Des scientifiques de l'Université et de la recherche de Wageningen ont découvert une variation génétique naturelle pour la photosynthèse chez les plantes et la démêlent au niveau de l'ADN. En conséquence, il devrait être possible à l'avenir de sélectionner des cultures qui utilisent la photosynthèse plus efficacement, augmentant leur rendement et leur permettant de capter plus de CO2 de l'air dans le sol. Cela représente une étape majeure sur la longue route vers la résolution des défis alimentaires mondiaux et la réalisation de l'accord de Paris sur le climat.

Dirigé par Mark Aarts et Jeremy Harbinson, une équipe de scientifiques a montré que le cresson de thale (une plante modèle commune) possède divers gènes impliqués dans l'adaptation aux changements de la quantité de lumière à laquelle les plantes sont exposées. Leur étude est publiée dans un article de Communication Nature .

Un gène a déjà été étudié en détail. Connu sous le nom de gène Yellow Seedling 1, il est impliqué dans l'adaptation des chloroplastes aux changements de lumière. En raison d'une variation de ce gène, certaines plantes de cresson de thale peuvent supporter une augmentation de la lumière (la différence entre une journée nuageuse et une journée ensoleillée, par exemple) mieux que d'autres. C'est la première fois que cette variation a été trouvée dans le cresson de thale, mais comme les gènes de la photosynthèse sont présents dans presque toutes les espèces végétales, les scientifiques s'attendent à ce qu'une variation similaire puisse également être trouvée dans de nombreuses autres cultures.

La découverte montre qu'il est possible d'améliorer la photosynthèse en se basant sur la variation génétique naturelle, quelque chose dont on doutait jusqu'à présent. À long terme, la reproduction sur la photosynthèse améliorée pourrait faire en sorte que les cultures produisent plus de rendement avec la même quantité de sol, eau et nutriments. Cela amène le concept de « plus » (rendement) « avec moins » (sol, eau et nutriments) un pas de plus.

Certaines plantes adaptent leur système de photosynthèse

Les plantes ont besoin de lumière pour convertir le CO2 et l'eau en sucres et en oxygène. Les sucres constituent la base et la source d'énergie de toutes les substances qu'une plante produit pour se développer. Nous savons depuis un certain temps que les plantes peuvent réagir différemment à la lumière, comme le montre l'efficacité de leur photosynthèse. Les ancêtres des cultures que nous consommons quotidiennement avaient besoin de cette variation pour tirer le meilleur parti des lieux où elles poussaient. Cela leur a permis de se développer aussi bien en plein soleil qu'à l'ombre d'autres plantes.

Alors que la photosynthèse est un processus essentiel pour les plantes, elle présente un risque et exige un niveau élevé de contrôle pour gérer les flux d'énergie. Si une plante est soudainement exposée à trop de lumière, il doit s'adapter à la nouvelle situation. Les plantes se protègent généralement d'une photosynthèse excessive en maintenant diverses marges de sécurité, ce qui signifie que l'adaptation prend plusieurs jours. L'étude des scientifiques de Wageningen montre désormais que certaines plantes peuvent s'adapter plus rapidement que d'autres, et sont ainsi capables d'adapter plus tôt leur système de photosynthèse à leur environnement.

Sélection sur la photosynthèse en élevage

De nos jours, nous élevons des cultures dans un environnement beaucoup plus facile à contrôler que les conditions naturelles d'origine. Par exemple, les plantes reçoivent maintenant suffisamment de nutriments et d'eau, aligné sur une croissance maximale. En raison de l'évolution rapide de l'agriculture au cours du siècle dernier, les plantes n'ont pas encore su s'adapter à ces nouvelles conditions. On pourrait dire qu'ils sont toujours prudents et réagissent relativement lentement aux changements soudains tels qu'une lumière excessive. Les plantes qui peuvent s'adapter plus rapidement aux conditions d'éclairage changeantes pourront utiliser plus efficacement l'eau et les nutriments disponibles, produisant finalement un rendement plus élevé.

Alors, comment se fait-il qu'il y ait si peu de sélection sur une photosynthèse plus efficace dans l'élevage ? On a longtemps pensé que la photosynthèse était naturellement optimisée et que peu de choses pouvaient être gagnées en élevage. De plus, il est très difficile de mesurer la contribution génétique à la variation de la photosynthèse des plantes au champ, rendant difficile la sélection sur la photosynthèse sans connaissance préalable. La photosynthèse étant si sensible aux conditions météorologiques, les variations au champ – même entre plantes génétiquement identiques – sont souvent importantes.

"Nous avons mené nos expériences dans des conditions étroitement contrôlées, nous permettant de minimiser la variation des facteurs environnementaux, " explique Aarts. " Nous avons ensuite mesuré la photosynthèse de toutes les plantes de l'expérience à différents moments de la journée et via une méthode identique, et n'a appliqué qu'un seul facteur de stress :une augmentation ponctuelle de la quantité de lumière. Cela nous a permis de déterminer avec précision la contribution génétique à la façon dont les plantes s'adaptaient à la nouvelle situation de stress. Nous avons utilisé l'un des gènes que nous avons trouvés pour étudier en détail la variation de la séquence d'ADN entre les différentes plantes."

De nouvelles variétés de cultures

Les résultats offrent aux entreprises d'élevage de nouvelles opportunités. Nous savons maintenant que les plantes réagissent à leur manière à la variation de la lumière, et que cela est déterminé dans leur ADN. On ne sait pas encore comment fonctionnent ces adaptations dans la plante, cependant, et des recherches supplémentaires sont nécessaires pour découvrir comment l'amélioration de la photosynthèse affecte la croissance de la plante avant que nous puissions nous concentrer sur la sélection pour cette propriété.