut fertiliser use while protecting yields | University of Oxford