En modifiant un gène régulant une hormone végétale, des chercheurs ont réussi à obtenir des plantes aux racines plus longues et plus profondes. Ces dernières peuvent non seulement stocker plus de carbone dans le sol mais résistent mieux à la sécheresse et préviennent les inondations. Une technique potentiellement applicable à plus de 800 milliards d'hectares de grandes cultures dans le monde, selon l'étude.

Le stockage de carbone par les plantes fait partie des moyens les plus efficaces pour lutter contre le réchauffement climatique. Récemment, des chercheurs de l'ETH-Zürich en Suisse ont calculé que planter 1.000 milliards d'arbres permettrait de réduire de 25 % le taux de carbone dans l'atmosphère. Pour augmenter encore ce potentiel, les scientifiques envisagent de modifier génétiquement les plantes, par exemple pour faire pousser les arbres plus vite ou améliorer le processus de photosynthèse (voir ci-dessous).

Des racines plus longues pour enfouir le carbone dans le sol

Des chercheurs du Salk Institute ont imaginé une nouvelle approche : développer le réseau racinaire des plantes. « L'idée n'est pas de stocker plus de carbone mais de le stocker dans des parties du sol où le carbone est plus stable », explique Wolfgang Busch, l'un des auteurs de l'étude parue dans le journal Cell. Lorsque les racines poussent, elles stockent le carbone sous forme de carbohydrates. Or, les micro-organismes présents dans le sol ont tendance à dégrader cette matière organique qui va alors être relâchée sous forme de CO 2 dans l'atmosphère. Avec des racines plus profondes, le stockage est donc plus efficace qu'avec des racines horizontales juste sous la surface du sol.

Les chercheurs se sont penchés sur le rôle de l'auxine, une hormone qui contrôle la croissance des plantes. Mais cette hormone affecte de nombreuses fonctions de la plante, et la difficulté a donc consisté à trouver un gène agissant spécifiquement sur la partie racinaire sans altérer d'autres fonctions. C'est finalement un gène nommé Exocyst70A3, codant pour une protéine régulant le transport d'auxine, qui a été retenu. En modifiant ce gène dans Arabidopsis thaliana, une plante modèle bien connue des scientifiques, ils sont ainsi parvenus à obtenir des racines plus longues et s'enfonçant plus loin dans le sol.

À gauche, un plant normal d’Arabidopsis thaliana, où les racines superficielles restent en surface. À droite, la plante modifiée dont les racines s’enfoncent plus profondément dans le sol. © Salk Institute

Des plantes mieux adaptées au changement climatique

En outre, cette découverte ne va pas seulement augmenter le stockage du carbone, mais va aussi permettre d'enrichir les sols grâce à une meilleure aération, un peu comme l'action des vers de terre. Avec des racines plus longues, la plante sera également plus apte à puiser l'eau plus profondément et ainsi à mieux résister à la sécheresse. De façon inversée, un meilleur réseau racinaire aidera à lutter contre les inondations en améliorant la capacité d'absorption des sols. Ainsi, non seulement ces plantes modifiées aideraient à lutter contre le réchauffement climatique, mais elles seraient aussi mieux adaptées au stress environnemental. Et comme le gène Exocyst70A3 est présent dans la majorité des plantes, on pourrait utiliser cette technique sur les grandes cultures. « Le blé, le maïs, le soja, le riz, le coton et le colza couvrent à eux seuls 800 millions d'hectares dans le monde. Le potentiel de séquestration est donc énorme », rappelle Wolfgang Busch au site New Atlas.

Des graminées nutritives pour absorber 50 % des émissions de CO 2 anthropiques

Cette recherche fait partie de l'initiative Harnessing Plants, développée par le Salk Institute et visant à optimiser la capacité de capture carbone des plantes. En novembre 2017, la généticienne Joanne Chory, qui travaille pour ce projet, s'était vu attribuer le prestigieux prix Breakthrough Prize 2018 dans la catégorie Sciences de la vie, remis par les patrons de la Silicon Valley, dont le président d'Alphabet, Sergey Brin, ou le P-DG de Facebook, Mark Zuckerberg.

