Le changement climatique rendant les saisons de croissance moins prévisibles, les scientifiques recherchent une nouvelle approche pour renforcer la résilience des cultures

La modification épigénétique des plantes semble prometteuse pour améliorer la sécurité alimentaire – mais nous avons encore beaucoup à apprendre

Par Allison Gacad pour Ensia | @ensiamedia | @allisongacad

Salliée Mackenzie a passé ses étés d’enfance à marcher à travers les vastes champs de tomates rouges, mûres et lumineuses: elles poussent mieux dans la chaleur de son état d’origine, la Californie. Pourtant, les saisons récentes prouvent qu’il peut faire trop chaud pour une tomate.

«Il se trouve juste là, éteint ces petits boutons verts et ne fera rien avec eux, car il ne peut tout simplement pas gérer la chaleur», explique Mackenzie, maintenant professeur de biologie et de sciences végétales à la Penn State University à University. Parc.

Cultiver des légumes n’a jamais été facile, mais le changement climatique augmente le risque. «L’agriculture de marché frais est une proposition qui mord les ongles», explique Mackenzie, dont le père était un distributeur de produits de la côte ouest. « Une pluie au mauvais moment peut anéantir une récolte de tomates, et cela représente des centaines de milliers de dollars. »

Des saisons de croissance de plus en plus imprévisibles sont une menace pour les revenus et les moyens de subsistance non seulement en Californie, où la hausse des températures couplée à des précipitations rares ont pris près de 3 milliards de dollars de péage sur l’industrie agricole de l’Etat, mais aussi dans le monde entier. Maintenant, Mackenzie travaille à faire quelque chose à ce sujet. Alors que les producteurs et les scientifiques recherchent des moyens de rendre les cultures plus résistantes face à de tels défis, elle voit un potentiel prometteur pour exploiter la capacité naturelle des plantes à activer et désactiver rapidement certains gènes en réponse au stress.

Le meilleur des deux mondes

Tradicalement, les sélectionneurs ont utilisé la sélection sélective pour créer des variétés à haut rendement qui peuvent prospérer dans différentes conditions de croissance. Cependant, il y a souvent un compromis entre la sélection pour le potentiel de rendement et la stabilité du rendement, explique Nathan Springer, généticien qui étudie le maïs à l’Université du Minnesota. Il est possible de faire pousser une plante très résistante à la sécheresse, dit-il. Mais au cours d’une année où il n’y a pas de sécheresse, cette race de plante peut « ne rapporter que la moitié. »

Mackenzie et Springer sont tous deux intéressés par le rôle mécanismes épigénétiques – les processus biologiques qui activent et désactivent les gènes – peuvent jouer dans cet équilibre dynamique entre le potentiel de rendement et la stabilité du rendement. Si les sélectionneurs pouvaient améliorer la capacité des plantes à basculer l’interrupteur lorsque les conditions environnementales changent, cela pourrait permettre (par exemple) d’activer des changements physiologiques qui améliorent la tolérance à la sécheresse uniquement lorsque cela est nécessaire, en évitant de nuire à la productivité.

« L’une des théories sur l’épigénétique est, pourrait-on tirer le meilleur parti des deux mondes? » Dit Springer.

Mémoire de stress

À multiplier des plantes plus résilientes, Mackenzie incite une plante à réagir comme si elle était stressée afin d’activer ses mécanismes de survie.

L’astuce de Mackenzie consiste à utiliser Interférence ARN pour faire taire un gène appelé MSH1, qui se trouve dans le plaste de la cellule végétale – un compartiment qui a la capacité de détecter le stress. Elle et ses collègues ont découvert que lorsqu’ils suppriment MSH1 dans une plante mère, la régulation épigénétique entre en jeu et l’expression des gènes est modifiée d’une manière qui lui permet de mieux répondre au stress.

