En étudiant des variétés de tomates qui produisent des fruits lors de saisons de croissance exceptionnellement chaudes, des biologistes de l’Université Brown ont identifié la phase du cycle de croissance pendant laquelle les tomates sont les plus vulnérables à la chaleur extrême, ainsi que les mécanismes moléculaires qui rendent les plantes plus tolérantes à la chaleur.
La découverte, détaillée dans un étude dans Biologie actuellepourrait éclairer une stratégie clé pour protéger l’approvisionnement alimentaire face à l’instabilité climatique, ont déclaré les chercheurs. La productivité agricole est particulièrement vulnérable au changement climatique, note l’étude, et la hausse des températures devrait réduire les rendements des cultures de 2,5 à 16 % pour chaque degré Celsius supplémentaire de réchauffement saisonnier.
Les scientifiques ont tiré quelques leçons de l’évolution pour expérimenter la meilleure façon d’accélérer le processus d’adaptation des variétés de plants de tomates, a expliqué l’auteur de l’étude Sorel V. Yimga Ouonkap, chercheur associé en biologie moléculaire, biologie cellulaire et biochimie à Brown. Il faudrait beaucoup de temps pour attendre que l’évolution élimine les variétés de tomates vulnérables comme Heinz au profit de celles qui peuvent supporter une chaleur extrême, un processus qui pourrait également mettre en péril les qualités qui rendent les cultures vulnérables commercialement souhaitables.
« Nous essayons de comprendre la thermorégulation au niveau moléculaire et cellulaire, et d’identifier ce que nous devons améliorer et où, afin de pouvoir cibler ceux des cultivars de plantes commerciales et tout conserver à leur sujet, à l’exception de cet aspect qui les rend vulnérables à chaleur extrême », a déclaré Ouonkap. « Au fil du temps, vous pouvez commencer à accumuler différents mécanismes de résistance à mesure que les conditions de croissance continuent de changer. »
Comprendre la thermotolérance, ou la capacité d’une plante à résister à des températures extrêmes, est une stratégie prometteuse pour aborder l’adaptation au climat, a déclaré l’auteur de l’étude Mark Johnson, professeur de biologie à Brown.
« Imaginez si vous pouviez simplement rendre une tomate Heinz plus résistante au stress thermique sans affecter le profil de saveur ou la façon dont les gens ressentent la tomate », a déclaré Johnson. « Ce serait un grand avantage. »
La reproduction végétale : un domaine propice à la recherche
La phase de reproduction des plantes est au centre des recherches du laboratoire de Johnson depuis de nombreuses années. Alors que la littérature scientifique comprend des études sur la façon dont le stress thermique affecte la croissance des plantes en général ou le développement des structures de reproduction clés, il y a une absence de travaux examinant spécifiquement ce qui se passe après que le pollen se pose sur le stigmate pendant la reproduction des plantes, a déclaré Johnson.
Pour le projet de thèse d’Ouonkap, il s’est concentré sur la phase de croissance du tube pollinique du cycle de reproduction des plantes. Il a étudié différents cultivars de plants de tomates connus pour leur capacité à produire des fruits lors de saisons de croissance exceptionnellement chaudes. Les variétés de tomates étudiées étaient originaires des Philippines, de Russie et du Mexique et étaient toutes cultivées aux États-Unis. Centre de l’environnement végétal chez Brown.
En collaboration avec des scientifiques de l’Université de l’Arizona, Ouonkap a étudié comment le stress thermique affecte la capacité du pollen à se développer dans la fleur du plant de tomate. Il s’est concentré sur la manière dont l’expression des gènes change lorsque le pollen de tomate produit par des plantes poussant dans des conditions de serre optimales est exposé à des températures élevées lors de leur croissance dans une boîte de Pétri.
Les partenaires de l’équipe en Arizona ont découvert que l’exposition à des températures élevées uniquement pendant la phase de croissance du tube pollinique limite de manière plus significative la production de fruits et de graines chez les cultivars de tomates sensibles à la chaleur que chez ceux tolérants à la chaleur. Plus important encore, Ouonkap a découvert que les tubes polliniques de la variété de tomate Tamaulipas, connue pour être tolérante à la chaleur, ont amélioré leur croissance à haute température. Son analyse moléculaire du tube pollinique de ces tomates a permis à l’équipe de recherche d’identifier les mécanismes associés à la thermotolérance.
Les tomates sont un organisme idéal pour ce type de recherche, ont indiqué les chercheurs. La capacité des différentes variétés à s’adapter à une variété de climats extrêmes offre aux scientifiques un aperçu de la façon dont les espèces varient dans leurs réponses aux conditions environnementales. Les tomates constituent également une culture commerciale importante dans des pays du monde entier, de la Méditerranée à l’Égypte, en passant par la Turquie et la Californie, dont certains sont parmi les plus vulnérables aux conditions de chaleur extrême.
Une fois les bons mécanismes moléculaires identifiés, la prochaine étape consisterait à déterminer des techniques spécifiques permettant la croissance des tomates dans différents climats. Dans un scénario hypothétique, les scientifiques pourraient développer une petite molécule qui pourrait amorcer le pollen des plantes pour qu’elles puissent résister à une vague de chaleur, a expliqué Johnson.
« Lorsque les prévisions météorologiques indiquaient deux semaines de températures élevées pendant la phase de croissance du tube pollinique, l’agriculteur appliquait aux plantes un produit qui modifierait l’expression des gènes afin que le pollen soit résistant à la chaleur », a-t-il expliqué.
Bien que ce type de manipulation soit encore loin dans le futur, les chercheurs ont déclaré que ce domaine de recherche est mûr pour l’exploration.
Plus d’informations :
Sorel V. Yimga Ouonkap et al, Les performances améliorées du tube pollinique à haute température contribuent à la production de fruits et de graines thermotolérants chez la tomate, Biologie actuelle (2024). DOI : 10.1016/j.cub.2024.10.025