La scientifique travaille sur la subérine, une substance cireuse qui compose la paroi des cellules végétales et protège la plante de la sécheresse et de la décomposition. Lorsque la plante meurt, elle relâche le carbone dans l'atmosphère. En renforçant l'action de la subérine, le carbone reste stocké plus longtemps dans le sol. Selon Joanne Chory, il serait possible d'absorber 50 % des émissions de CO 2 anthropiques en recouvrant 5 % des surfaces cultivées dans le monde avec une plante ainsi « dopée » (idéalement une graminée nutritive riche en protéine comme le pois chiche). Reste à savoir si le consommateur, extrêmement méfiant vis-à-vis des OGM, sera prêt à goûter à cette nourriture écolo.

Ce qu'il faut retenir Des chercheurs sont parvenus à développer le réseau racinaire des plantes en modifiant un gène régulant l’auxine, une hormone contrôlant la croissance des végétaux.

Des racines plus profondes enfouissent le CO 2 dans le sol et empêchent la décomposition de matière organique.

dans le sol et empêchent la décomposition de matière organique. Ces plantes seraient en outre plus résistantes à la sécheresse et au stress climatique.

Pour en savoir plus

Ces plantes OGM vont-elles résoudre la faim dans le monde ?

Article de Céline Deluzarche publié le 07/01/2019

En corrigeant un « défaut » majeur de la photosynthèse, des chercheurs sont parvenus à faire pousser des plants de tabac 40 % plus grands. Ils espèrent étendre cette technique aux principales cultures alimentaires (riz, soja...). Cette dernière pourrait répondre aux défis des besoins croissants en nourriture. Utopie ou révolution agricole ?

« Nous avons réussi à « hacker » la photosynthèse », se félicite Amanda Cavanagh, biologiste à l'université de l'Illinois. Cette post-doctorante et ses collègues ont annoncé, ce 4 janvier dernier dans le magazine Science avoir réussi une percée majeure dans la productivité des plantes, permettant de doper leur rendement de 40 %.

La photorespiration, un « concurrent » néfaste de la photosynthèse

Au coeur de la photosynthèse figure une enzyme appelée Rubisco, qui permet aux cellules de produire des glucides à partir du dioxyde de carbone et de l'eau en présence de lumière. Mais cette enzyme a évolué dans des organismes vivant il y a des milliards d’années, lorsque les niveaux d'oxygène de l'atmosphère étaient plus bas. Aujourd'hui, elle s'avère d'une grande inefficacité : elle confond les molécules d'oxygène avec les molécules de CO 2 environ 20 % du temps. Une erreur qui aboutit à la formation de glycolate et d'ammoniac, deux composés toxiques qui doivent être dégradés rapidement avant qu'ils ne causent trop de dégâts. Pour cela, la plante met en oeuvre un processus concurrent de la photosynthèse, appelé photorespiration, qui lui permet de se débarrasser de ces poisons. « Le problème est que cela coûte à la plante une énergie et des ressources précieuses qu'elle aurait pu investir dans la photosynthèse pour produire plus de croissance et de rendement », explique Paul South, le chef du projet, dans le Financial Times.

Amanda Cavanagh, Paul South et Donald Ort, de l’université de l’Illinois, dans leur champ de tabac génétiquement modifié. © Claire Benjamin, Ripe Project

148.000 milliards de calories perdues, chaque année, aux États-Unis par la photorespiration

Toutes les grandes céréales appelés C3 (blé, soja, riz...) ont ainsi recours à la photorespiration. Or, non seulement elles représentent les trois quarts des cultures qui fournissent les calories nécessaires à l'alimentation mondiale, mais « la Rubisco commet encore plus d'erreurs quand il fait chaud, ce qui aboutit à plus de photorespiration », explique Amanda Cavanagh. Le réchauffement climatique risque donc de faire baisser les rendements dans les années à venir. Éliminer la photorespiration apparaît alors comme la solution miracle : selon une précédente étude de 2016 parue dans Annual Review of Plant Biology, cela permettrait d'améliorer les rendements de soja de 36 % et de blé de 20 % mais également, de produire chaque année 148.000 milliards de calories supplémentaires de ces cultures pour la même surface aux États-Unis.

Des chercheurs de l’université de l’Illinois ont court-circuité les processus de photorespiration (ici représentés par la voiture rouge) pour parvenir à une photosynthèse plus efficace. © Ripe Project

Compte tenu de l'augmentation de la population, de l'urbanisation et des modifications des choix alimentaires, il faudra augmenter la production de 50 % à l'horizon 2050, estime la FAO (l'Organisation des Nations Unies pour l'alimentation et l'agriculture). Or, la hausse de productivité des cultures n'est pas suffisante à l'état actuel pour atteindre cette cible. Cela signifie qu'il faudra accroître les surfaces cultivées, quitte à amputer les forêts qui contribuent pourtant à limiter le réchauffement climatique.

