Certaines découvertes se produisent par hasard. Considérez comment le 28 septembre 1928, déplié :Alexander Fleming, de retour au labo après des vacances en famille, triait des boîtes de Pétri sales qui n'avaient pas été nettoyées avant son départ. Une moisissure qui se développait sur l'un des plats attira son attention, et ainsi commença l'histoire du premier antibiotique au monde :la pénicilline.

Récemment, à l'Université du Delaware, les plantes n'ont pas été arrosées un long week-end lors d'une petite expérience de botanique. Cela a maintenant conduit à une conclusion intrigante, en particulier pour les régions du monde durement touchées par la sécheresse - l'Ouest américain, L'Europe , Australie, parties de l'Afrique, Asie du Sud-Est et Amérique du Sud, parmi eux.

Les climatologues disent que nous devrions nous attendre à des sécheresses plus fréquentes et plus graves dans les années à venir, alors que les experts en population prévoient une augmentation d'environ 30 pour cent de la population mondiale, à plus de 9 milliards d'ici 2050. Comment allons-nous produire suffisamment de nourriture pour tout le monde sous de telles pressions, et le faire de manière durable ? Selon cette recherche UD, la réponse se trouve peut-être sous nos pieds.

À la découverte d'un combattant de la sécheresse

Revenons à cette expérience UD. De retour au laboratoire le lundi matin suivant, l'associé postdoctoral a trouvé un plateau de semis flétri, désordre délabré, tandis que l'autre plateau de semis se tenait au garde-à-vous. La seule différence entre les plateaux :le sol des spécimens florissants avait été aspergé de Bacillus subtilis (UD1022), une souche de bactérie découverte il y a plusieurs années à l'UD par une équipe de recherche dirigée par le professeur Harsh Bais du Département des sciences des plantes et des sols.

L'équipe de Bais a déterminé que ces microbes, qui vivent à la surface des racines et dans le sol environnant, déclencher des ouvertures en forme de pores sur les feuilles, appelé stomates, fermer hermétiquement pour empêcher les agents pathogènes d'entrer et pour protéger les plantes de la déshydratation.

Après la publication du Bais lab sur le travail, Professeur Yan Jin, un physicien des sols dans le département, a demandé à Bais de chercher plus en profondeur pour voir si les microbes pouvaient avoir un impact sur le sol qu'ils habitent.

"Il y a une grande lacune dans notre compréhension de la façon dont les microbes bénins peuvent affecter la soi-disant" eau verte "-l'eau dans le sol qui est disponible pour les plantes, " expliqua Jin.

Elle voulait savoir si l'UD1022 pouvait modifier les propriétés du sol—sa structure, chimie, comment les pores du sol sont distribués et comment leur taille change-en relation avec l'approvisionnement en eau verte. Elle voulait savoir exactement ce qui se passait dans le sol et s'est mise à la recherche de la réponse.

Dans un article publié récemment dans Recherche sur les ressources en eau , Jin et son équipe de l'UD, avec des collègues du National Institute of Standards and Technology (NIST), confirment que le microbe bénéfique UD1022 réduit l'évaporation et augmente la capacité du sol à retenir l'eau. Grâce à des techniques de pointe, l'étude fournit des analyses détaillées de la façon dont les microbes interagissent avec les particules du sol pour modifier physiquement l'écosystème souterrain et aider les plantes à tolérer la sécheresse.

Comment les microbes s'accrochent à l'eau

Des expériences ont été faites à la fois dans le laboratoire de l'UD, et en utilisant l'imagerie neutronique à haute puissance au NIST pour scruter le sol et enregistrer ce qui se passait.

Dans une chambre d'environnement fermée à l'UD College of Agriculture and Natural Resources, le chercheur postdoctoral Wenjuan Zheng et l'étudiant à la maîtrise Saiqi Zeng ont travaillé avec deux échantillons de sol à la fois - un échantillon témoin et un échantillon traité avec les microbes UD1022 - et ont mesuré en continu les caractéristiques de rétention d'eau du sol et le taux d'évaporation de l'eau à mesure que le sol était séché dans la chambre. Les expériences ont été faites pour des sols de textures différentes :sable, échantillons de sols sableux et argileux, provenant de la ferme UD et d'une station d'expérimentation agricole à Georgetown, Delaware.

