Comment la lumière et la température agissent ensemble sur la croissance des plantes

Les plantes s’allongent et se plient pour sécuriser l’accès à la lumière du soleil. Bien qu’ils observent ce phénomène depuis des siècles, les scientifiques ne le comprennent pas complètement. Maintenant, les scientifiques de Salk ont ​​découvert que deux facteurs végétaux – la protéine PIF7 et l’auxine, l’hormone de croissance – sont les déclencheurs qui accélèrent la croissance lorsque les plantes sont ombragées par la canopée et exposées à des températures chaudes en même temps.

Les conclusions, publiées dans Communication Nature le 29 août 2022, aidera les scientifiques à prédire comment les plantes réagiront au changement climatique et à augmenter la productivité des cultures malgré la hausse de la température mondiale qui nuit au rendement.

« À l’heure actuelle, nous cultivons des cultures à certaines densités, mais nos résultats indiquent que nous devrons réduire ces densités pour optimiser la croissance à mesure que notre climat change », déclare l’auteur principal, le professeur Joanne Chory, directrice du laboratoire de biologie moléculaire et cellulaire des plantes de Salk et Howard. Chercheur de l’Institut médical Hughes. « Comprendre la base moléculaire de la façon dont les plantes réagissent à la lumière et à la température nous permettra d’affiner la densité des cultures d’une manière spécifique qui conduit aux meilleurs rendements. »

Pendant la germination, les semis allongent rapidement leurs tiges pour percer le sol de couverture afin de capter la lumière du soleil le plus rapidement possible. Normalement, la tige ralentit sa croissance après une exposition au soleil. Mais la tige peut à nouveau s’allonger rapidement si la plante est en concurrence avec les plantes environnantes pour la lumière du soleil, ou en réponse à des températures chaudes pour augmenter la distance entre le sol chaud et les feuilles de la plante. Bien que les deux conditions environnementales – ombre de la canopée et températures chaudes – induisent la croissance des tiges, elles réduisent également le rendement.

Dans cette étude, les scientifiques ont comparé des plantes poussant à l’ombre de la canopée et à des températures chaudes en même temps, une condition qui imite la densité élevée des cultures et le changement climatique. Les scientifiques ont utilisé la plante modèle Arabidopsis thaliana, ainsi que la tomate et un proche parent du tabac, car ils souhaitaient voir si les trois espèces végétales étaient affectées de la même manière par cette condition environnementale.

Dans les trois espèces, l’équipe a constaté que les plantes poussaient extrêmement hautes en essayant simultanément d’éviter l’ombre créée par les plantes voisines et d’être exposées à des températures plus chaudes. Au niveau moléculaire, les chercheurs ont découvert que le facteur de transcription PIF7, une protéine qui aide à « activer » et « désactiver » les gènes, était le principal acteur de la croissance rapide accrue. Ils ont également découvert que l’auxine, une hormone de croissance, augmentait lorsque les cultures détectaient des plantes voisines, ce qui favorisait la croissance en réponse à des températures plus chaudes simultanées. Cette voie synergique PIF7-auxine a permis aux plantes de répondre à leur environnement et de s’adapter pour rechercher les meilleures conditions de croissance.

Un facteur de transcription connexe, PIF4, a également stimulé l’allongement de la tige par temps chaud. Cependant, lorsque l’ombre et l’augmentation des températures étaient combinées, ce facteur ne jouait plus un rôle important.

« Nous avons été surpris de constater que PIF4 n’a pas joué un rôle majeur, car des études antérieures ont montré l’importance de ce facteur dans des situations de croissance connexes », déclare le premier auteur Yogev Burko, chercheur du personnel de Salk et professeur adjoint à l’Organisation de recherche agricole à l’Université. Institut Volcani en Israël. « Le fait que PIF7 soit le moteur dominant de la croissance de cette plante a été une véritable surprise. Grâce à ces nouvelles connaissances, nous espérons affiner cette réponse de croissance chez différentes plantes cultivées pour les aider à s’adapter au changement climatique.

Les chercheurs pensent qu’il existe un autre acteur, encore à découvrir, qui renforce l’effet du PIF7 et de l’auxine. Ils espèrent explorer ce facteur inconnu dans de futures études. Le laboratoire de Burko étudiera également comment cette voie peut être optimisée dans les plantes cultivées.

« Les températures mondiales augmentent, nous avons donc besoin de cultures vivrières capables de prospérer dans ces nouvelles conditions », déclare Chory, qui codirige l’initiative Harnessing Plants de Salk et détient la chaire Howard H. et Maryam R. Newman en biologie végétale. « Nous avons identifié des facteurs clés qui régulent la croissance des plantes pendant les températures chaudes, ce qui nous aidera à développer des cultures plus performantes pour nourrir les générations futures. »

Parmi les autres auteurs figuraient Björn Christopher Willige et Adam Seluzicki de Salk ; Ondřej Novák de l’Université Palacký et de l’Institut de botanique expérimentale de l’Académie tchèque des sciences ; et Karin Ljung de l’Université suédoise des sciences agricoles.