Les plantes passent toute la journée à créer de la nourriture à partir de la lumière du soleil en utilisant la photosynthèse – un processus de plus de 100 étapes sur lequel les chercheurs ont travaillé pour améliorer son efficacité dans les cultures afin d’obtenir finalement plus de rendement. Lorsque les feuilles des cultures sont en plein soleil, comme dans les grands champs, leurs molécules de chlorophylle verte reçoivent plus d’énergie lumineuse qu’elles ne peuvent en utiliser. Si cette énergie n’est pas dissipée des molécules, elles réagiront avec l’oxygène pour produire des agents de blanchiment qui peuvent détruire la feuille, coûtant aux plantes jusqu’à 10 à 30 % de leur capacité à photosynthétiser.
Les plantes ont cependant évolué pour développer plusieurs mécanismes photoprotecteurs pour prévenir les dommages, appelés extinction non photochimique (NPQ) des états excités de la chlorophylle. En accélérant le processus de relaxation du NPQ, les chercheurs pourraient potentiellement augmenter l’efficacité de la photosynthèse dans les cultures.
Dans une étude récente, publiée dans le Journal des expériences visualiséesdes chercheurs RIPE de l’Université de l’Illinois et de l’Université de Cambridge ont rapporté une méthode à haut débit pour le dépistage des taux de relaxation NPQ dans les plantes cultivées sur le terrain, avec le potentiel d’aider à l’identification des génotypes avec des caractéristiques bénéfiques en développant une modulation d’amplitude d’impulsion (PAM) analyse de la fluorescence de la chlorophylle.
« Le NPQ peut être mesuré à l’aide d’une variété de fluoromètres PAM disponibles dans le commerce, des simples appareils portatifs aux systèmes fermés plus avancés », a déclaré Dhananjay Gotarkar, chercheur postdoctoral à l’Illinois, qui a dirigé ce travail pour un projet de recherche appelé Réaliser une augmentation de la photosynthèse. Efficacité (RIPE). « Il y a une limite à l’utilisation de plusieurs de ces approches en raison de son débit relativement faible, ce qui rend difficile le criblage de grandes collections de plantes sans plusieurs appareils et une équipe de chercheurs. »
RIPE est 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 avec le soutien de la Fondation Bill & Melinda Gates, de la Fondation pour la recherche sur l’alimentation et l’agriculture et du Royaume-Uni Foreign, Commonwealth & Development Bureau.
S’appuyant sur des recherches antérieures, l’équipe a utilisé l’analyse de fluorescence de la chlorophylle PAM des disques foliaires pour le criblage à haut débit des taux de relaxation NPQ dans le soja cultivé au champ, ce qui présente l’avantage clé par rapport à l’analyse séquentielle de plantes individuelles.
« Étant donné que les mesures conventionnelles sont effectuées sur une base par plante, l’utilisation de cette procédure ouvre la possibilité de tester des centaines de génotypes en une journée et la possibilité d’effectuer des études d’association à l’échelle du génome », a déclaré Steven Burgess, auteur de cette étude. « Ce protocole est conçu pour analyser le soja cultivé en plein champ, mais il peut être modifié pour l’échantillonnage et la mesure du matériel cultivé en serre ou d’autres plantes supérieures. »
Dans leur article, l’équipe de chercheurs a exposé son protocole de la plantation de graines à l’été 2021 à la collecte d’échantillons de feuilles sur le terrain et au traitement et à la mesure des données de fluorescence de la chlorophylle NPQ. L’équipe a constaté que pour obtenir des mesures fiables de NPQ, plusieurs composants doivent être pris en considération, tels que le choix et la manipulation des disques foliaires. Par exemple, une manipulation brutale avec une pince à épiler pourrait introduire un stress dans le tissu foliaire, et les taux d’activation et de relaxation du NPQ peuvent varier avec l’âge des feuilles et le stade de développement de la plante, qui sont tous des éléments à surveiller pour réduire le bruit expérimental.
« En identifiant les principaux goulots d’étranglement qui entravent l’efficacité de la photosynthèse, nous pouvons déterminer comment aider les plantes à pousser de manière plus productive », a déclaré Johannes Kromdijk, maître de conférences à l’Université de Cambridge, qui a contribué à cette étude. « Cette approche implique des moyens plus rapides d’analyser les données et l’analyse de fluorescence de la chlorophylle PAM est une technique puissante pour mesurer l’efficacité photosynthétique, nous fournissant un moyen de mesurer simultanément de nombreux génotypes. »
Dhananjay Gotarkar et al, Analyse à haut débit de la trempe non photochimique dans les cultures à l’aide de la fluorométrie de chlorophylle à modulation d’amplitude d’impulsion, Journal des expériences visualisées (2022). DOI : 10.3791/63485