Les mutations génétiques qui ont rendu possible la culture du riz

Le riz est depuis longtemps un aliment de base au Japon et dans d’autres régions d’Asie. Les résultats d’une nouvelle étude menée par une collaboration de recherche internationale suggèrent que l’émergence de riz cultivé à partir de plants de riz sauvage est le résultat de trois mutations génétiques qui font que les graines (c’est-à-dire les grains de riz) tombent moins facilement de la plante.

Au cours de leurs recherches, les chercheurs ont découvert que chacune des trois mutations individuellement avait peu d’effet, mais lorsque les trois mutations sont présentes, les panicules du plant de riz conservent davantage leurs graines, ce qui se traduit par un meilleur rendement des cultures.

On pense que la domestication du riz sauvage a commencé lorsque nos ancêtres ont découvert et commencé à cultiver des plants de riz qui ne perdent pas facilement leurs graines, ouvrant la voie à une production de riz stable. On espère que ces résultats de recherche pourront contribuer à de futures améliorations de la facilité avec laquelle les graines de riz tombent (c’est-à-dire faciliter le battage de la culture) et au développement de cultivars de riz à haut rendement où chaque grain peut être récolté, réduisant ainsi les déchets.

Cette découverte a été faite par une collaboration internationale qui comprenait des chercheurs de la Graduate School of Agriculture de l’Université de Kobe (Japon), de l’Institut national de génétique (Japon), de l’University College London (Royaume-Uni), de l’Université de Warwick (Royaume-Uni), de l’Université agricole de Yezin ( Myanmar) et l’Institut cambodgien de recherche et de développement agricoles.

Oryza sativa (souvent appelé riz asiatique en anglais) est largement cultivé et consommé dans le monde entier. On sait qu’il provient de la mauvaise herbe du riz sauvage Oryza rufipogon. On pense que le riz a commencé à être cultivé lorsque les chasseurs-cueilleurs des temps anciens ont choisi des plants de riz sauvage individuels qui avaient des caractéristiques appropriées à cette fin. Les plants de riz sauvage effectuent un processus d’éclatement des graines qui disperse leurs graines, leur permettant de se propager efficacement.

Cependant, lors de la culture du riz, cet égrenage doit être supprimé afin d’obtenir une récolte stable. En 2006, le gène sh4 a été découvert : ce gène est nécessaire au début de l’éclatement des graines chez les plantes dont le riz, et il a été proposé qu’une mutation de ce gène permette la culture du riz.

Cependant, l’équipe de recherche actuelle a montré que cette mutation sh4 seule est insuffisante pour empêcher la perte par éclatement des graines, ce qui suggère que d’autres mutations génétiques sont également impliquées. En mettant l’accent sur l’histoire ancienne de la culture du riz, cette étude a réuni des spécialistes de la génétique végétale, de l’archéobotanique et de la mécanique structurale pour élucider comment l’augmentation des rendements du riz a pu être cultivée.

L’éclatement des graines est causé par une structure appelée couche d’abscission qui se forme à la base de chaque graine de riz. Les chercheurs ont découvert qu’une seule substitution de nucléotide (de la cytosine à la thymine) dans l’ADN du gène qSH3 est nécessaire pour inhiber la couche d’abscission, en plus de la mutation du gène sh4 susmentionnée. Cette mutation du gène qSH3 se retrouve dans les principaux types de riz cultivés dans le monde (indica et japonica).

Les mutations individuelles liées à l’éclatement des graines, par exemple dans les gènes sh4 et qSH3, ne peuvent pas à elles seules empêcher l’éclatement des plants de riz sauvage. Cependant, les chercheurs ont découvert que lorsque les mutations sh4 et qSH3 étaient combinées, cela inhibait partiellement la formation de la couche d’abscission, nécessaire à l’éclatement des graines. Malgré cela, ils ont conclu qu’une si petite inhibition ne serait pas suffisante pour produire un rendement de culture stable, car les graines tombent facilement dans un environnement naturel. Ainsi, ils ont décidé de se concentrer ensuite sur la forme de la panicule. La panicule fait référence aux grappes de fines branches au sommet du plant de riz qui portent les graines.

Le riz sauvage a une structure paniculaire ouverte qui permet aux graines de tomber facilement. Par hybridation, les chercheurs ont produit 8 plants de riz sauvage, chacun avec une combinaison différente de trois mutations génétiques : une mutation au niveau du SPR3 qui provoque la fermeture des panicules et les mutations sh4 et qSH3 susmentionnées. Ils ont ensuite étudié le rendement de chaque plante. Ils ont constaté que les mutations individuelles avaient peu d’effet et que même la combinaison de deux mutations n’entraînait pas une augmentation importante du rendement. Cependant, lorsque les trois mutations génétiques étaient présentes, le rendement augmentait de façon exponentielle.

Une analyse de la mécanique structurale de l’altération de la panicule fermée et de l’inhibition de la couche d’abscission a révélé une relation complémentaire entre les deux. La charge de gravité sur la couche d’abscission de la base des graines est plus faible dans les plantes à panicule fermée que dans les plantes à panicule ouverte, ce qui entraîne potentiellement un rendement encore plus élevé en réduisant davantage l’éclatement des graines. Le « comportement sans éclatement des graines » causé par les mutations sh4 et qSH3 et les « panicules fermées » causées par la mutation SPR3 sont des caractéristiques totalement indépendantes, mais la collaboration fortuite entre ces caractéristiques est considérée comme ce qui a permis au riz de devenir une culture.

Dans la parabole des trois flèches, le seigneur de guerre japonais du XVIe siècle MORI Motonari a donné une flèche à chacun de ses trois fils et ils ont pu facilement casser les flèches individuelles. Cependant, un faisceau de trois flèches est plus fort et en montrant à ses fils que trois flèches ensemble ne pouvaient pas être brisées, il a expliqué que les trois devaient travailler ensemble pour gouverner la terre. Dans les cultivars de riz, trois mutations qui ont peu d’effet par elles-mêmes travaillent ensemble, un tremplin important vers le succès du riz en tant que culture.

Le riz est une source d’énergie quotidienne pour les gens depuis des milliers d’années et certains cultivars de riz japonais sont considérés comme des œuvres d’art culturelles. Ces résultats de recherche révèlent non seulement le mécanisme d’éclatement des graines, mais ils nous donnent également un aperçu de la longue histoire derrière l’amélioration de la riziculture.

Même si le riz est une culture essentielle dans le monde, on ne sait toujours pas exactement comment il a été domestiqué. Les progrès des techniques agricoles se sont accompagnés du développement de cultivars de riz qui perdent de moins en moins facilement leurs graines, suggérant que l’acquisition d’un comportement de non-égrenage est le résultat de multiples mutations génétiques.

On espère qu’en étudiant plus avant ces mutations, le processus de culture du riz pourra être élucidé. De plus, la quantité d’éclatement des graines pourrait être contrôlée en utilisant des gènes avec plusieurs de ces mutations, conduisant au développement de nouveaux cultivars de riz où toutes les graines produites par la plante peuvent être récoltées.

La recherche a été publiée dans Actes de l’Académie nationale des sciences.