L’équipe de recherche a constaté que le les descendants de cette plante mère héritent de la mémoire de ce «stress»: Eux aussi avaient une expression génique altérée, même sans stress artificiel. Les tomates ainsi traitées se sont améliorées et ont été plus résistantes à la chaleur des conditions de terrain en Floride – avec une augmentation du rendement jusqu’à 35% par rapport à une variété de tomates anciennes.

Mackenzie estime que cette approche peut améliorer la résilience en raison de la vitesse à laquelle elle peut se produire. Les méthodes d’élevage standard pourraient prendre 10 années pour obtenir un résultat similaire, dit-elle. En revanche, en utilisant une approche épigénétique, « je fais cela dans un an », dit-elle.

Non seulement cela, mais parce que ce produit final ne contient pas d’ADN étranger détectable, Mackenzie n’a pas besoin de passer par un long processus de réglementation par le département américain de l’Agriculture que d’autres technologies de sélection des cultures telles que l’édition du génome ou la modification du génome peuvent nécessiter pour le commerce. utilisation.

Springer note cependant qu’il est difficile de déterminer dans quelle mesure ces résultats peuvent être attribués à l’épigénétique. « Il est difficile de confirmer cela », dit-il. « [Mackenzie’s] le laboratoire travaille très dur pour comprendre les mécanismes. »

Tester la technologie

Le succès de la tomate a motivé Mackenzie à essayer une approche similaire dans d’autres cultures, notamment le soja, le sorgho, la luzerne et la fraise. Mais elle dit que des partenariats avec les entreprises sont nécessaires pour tester la technologie dans différentes saisons, environnements et pays.

Springer dit que les sociétés semencières peuvent hésiter à s’engager dans la sélection épigénétique, car un gène désactivé par épigénétique pourrait se réactiver soudainement, compromettant leur engagement à vendre un produit uniforme. Si une culture issue de graines produites par des plantes épigénétiquement modifiées présente plus de variabilité que prévu, dit-il, « vous avez un problème ». Mackenzie maintient, cependant, que les changements épigénétiques qu’elle voit restent constants sur plusieurs générations de plantes.

D’autres chercheurs testent également des approches épigénétiques. Un essai au manioc, une culture de base pour des centaines de millions de personnes dans les pays tropicaux, s’est avéré difficile.

«Le manioc est une culture à très long terme – le cycle de sélection du manioc dure environ huit ans», explique Paul Chavarriaga, scientifique principal de la plateforme de sélection avancée au Centre international d’agriculture tropicale de Cali, en Colombie, qui a collaboré avec Mackenzie sur le manioc. essais. Les premiers résultats étaient prometteurs, mais le financement s’est épuisé avant la fin de l’étude.

Améliorez, pas Supplant

Mackenzie souligne que la manipulation de l’épigénétique n’est pas une solution miracle: elle ne peut pas supplanter la reproduction, mais plutôt l’améliorer.

« Ce n’est pas que vous créez simplement ces variétés et que vous vous éloignez », dit-elle. Comme pour tous les phénomènes épigénétiques, après quelques générations, la plante retrouvera finalement son état non stressé. «Aucun phénomène épigénétique ne durera éternellement, et cela ne devrait pas non plus», dit-elle.

Mackenzie affirme que la sélection épigénétique est importante à poursuivre, étant donné les impacts rapides d’un changement climatique sur l’industrie agricole.

«Étant donné que nous devons accélérer nos progrès aussi rapidement que possible avec autant de cultures que possible, nous avons besoin de percées», dit-elle. «Il n’y a pas de solutions de sélection végétale traditionnelles simples et rapides. Il faut vraiment sortir des sentiers battus. »

Note de l’éditeur: Allison Gacad a écrit cette histoire en tant que participante au Programme de mentorat Ensia. Le mentor du projet était Virginia Gewin. Nathan Springer, qui est cité dans cette histoire, est affilié à l’éditeur d’Ensia, l’Institut sur l’environnement.

Publié à l’origine sur ensia.com le 16 juin 2020.