L’engrais azoté est fabriqué à partir de gaz naturel. L’extraction et la combustion du gaz naturel nuisent à la vie sur notre planète, nous devrions donc probablement arrêter de le faire (ou du moins essayer de réduire considérablement). Mais les cultures vivrières, comme toutes les plantes, ont besoin de cet azote. C’est toute une énigme, d’autant plus que la population humaine qui dépend de ces cultures devrait augmenter au cours des prochaines décennies, tandis que la superficie des terres arables devrait baisser.
En réponse, des ingénieurs généticiens en Chine ont développé des cultures qui peuvent prospérer avec moins d’azote, et ils ont créé une variété de riz avec un rendement de 40 à 70 % supérieur à celui du riz ordinaire. Il a plus de grain par branche, chaque particule de grain est plus grosse et plus dense, et les plantes fleurissent plus tôt. La plupart des méthodes de sélection actuellement utilisées dans les cultures céréalières ne peuvent générer qu’une augmentation de rendement de moins de 1 %, c’est donc un gros problème.
Un gène en modifie plusieurs
Les scientifiques ont commencé par étudier des protéines appelées facteurs de transcription, qui contrôlent souvent l’expression d’un ensemble de gènes souvent impliqués dans divers aspects d’une même fonction physiologique. Dans ce cas, l’accent a été mis sur les facteurs de transcription déjà connus pour réguler la photosynthèse.
Pour trouver la cible parfaite, les chercheurs ont passé au crible un ensemble de 118 facteurs de transcription précédemment identifiés pour réguler la photosynthèse dans le riz et le maïs afin de trouver ceux qui étaient également régulés positivement en réponse à la lumière et à de faibles niveaux d’azote. Lorsqu’ils en ont trouvé un, ils ont généré des lignées de riz transgéniques qui en ont produit beaucoup. Surexprimer un facteur de transcription comme celui-ci au lieu des gènes individuels qu’il contrôle, c’est comme exiger de parler au responsable au lieu d’être ballotté entre divers représentants du service client dans différents départements.
Les plants de riz obtenus ont été placés dans des champs aux conditions environnementales différentes : champs tempérés près de Pékin, champs tropicaux dans la province de Hainan et champs subtropicaux dans la province du Zhejiang.
Au cours de trois années, tous les plants de riz ont présenté une capacité photosynthétique accrue et une meilleure efficacité d’utilisation de l’azote. Ils avaient plus de chlorophylle et des chloroplastes plus nombreux et plus gros que le riz de type sauvage. Ils avaient également une absorption d’azote plus efficace dans leurs racines que le riz de type sauvage, et ils avaient un transport plus efficace de cet azote de leurs racines à leurs pousses que le riz de type sauvage. Cela a augmenté leur rendement en grain, même lorsque les plantes ont été cultivées avec moins d’engrais azoté.
D’autres expériences ont été faites avec des plantes transgéniques cultivées en culture hydroponique et dans des rizières, et elles se sont également bien comportées. Surexprimer le même facteur de transcription dans une souche de riz plus sophistiquée (japonica, par opposition au plébéien Oryza sativa qui a été utilisé dans la majeure partie des autres expériences) ainsi que dans le blé et Arabidopsis (l’organisme modèle le plus couramment utilisé en biologie végétale) eu des effets similaires sur ces plantes importantes.
Effets en aval
Ce facteur de transcription régule à la hausse l’activité de 345 gènes, dont la plupart sont connus pour répondre au sel, à la sécheresse et au froid. Lorsque les scientifiques ont surexprimé l’un de ces gènes, l’un impliqué dans la floraison précoce, les plantes ont fleuri plus tôt, mais elles étaient rabougries et présentaient des rendements en grains réduits. Ceci est probablement dû au fait que le caractère de floraison précoce, isolé de l’utilisation accrue de carbone et d’azote conférée par le facteur de transcription, n’a pas permis aux plantes d’accumuler des ressources suffisantes dans leur temps de croissance raccourci.
Les auteurs suggèrent que l’édition du génome pourrait être utilisée plutôt que les techniques transgéniques sur lesquelles ils s’appuyaient pour surexprimer ce facteur de transcription dans d’autres cultures afin qu’elles puissent elles aussi obtenir un rendement plus élevé. De tels cultivars pourraient être utiles dans les cas où les saisons de croissance et l’espace sur le terrain peuvent devenir limités et les engrais azotés peuvent devenir rares – par, vous savez, des scénarios rares comme les incendies de forêt, les inondations et les sécheresses. Et la guerre.
Sciences, 2022. DOI : 10.1126/science.abi8455