Le trait permet aux racines de mieux capter plus d’eau et de nutriments du sol, d’avoir besoin de moins d’engrais et de résister à la sécheresse


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  • Une nouvelle découverte, rapportée dans une étude mondiale qui a englobé plus d’une décennie de recherche, pourrait conduire à la sélection de cultures de maïs capables de résister à la sécheresse et à des conditions de sol à faible teneur en azote et, en fin de compte, d’atténuer l’insécurité alimentaire mondiale, selon un Penn State-led équipe de chercheurs internationaux.

    Dans des conclusions publiées le 16 mars dans le Actes de l’Académie nationale des sciencesles chercheurs ont identifié un gène codant pour un facteur de transcription – une protéine utile pour convertir l’ADN en ARN – qui déclenche une séquence génétique responsable du développement d’un trait important permettant aux racines de maïs d’acquérir plus d’eau et de nutriments.

    Ce trait observable, ou phénotype, est appelé aérenchyme cortical racinaire et entraîne la formation de passages d’air dans les racines, selon le chef de l’équipe de recherche Jonathan Lynch, éminent professeur de phytologie. Son équipe de Penn State a montré que ce phénotype rend les racines métaboliquement moins chères, leur permettant de mieux explorer le sol et de capter plus d’eau et de nutriments d’un sol sec et infertile.

    Maintenant, l’identification du mécanisme génétique derrière le trait crée une cible de sélection, a noté Lynch, dont le groupe de recherche du Collège des sciences agricoles étudie les traits des racines du maïs et des haricots aux États-Unis, en Asie, en Amérique latine, en Europe et en Afrique depuis plus plus de trois décennies, dans le but d’améliorer les performances des cultures.

    Cette dernière recherche a été dirigée par Hannah Schneider, ancienne doctorante puis chercheuse postdoctorale au laboratoire Lynch, aujourd’hui professeure adjointe de physiologie des cultures à l’Université et recherche de Wageningen, aux Pays-Bas. Dans l’étude, elle a utilisé de puissants outils génétiques développés lors de recherches antérieures à Penn State pour réaliser un “phénotypage à haut débit” afin de mesurer les caractéristiques de milliers de racines en peu de temps.

    En utilisant des technologies telles que la tomographie par ablation au laser et le pipeline d’anatomie, ainsi que des études d’association à l’échelle du génome, elle a découvert le gène – un “facteur de transcription bHLH121” – qui fait que le maïs exprime l’aérenchyme cortical de la racine. Mais localiser puis valider les fondements génétiques du trait racine a nécessité un effort prolongé, a souligné Schneider.

    “Nous avons d’abord effectué les expériences sur le terrain qui sont entrées dans cette étude à partir de 2010, cultivant plus de 500 lignées de maïs sur des sites en Pennsylvanie, en Arizona, au Wisconsin et en Afrique du Sud”, a-t-elle déclaré. “J’ai travaillé à tous ces endroits. Nous avons vu des preuves convaincantes que nous avions localisé un gène associé à l’aérenchyme cortical des racines.”

    Mais prouver le concept a pris beaucoup de temps, a raconté Schneider. Les chercheurs ont créé plusieurs lignées de maïs mutantes en utilisant des méthodes de manipulation génétique telles que le système d’édition de gènes CRISPR/Cas9 et les knockouts de gènes pour montrer l’association causale entre le facteur de transcription et la formation de l’aérenchyme cortical racinaire..

    Il a fallu des années non seulement pour créer ces lignées, mais aussi pour les phénotyper dans différentes conditions afin de valider la fonction de ce gène », a-t-elle déclaré. « Nous avons passé 10 ans là-dessus, confirmant et validant nos résultats, pour nous assurer que c’est le gène et le facteur de transcription spécifique qui contrôle la formation de l’aérenchyme cortical racinaire. Faire ce type de travail sur le terrain et déterrer et phénotyper les racines des plantes matures a été un long processus.”

    Dans l’article, les chercheurs ont rapporté que des études fonctionnelles ont révélé que la lignée de maïs mutante avec le gène bHLH121 assommé et une lignée mutante CRISPR/Cas9 dans laquelle le gène a été modifié pour supprimer sa fonction ont toutes deux montré une formation réduite d’aérenchyme cortical racinaire. En revanche, une lignée de surexpression présentait une formation d’aérenchyme cortical racinaire significativement plus importante par rapport à la lignée de maïs de type sauvage.

    La caractérisation de ces lignées sous une disponibilité sous-optimale en eau et en azote dans plusieurs environnements de sol a révélé que le gène bHLH121 est nécessaire à la formation d’aérenchymes corticaux racinaires, selon les chercheurs. Et la validation globale de l’importance du gène bHLH121 dans la formation de l’aérenchyme cortical racinaire, proposent-ils, fournit un nouveau marqueur aux sélectionneurs de plantes pour sélectionner des variétés avec une meilleure exploration du sol, et donc un rendement, dans des conditions sous-optimales.

    Pour Lynch, qui envisage de prendre sa retraite de la faculté du Département des sciences végétales à la fin de cette année, cette recherche est l’aboutissement de 30 ans de travail à Penn State.

    “Ces découvertes sont le résultat de la collaboration de nombreuses personnes de Penn State et au-delà avec nous, travaillant pendant de nombreuses années”, a-t-il déclaré. “Nous avons découvert la fonction du trait d’aérenchyme, puis le gène qui lui est associé. Et cela est dû aux technologies qui ont été conçues ici à Penn State, telles que Shovelomics – déterrer des racines sur le terrain – Tomographie par ablation au laser. et Anatomics Pipeline. Nous avons réuni tous ces éléments dans ce travail.

    Les résultats sont significatifs, a poursuivi Lynch, car trouver un gène derrière un trait important qui va aider les plantes à avoir une meilleure tolérance à la sécheresse et une meilleure capture de l’azote et du phosphore occupe une place importante face au changement climatique.

    “Ce sont des qualités super importantes, tant ici aux États-Unis que dans le monde”, a-t-il déclaré. « Les sécheresses sont le plus grand risque pour les producteurs de maïs et s’aggravent avec le changement climatique, et l’azote est le coût le plus élevé de la culture du maïs, tant d’un point de vue financier qu’environnemental. La sélection de lignées de maïs plus efficaces pour récupérer les nutriments serait un développement majeur. “

    Contribuer à la recherche à Penn State ont été Kathleen Brown, professeur de biologie du stress des plantes, maintenant à la retraite, Meredith Hanlon, chercheur postdoctoral, Département des sciences végétales; Stéphanie Klein; doctorant en sciences végétales; et Cody Depew, chercheur postdoctoral, Département des sciences végétales ; et Vai Lor, Shawn Kaeppler et Xia Zhang, Département d’agronomie et Wisconsin Crop Innovation Center, Université du Wisconsin ; Patompong Saengwilai, Département de biologie, Faculté des sciences, Université Mahidol, Bangkok, Thaïlande ; Jayne Davis, Rahul Bhosale et Malcolm Bennett, Future Food Beacon et School of Biosciences, Université de Nottingham, Loughborough, Royaume-Uni ; Aditi Borkar, École de médecine et des sciences vétérinaires, Université de Nottingham, Sutton Bonington, Royaume-Uni.

    Le Département américain de l’énergie, la Fondation Howard G Buffett et l’Institut national de l’alimentation et de l’agriculture du Département américain de l’agriculture ont soutenu cette recherche.

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    La Rédaction

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