Des chercheurs montrent un potentiel d’amélioration de l’efficacité de l’utilisation de l’eau dans les plantes cultivées en plein champ

Le déficit en eau est actuellement l’un des facteurs limitants les plus importants de la productivité agricole mondiale, un facteur encore exacerbé par le changement climatique mondial, selon un rapport sur l’eau de 2019 de l’Organisation des Nations Unies pour l’alimentation et l’agriculture (FAO). En conséquence, des chercheurs du monde entier ont travaillé pour améliorer l’efficacité de l’utilisation de l’eau dans les cultures afin de mieux faire face aux conditions de pénurie d’eau.

Dans une étude récente publiée dans le Journal de botanique expérimentaleune équipe de l’Université de l’Illinois, du Volcani Center (Organisation de recherche agricole, Israël) et de l’Université de Cambridge ont découvert qu’en surexprimant une enzyme de détection du sucre, appelée hexokinase, dans les plants de tabac cultivés en plein champ, ils pouvaient améliorer l’eau intrinsèque -utiliser l’efficacité (iWUE) sans diminuer les taux de photosynthèse ou la production de biomasse.

Le tabac a été utilisé comme culture modèle parce qu’il est relativement facile de travailler en laboratoire, en serre et sur le terrain. Les résultats dans cette culture peuvent être observés à un rythme beaucoup plus rapide que dans les cultures vivrières, qui sont plus difficiles et plus longues à modifier et à cultiver. Par conséquent, le tabac a été choisi comme culture test initiale pour voir si des résultats similaires pouvaient être prouvés. Après avoir montré le succès de la culture modèle, les chercheurs peuvent ensuite refléter en toute confiance les développements des cultures vivrières, telles que le manioc, le niébé, le riz et le soja.

Cette étude démontre le potentiel de générer des plantes avec une utilisation de l’eau plus conservatrice tout au long de la saison de croissance dans des conditions de terrain et une limitation modérée de l’eau, sans pénalité de rendement significative. Pour les agriculteurs, cela pourrait réduire l’épuisement de l’eau du sol tout au long de la saison de croissance et réduire la dépendance à l’irrigation.

Ce travail s’inscrit dans le cadre de Réaliser une efficacité photosynthétique accrue (RIPE), un projet de recherche international qui vise à augmenter la production alimentaire mondiale en développant des cultures vivrières qui transforment plus efficacement l’énergie solaire en nourriture.

Au cours de la photosynthèse, les plantes ouvrent de minuscules pores dans leurs feuilles, appelés stomates, pour absorber le CO₂. Cependant, lorsque les pores sont ouverts, l’eau peut également s’échapper par transpiration. Cela laisse les plantes avec un compromis entre perdre trop d’eau pour absorber du CO₂.

« Les pores stomatiques consistent en une paire de cellules de garde qui contrôlent l’ouverture et la fermeture des pores », a déclaré Liana Acevedo-Siaca, qui a dirigé cette étude à l’Illinois pendant son séjour en tant que chercheuse postdoctorale. « Des études antérieures ont montré que la manipulation génétique des éléments de signal qui déclenchent le mouvement stomatique, comme la surexpression d’Arabidopsis Hexokinase 1 (AtHXK1) dans les cellules de garde, peut stimuler la fermeture stomatique et ajuster ce compromis pour les plantes. » Acevedo-Siaca travaille maintenant en tant que scientifique associée dans le programme mondial du blé au Centre international d’amélioration du maïs et du blé (CIMMYT) au Mexique.

Il a été précédemment montré que l’expression ciblée de AtHXK1 sur les cellules de garde peut améliorer la WUE dans les cultures, ainsi que leur tolérance aux conditions de sécheresse et au stress de salinité, car l’hexokinase signale aux pores qu’il y a suffisamment de sucre, éliminant ainsi le besoin de fixer plus de CO₂. Cependant, ces études antérieures n’ont été évaluées que sur des cultures cultivées dans des environnements contrôlés, tels que des serres.

« Pour améliorer notre compréhension des avantages potentiels de l’AtHXK1 ciblé sur les cellules de garde, notre étude a utilisé deux lignées transgéniques homozygotes exprimant AtHXK1 et une lignée qui présentait une surexpression d’AtHXK1 ciblée sur les cellules de garde qui ont été évaluées par rapport à des cellules de type sauvage cultivées sur le terrain. tabac pour tester WUE pour les traits liés à la photosynthèse et au rendement », a déclaré Johannes Kromdijk, professeur adjoint à l’Université de Cambridge, qui a commencé cette étude en 2018.

« Nos résultats ont confirmé que la surexpression constitutive d’AtHXK1 diminue la productivité. Nous avons également montré que la surexpression d’AtHXK1 ciblée sur les cellules de garde pouvait améliorer l’iWUE par rapport au type sauvage sans affecter négativement l’assimilation du CO₂. Pourtant, cette différence dépendait fortement de l’âge des feuilles, et les précipitations récentes pourraient éliminer les différences de performances. »