Une étude révèle que les plantes résistantes à la sécheresse sont prometteuses pour la production alimentaire future
Pour la première fois, des chercheurs ont démontré sur une plante intacte un processus longtemps contesté qui permet à certaines plantes de se remettre d'une sécheresse prolongée. L'équipe de scientifiques de l'université d'État du Colorado, de l'université du Colorado et du ministère américain de l'agriculture estime que la compréhension de cette caractéristique particulière pourrait améliorer la productivité agricole et la sécurité alimentaire.
Sean Gleason, scientifique du service de recherche agricole de l'USDA, utilise un scanner micro-CT dans un laboratoire de l'université d'État du Colorado pour étudier les plantes. L'appareil permet à Gleason et à ses collaborateurs du CSU d'observer les processus internes des plantes de manière non destructive.
John Eisele/Colorado State University
La sécheresse coûte aux États-Unis des milliards en pertes agricoles et en augmentation de l'irrigation. La perte de productivité réduit la disponibilité des denrées alimentaires et augmente les prix pour les consommateurs.
Lorsqu'une plante se dessèche, son système de transport de l'eau est altéré par la formation de bulles de gaz bloquées, ou embolies, dans les tissus transportant l'eau de la plante, le xylème. Selon l'étendue de l'embolie, certaines plantes ne se rétablissent jamais.
Pour se rétablir, les bulles de gaz doivent être éliminées et l'écoulement de l'eau doit être rétabli par un processus appelé "remplissage". Les phytologues sont divisés sur la question de savoir si le remplissage a lieu. La plupart des preuves en faveur du remplissage sont basées sur des méthodes d'étude destructives, où une plante est coupée et où l'eau est forcée à pénétrer dans les tissus à une pression plus élevée que celle qui existe dans la nature.
Les chercheurs de la CSU, de la CU et de l'USDA ont expliqué que le fait de couper les plantes crée des "artefacts", c'est-à-dire des sous-produits de la méthode d'étude qui, dans ce cas, pourraient provoquer des embolies et conduire à des résultats inexacts. Au lieu de cela, ils ont utilisé un scanner micro-CT, une machine à rayons X spécialisée, pour observer les processus internes des plantes tels qu'ils se déroulent dans la nature.
Leur étude, publiée en couverture de l'édition d'avril des Proceedings of the National Academy of Sciences, a révélé une inversion complète de l'embolie et un rétablissement total d'un type d'herbe sauvage dans les 24 heures suivant l'arrosage.
"Il s'agit de la première preuve convaincante de l'inversion, ou du remplissage, d'une embolie dans une espèce de plante vasculaire, la plante retrouvant ensuite une récupération fonctionnelle complète", a déclaré Sean Gleason, chercheur au Service de recherche agricole de l'USDA, affilié à la CSU, et coauteur de l'article.
Les chercheurs ont commencé à rechercher d'autres plantes présentant cette caractéristique afin d'identifier le mécanisme génétique qui la sous-tend. Une fois le mécanisme identifié, il pourrait être intégré dans les cultures, ce qui les rendrait plus résistantes à la sécheresse.
"Si une plante peut se remettre rapidement d'une sécheresse en se remplissant à nouveau, il est possible de récupérer certaines pertes pendant une année de sécheresse", explique Troy Ocheltree, co-auteur de l'étude et professeur associé au Warner College of Natural Resources de l'université de Californie du Sud. "Si les plantes peuvent se recharger, cela pourrait permettre une certaine flexibilité dans la quantité et le moment de l'irrigation, bien que des travaux supplémentaires soient nécessaires pour identifier l'impact du rechargement sur l'utilisation de l'eau par les cultures.
Un sujet d'étude fortuit
L'embolie se produit dans toutes les plantes vasculaires, et des études antérieures ont montré que l'embolie ne peut pas être inversée dans certaines plantes, bien qu'elles puissent continuer à fonctionner à capacité réduite une fois que l'eau est rétablie.
Pour cette étude, l'auteur principal Jared Stewart, chercheur postdoctoral au CSU, au CU et à l'USDA ARS, Brendan Allen, alors étudiant en maîtrise au CSU, et Stephanie Polutchko, alors étudiante en doctorat au CU, ont examiné une herbe qui avait poussé dans un parking pour voir si elle serait un bon candidat pour leur expérience. L'herbe se développait dans les fissures de l'asphalte chaud et sec du parking, et ils ont donc pensé qu'elle pourrait résister à la sécheresse.
En effet, malgré son aspect mort et l'embolie de 88 % des tissus du xylème après une période prolongée sans eau, le système de transport de l'eau de l'herbe s'est rétabli littéralement du jour au lendemain.
Jusqu'à présent, il s'agit de la seule espèce connue pour se recharger, mais les chercheurs pensent qu'il existe probablement d'autres espèces présentant cette caractéristique.
"Nous ne savons pas si ce phénomène est courant", a déclaré M. Ocheltree. "Mais le fait que nous ayons trouvé une plante dans le parking qui se recharge me fait penser qu'il y en a probablement d'autres qui se rechargent aussi. Cela nous fait changer d'état d'esprit.
Partenariat et équipement clés
L'étude a été facilitée par un partenariat avec le College of Veterinary Medicine and Biomedical Sciences du CSU, qui dispose d'un scanner micro-CT pour les petits animaux. Cet appareil spécialisé émet moins de radiations que la plupart des tomodensitomètres, ce qui permet d'effectuer des examens répétés sans nuire aux sujets.
Selon M. Gleason, le soutien du personnel du laboratoire et de l'investigatrice principale, le professeur Nicole Ehrhart, directrice du Center for Healthy Aging et du Laboratory of Comparative Musculoskeletal Oncology and Traumatology de la CSU, a été essentiel pour l'étude. Laura Chubb, technicienne de laboratoire, a aidé l'équipe en scannant les plantes dans un premier temps, puis a formé Gleason à l'utilisation de la machine.
"La résilience de cette humble graminée - qui a réactivé son système vasculaire en une nuit - était à la fois surprenante et profondément convaincante", a déclaré M. Ehrhart. "Des collaborations comme celle-ci nous rappellent à quel point les outils développés pour la recherche biomédicale peuvent être appliqués de façon nouvelle pour répondre à des questions fondamentales sur la vie. Nous avons été ravis de contribuer à une science d'un tel impact".
"Le Dr Ehrhart et Laura ont rendu cette étude possible en nous proposant généreusement de nous aider avec nos scans et en nous permettant d'utiliser leur laboratoire de micro-CT", a déclaré Gleason. "Sans eux, nous n'aurions pas pu mener à bien cette recherche.
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