Doper la photosynthèse : le graal des chercheurs en génétique

Cela fait de nombreuses années que les chercheurs du monde entier s'échinent à améliorer le processus de photosynthèse. En 2016, les chercheurs avaient déjà réussi à faire pousser du tabac 20 % plus grand, en permettant aux plantes d'utiliser plus efficacement la lumière. D'autres études ont été menées sur l'utilisation de gènes d'algues vertes ou de cyanobactéries pour concentrer le dioxyde de carbone autour de la Rubisco et favoriser ainsi son activité carboxylase. Certains efforts ont aussi porté sur l'amélioration de la dégradation du glycolate.

À gauche : un plant de tabac normal. À droite, les plantes de tabac génétiquement modifiés 40 % plus grands. © Claire Benjamin/Ripe Project

Finalement, Paul South et ses collègues ont exploré une troisième voie, en ajoutant un gène d'algue Chlamydomonas et une malate synthase provenant d'une citrouille pour produire une enzyme bloquant le transport de réactifs à l'intérieur de la cellule et emprisonner le glycolate dans le chloroplaste. Libéré, le carbone perdu peut alors être utilisé par la plante pour la photosynthèse. Les essais sur des plants de tabac cultivés en champ ont montré des plantes poussant plus rapidement et 40 % plus grandes. « C'est une avancée extrêmement importante, le premier progrès majeur dans la photosynthèse », reconnaît Maureen Hanson, biologiste à l'université de Cornell, qui a également conduit des recherches sur le sujet.

Une technologie en accès libre pour les petits exploitants

Cette réussite couronne cinq ans d'efforts du programme RIPE (Realising Increased Photosynthetic Efficiency), un partenariat entre plusieurs universités américaines, européennes et chinoises pour améliorer la photosynthèse. La fondation Bill & Melinda Gates, la Fondation américaine pour l'Agriculture et la Recherche et le département britannique du Développement international y ont investi conjointement 70 millions de dollars. Comme le stipule la charte de la fondation Gates, toutes les avancées issues du projet seront mises gratuitement à disposition des petits exploitants agricoles, en particulier, en Afrique subsaharienne et en Asie du Sud-Est.

Après le tabac, les chercheurs comptent étendre leur technique aux légumes et grandes cultures céréalières, comme le soja, le maïs ou le blé. © Andri Podilnyk, Unsplash

Les recherches ont été menées sur la tabac, une plante communément utilisée comme modèle pour les expériences scientifiques car son génome est parfaitement connu. De toute évidence, cela n'a pas grand intérêt en terme commercial. C'est pourquoi les chercheurs comptent à présent étendre leurs essais à la pomme de terre, relativement proche, la dolique (une sorte de haricot grimpant), puis à la tomate, au soja, au riz et aux autres céréales.

De nombreux obstacles scientifiques et réglementaires

Il reste néanmoins un long chemin avant de voir des champs de « superblé » pousser dans nos campagnes. « Il faudra au moins 10 à 15 ans ans avant d'obtenir les premières autorisations de mise sur le marché», reconnaît Paul South. Plusieurs questions restent également en suspens. Obtiendra-t-on réellement plus de graines de soja et de tomates ou bien la plante se contentera-t-elle de produire des feuilles et des tiges en masse ? D'autre part, le processus de photorespiration n'est pas totalement inutile pour les plantes : il lui permet de se protéger en cas de rayonnement solaire intensif par transfert de photons. Elle jouerait également un rôle important dans la synthèse d'acides aminés. De plus, la photosynthèse n'est, et de loin, pas le seul processus impliqué dans la croissance des plantes : la disponibilité en eau, en azote et en nutriments jouent également un rôle majeur.

Enfin, on peut également s'inquiéter des risques de dissémination génétique ou de disparition d'espèces : de telles « superplantes » auraient vite fait de prendre l'avantage sur les variétés naturelles. Même à supposer que l'on réussisse à transposer cette modification génétique à toutes les plantes, on peut s'interroger sur l'attitude des consommateurs à leur égard, tant la méfiance face aux OGM semble ancrée en Europe et ailleurs dans le monde.

Cela vous intéressera aussi