Pour déterminer ce qui se passait dans les échantillons de sol, l'équipe s'est appuyée sur les capacités d'imagerie par radiographie neutronique du NIST.

"Les neutrons peuvent "voir" l'eau, " dit Jin. "Parce qu'ils interagissent fortement avec l'hydrogène, ils fournissent une technique non destructive idéale pour examiner la répartition de l'eau dans des matériaux délicats comme nos échantillons de sol contenant des microbes, en temps réel."

"Nous nous sommes sentis très chanceux d'avoir trouvé le NIST et de pouvoir utiliser leurs installations d'imagerie, " ajouta Jin. " Cette collaboration était essentielle à notre travail. "

De minuscules colonnes étaient remplies de terre—une colonne a été traitée avec les microbes UD1022 et l'autre colonne n'a pas été traitée. Ensuite, les colonnes ont été saturées d'eau, et l'imagerie neutronique a enregistré le processus d'évaporation. Un total de 1, 500 images individuelles ont été prises de chaque échantillon sur une période d'environ neuf heures. Ils ont fourni un aperçu détaillé de la répartition de l'eau dans les échantillons, ainsi que la dynamique d'évaporation en temps réel. Un microscope électronique à balayage (MEB) à haute puissance a permis de découvrir ce que les microbes faisaient dans les échantillons.

Et comment ces minuscules organismes (UD1022) aident-ils le sol à retenir l'eau ?

"Cet effet est causé par la capacité des microbes à former un réseau gélatineux, un biofilm à partir d'un mélange complexe de polysaccharides, protéines, lipide, vitamines et sucres, " dit Zheng, le premier auteur sur le papier. Elle était associée postdoctorale à l'époque et est maintenant chercheuse principale au Département de mécanique et de génie aérospatial de la Southern University of Science and Technology, Chine.

"C'est comme si les bactéries se construisaient ces petites maisons, " a déclaré Zheng.

Le biofilm généré par les bactéries agit comme une colle pour former des "agrégats de sol" qui peuvent retenir plus d'eau dans leurs pores.

Ces micro-organismes et leur matrice gluante peuvent plus que porter leur propre poids. "Il a été démontré qu'ils retiennent l'eau comme une éponge, absorbant 10 fois plus d'eau que leur poids sec, " a noté Zheng. " Ce biofilm naturel modifie les propriétés du sol, entraînant une évaporation plus lente. Cela peut rendre plus d'eau disponible pour les plantes, ainsi que d'augmenter le temps disponible pour que les plantes s'adaptent métaboliquement au stress de la sécheresse."

Alors qu'une grande partie de la côte est des États-Unis a connu un été et un début d'automne gorgés d'eau, d'autres régions du pays et de nombreux autres pays souffrent et dans certains cas, mortelle, sécheresses. Jin espère que l'UD1022 pourra jouer un rôle positif dans l'agriculture dans ces régions arides alors que la population mondiale augmente progressivement.

« Que pouvons-nous faire pour assurer la sécurité alimentaire ? demanda Jin. "Les plantes pourraient être génétiquement modifiées, mais cela prend beaucoup de temps. De nombreuses entreprises vendent des biofertilisants pour surmonter ces problèmes - parfois ils fonctionnent, mais le plus souvent ils ne le font pas. C'est pourquoi une recherche plus fondamentale est essentielle pour nous aider à comprendre les mécanismes à l'œuvre. En comprenant les interactions entre les racines des plantes et le microbiome du sol, une ressource souterraine largement inexploitée, nous espérons développer de nouvelles technologies qui augmenteront la production alimentaire tout en réduisant l'utilisation d'engrais chimiques. »