Les scientifiques accélèrent les enquêtes élémentaires sur la croissance des plantes et le stockage du carbone dans le sol

Améliorer la capacité des plantes à extraire de l’atmosphère le dioxyde de carbone qui réchauffe la planète et à le stocker sous terre de manière stable et durable est l’objectif d’une équipe de scientifiques du laboratoire national d’Oak Ridge du ministère de l’Énergie. Ils ont récemment démontré l’utilisation d’une méthode analytique basée sur le laser pour accélérer la compréhension des propriétés critiques des plantes et des sols qui affectent la croissance des plantes bioénergétiques et le stockage du carbone dans le sol.

Les chercheurs ont adapté une méthode qui examine la lumière plasma, appelée spectroscopie de dégradation induite par laser, ou LIBS, pour analyser rapidement la distribution des éléments nutritifs dans les racines de la culture bioénergétique, le peuplier. Leur méthode, décrite dans la revue Plante et solfournit des données clés en une fraction du temps avec une meilleure résolution spatiale que les analyses traditionnelles et avec peu ou pas de préparation des échantillons de racines, de tiges et de sol.

Étant donné que les nutriments élémentaires tels que l’azote, le fer et le calcium influencent la transformation et le stockage du carbone dans les sols, le profilage de la distribution élémentaire dans les racines des plantes et les sols plus efficacement avec une résolution plus élevée peut fournir des informations sur les indicateurs et les leviers potentiels pour améliorer la quantité de carbone emprisonnée sous terre.

« Cette méthode accélère l’analyse et comble les lacunes dans les données, accélérant notre capacité à optimiser les performances des plantes et les pratiques de gestion des sols qui sont propices à une meilleure capacité de séquestration du carbone sous le sol », a déclaré Udaya Kalluri de l’ORNL, un biologiste des systèmes végétaux qui travaille à développer des cultures avec une croissance aérienne améliorée et stockage souterrain de carbone.

Déverrouiller la boîte noire

Kalluri décrit le monde souterrain comme « une boîte noire » par rapport à la quantité de connaissances disponibles sur les processus des plantes en surface. Le Centre d’innovation bioénergétique du DOE à l’ORNL, l’un des quatre centres de recherche sur la bioénergie à travers le pays, a apporté de nouvelles connaissances et innovations au cours des 15 dernières années axées sur l’amélioration de la croissance et du rendement des cultures bioénergétiques. De nombreuses autres institutions ont également contribué à cet effort, la plupart des recherches étant axées sur les caractéristiques des plantes aériennes.

Les interactions souterraines plantes-sol qui pourraient améliorer le stockage biologique du carbone sont relativement peu étudiées, et Kalluri est stimulé par les opportunités de développer en collaboration des technologies de mesure pour aider à combler ces lacunes dans les connaissances.

« Il y a un besoin urgent de techniques pour mesurer mieux et plus rapidement afin de combler les lacunes qui existent dans notre compréhension de la variabilité spatio-temporelle des racines des plantes et des systèmes de sol », a déclaré Kalluri.

L’incroyable diversité et complexité des systèmes souterrains pose un défi. Les systèmes racinaires varient en termes d’architecture, d’anatomie et de chimie. La composition du sol diffère considérablement en termes de teneur en humidité, d’acidité, de composition élémentaire, de structure et de populations microbiennes. Ces facteurs peuvent varier considérablement à différentes profondeurs de sol et même entre des parcelles de terrain voisines. Mieux comprendre l’influence de ces facteurs sur le stockage du carbone dans le sol nécessite davantage de données.

« Le fait d’avoir des données rares et mal résolues a limité notre capacité à prédire et à optimiser les performances des plantes et la capacité potentielle de séquestration du carbone des systèmes plantes-sol », a déclaré Kalluri.

Entrez Madhavi Martin, un expert LIBS et responsable du groupe de caractérisation des biomatériaux et de la biomasse à l’ORNL. Martin a été le pionnier de l’utilisation du LIBS pour l’évaluation d’échantillons biologiques au cours des 20 dernières années. Dans cette étude, l’équipe a démontré l’utilisation de LIBS sur des racines de plantes fraîches et des échantillons de sol. Les méthodes précédentes nécessitaient de sécher des échantillons de plantes et de les réduire en poudre dans un processus chronophage qui fournissait des informations moins détaillées sur l’emplacement des nutriments.

Avec cette nouvelle approche de LIBS, le traitement de centaines à des milliers d’échantillons provenant de quelques sites de terrain devient plus réaliste et efficace.

« Être sensible à presque tous les éléments du tableau périodique et fournir une signature élémentaire d’un échantillon en millisecondes fait du LIBS une technique très attrayante pour examiner de grands volumes d’échantillons », a déclaré le chercheur de l’ORNL, Hunter Andrews, un expert du LIBS et le premier auteur du publication.

« En comparant ces signatures élémentaires avec des ensembles de données de variations génétiques chez le peuplier, nous pouvons déterminer la fonction des gènes qui utilisent certains éléments », a déclaré Martin. « Ces nouvelles connaissances peuvent aider à optimiser la séquestration du carbone d’origine végétale et faire progresser notre compréhension des propriétés de la biomasse propices à la production de bioénergie. »

Ann Wymore de l’ORNL a également contribué à l’article intitulé « Distribution rapide in situ des éléments nutritifs dans les plantes et les sols à l’aide de la spectroscopie de dégradation induite par laser (LIBS) ». Cette recherche a été menée par le Centre d’innovation en bioénergie. CBI accélère le développement de plantes et de microbes pertinents pour la bioénergie afin de permettre la production de carburant d’aviation durable, de bioproduits qui séquestrent le carbone et de substituts durables aux plastiques et autres produits nocifs pour l’environnement.