La sécheresse est l’une des plus grandes menaces pour les systèmes agricoles, entraînant des rendements agricoles imprévisibles, une baisse des revenus agricoles et une augmentation des épidémies. Aux États-Unis seulement, la sécheresse a coûté au pays 249 milliards de dollars depuis les années 1980. Une solution potentielle pour améliorer la résilience des cultures est l’inoculation des semences avec des bactéries, alias. plantes « probiotiques » qui sont connues pour améliorer la tolérance à la sécheresse d’une plante. Alors que les scientifiques ont identifié de nombreux microbes prometteurs en laboratoire, reproduire leur efficacité dans les études agricoles sur le terrain s’avère beaucoup plus difficile, en grande partie en raison des variations environnementales complexes dans le monde réel.
De nouvelles recherches menées par Rebecca Bart, Ph.D., membre associée, Donald Danforth Plant Science Center, et ses collègues ont relevé le défi de combler le fossé entre les études en laboratoire et sur le terrain liées aux interactions cultures-microbiennes et leur influence sur la tolérance à la sécheresse. Leur travail a le potentiel d’accélérer l’adaptation des cultures aux conditions de sécheresse et de rationaliser les résultats du laboratoire pour les agriculteurs sur le terrain. Leur recherche fondamentale a récemment été publiée dans La revue ISME et eVie.
Les auteurs ont adopté une approche au niveau du système pour identifier les microbes qui affectaient la réponse à la sécheresse dans le sorgho, un travail qui s’étendait sur des « environnements stériles et contrôlés » en laboratoire, à des expériences sur le terrain regorgeant de propriétés complexes du sol, d’une topographie inégale et d’une accumulation non uniforme d’humidité de l’eau. . L’équipe a découvert qu’au moins six microbes qui provoquaient des défauts de développement des racines en laboratoire – retardant la hauteur des semis de sorgho – affectaient également négativement la croissance du sorgho sur le terrain.
« La grande avancée ici », a déclaré l’auteur correspondant Bart, « est que nous avons observé des modèles similaires dans un environnement contrôlé et sur le terrain. Ce résultat nous indique que nos observations de laboratoire sont réelles et pertinentes pour l’agriculture. » Étonnamment, l’équipe de recherche a également identifié un nouveau microbe qui favorise la croissance des racines, une caractéristique essentielle pour améliorer la résistance des cultures à la sécheresse.
La recherche, qui s’est déroulée au cours des cinq dernières années, n’a pas été sans défis. « Les variations environnementales font du monde réel un endroit bruyant pour faire de la science », a écrit Jeffrey Berry, premier auteur et scientifique principal des données du Danforth Center. Les auteurs devaient développer un modèle pour tenir compte des variables biologiques confondantes dans les expériences sur le terrain – des facteurs tels que le pH du sol et la teneur en phosphate, qui peuvent varier énormément d’un site à l’autre.
En combinant des ensembles de données géants et multivariés provenant de collaborateurs de plusieurs institutions, notamment de l’Université du Nebraska-Lincoln, de l’Iowa State University, de l’Université de l’État de Washington, de l’Université de Caroline du Nord-Chapel Hill, de l’Université de l’État du Colorado et du Joint Genome Institute, Berry a pu utiliser des modèles informatiques sophistiqués pour comprendre et surmonter les variations sur le terrain.
Le résultat a été un modèle statistique unique en son genre qui tenait compte des propriétés du sol qui influençaient les caractéristiques des cultures et des microbes. Les auteurs pouvaient désormais comparer leurs résultats entre le laboratoire et le terrain sans se soucier de la façon dont les variations environnementales pourraient modifier leurs observations sur le terrain. « Jeff a compris comment connecter des pièces de puzzle vraiment compliquées », a conclu Bart.
En plus de s’attaquer à des statistiques complexes et de collaborer avec des scientifiques de tout le pays, une partie du succès des équipes a été d’avoir accès à l’infrastructure de recherche inégalée du Danforth Center. Par exemple, les auteurs ont utilisé l’installation de phénotypage de la Fondation Bellwether pour visualiser et quantifier l’impact de la sécheresse et des traitements microbiens sur la croissance et le développement du sorgho dans le cadre de leurs expériences contrôlées en laboratoire.
L’équipe commence à reproduire sa méthodologie dans d’autres systèmes de cultures comme le maïs, et les futurs plans de recherche pour ce travail seront hébergés par le nouveau centre SINC (Subterranean Influences on Nitrogen and Carbon) du Danforth Center, co-dirigé par Bart et trois autres Membres du Centre Danforth.
Mingsheng Qi et al, Identification des bactéries bénéfiques et nuisibles ayant un impact sur les réponses du sorgho à la sécheresse à l’aide de comparaisons de microbiomes multi-échelles et multi-systèmes, La revue ISME (2022). DOI : 10.1038/s41396-022-01245-4
Jeffrey C Berry et al, Augmentation des rapports signal sur bruit dans les essais expérimentaux sur le terrain en régressant les propriétés du sol distribuées dans l’espace en tant que composants principaux, eVie (2022). DOI : 10.7554/eLife.70056