La découverte d'un gène de l'anatomie des racines pourrait permettre de sélectionner des cultures de maïs plus résistantes
Cette caractéristique permet aux racines de mieux capter l'eau et les nutriments du sol, d'avoir besoin de moins d'engrais et de résister à la sécheresse.
Selon une équipe de chercheurs internationaux dirigée par l'État de Pennsylvanie, 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, de réduire l'insécurité alimentaire mondiale.
Coupes transversales de racines de maïs montrant la variation génétique de la formation de l'aérenchyme, qui transforme les cellules vivantes en espace d'air. Maintenant que les chercheurs ont trouvé le gène associé à ce phénotype, il peut devenir un objectif de sélection végétale.
Tania Galindo Castaneda/Penn State
Dans des conclusions publiées le 16 mars dans les Proceedings of the National Academy of Science, les 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 du maïs d'acquérir plus d'eau et de nutriments.
Cette caractéristique observable, ou phénotype, est appelée aérenchyme cortical des racines et entraîne la formation de passages d'air dans les racines, selon Jonathan Lynch, chef de l'équipe de recherche et professeur émérite de sciences végétales. Son équipe de Penn State a montré que ce phénotype rend les racines métaboliquement moins coûteuses, ce qui leur permet de mieux explorer le sol et de capter davantage d'eau et de nutriments à partir d'un sol sec et infertile.
À présent, l'identification du mécanisme génétique à l'origine de cette caractéristique permet de créer une cible de sélection, a fait remarquer M. Lynch, dont le groupe de recherche du College of Agricultural Sciences étudie depuis plus de trente ans les caractéristiques des racines du maïs et des haricots aux États-Unis, en Asie, en Amérique latine, en Europe et en Afrique, dans le but d'améliorer les performances des cultures.
Cette dernière recherche a été menée par Hannah Schneider, anciennement doctorante puis chercheuse postdoctorale dans le laboratoire de Lynch, aujourd'hui professeur adjoint de physiologie des cultures à l'université et au centre de recherche de Wageningen, aux Pays-Bas. Dans le cadre de cette étude, elle a utilisé des outils génétiques puissants mis au point 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.
Grâce à des technologies telles que la tomographie par ablation laser et l'Anatomics Pipeline, ainsi qu'à des études d'association à l'échelle du génome, elle a découvert le gène - un "facteur de transcription bHLH121" - qui permet au maïs d'exprimer l'aérenchyme cortical de la racine. Mais la localisation et la validation des fondements génétiques du caractère racinaire ont nécessité un effort prolongé, a souligné Mme Schneider.
"Nous avons d'abord réalisé les expériences de terrain qui ont servi à cette étude à partir de 2010, en cultivant plus de 500 lignées de maïs sur des sites en Pennsylvanie, en Arizona, dans le Wisconsin et en Afrique du Sud", a-t-elle déclaré. "J'ai travaillé sur tous ces sites. Nous avons obtenu des preuves convaincantes que nous avions localisé un gène associé à l'aérenchyme cortical des racines".
Mais il a fallu beaucoup de temps pour prouver le concept, a expliqué Mme Schneider. Les chercheurs ont créé de multiples lignées de maïs mutantes en utilisant des méthodes de manipulation génétique telles que le système d'édition de gènes CRISPR/Cas9 et l'élimination de gènes pour démontrer l'association causale entre le facteur de transcription et la formation de l'aérenchyme cortical de la racine.
"Ilafallu 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 dix ans à confirmer et à valider nos résultats, pour nous assurer qu'il s'agit bien du gène et du facteur de transcription spécifique qui contrôlent la formation de l'aérenchyme cortical de la racine. Faire ce type de travail sur le terrain, déterrer et phénotyper des racines de plantes matures a été un long processus".
Dans l'article, les chercheurs indiquent que les études fonctionnelles ont révélé que la lignée de maïs mutante dans laquelle le gène bHLH121 a été supprimé et une lignée mutante CRISPR/Cas9 dans laquelle le gène a été édité pour supprimer sa fonction présentaient toutes deux une formation réduite de l'aérenchyme cortical de la racine. En revanche, une ligne de surexpression a montré une formation d'aérenchyme cortical racinaire significativement plus importante que la ligne de maïs de type sauvage.
La caractérisation de ces lignées dans des conditions suboptimales de disponibilité d'eau et d'azote dans de multiples environnements de sol a révélé que le gène bHLH121 est nécessaire à la formation de l'aérenchyme cortical de la racine, selon les chercheurs. Selon eux, la validation globale de l'importance du gène bHLH121 dans la formation de l'aérenchyme cortical de la racine fournit un nouveau marqueur permettant aux sélectionneurs de plantes de choisir des variétés ayant une meilleure exploration du sol, et donc un meilleur rendement, dans des conditions sous-optimales.
Pour Lynch, qui prévoit 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 années de travail à Penn State.
"Ces résultats sont le fruit de la collaboration de nombreuses personnes de Penn State et d'ailleurs, qui ont travaillé avec nous pendant de nombreuses années", a-t-il déclaré. "Nous avons découvert la fonction de la caractéristique de l'aérenchyme et le gène qui y est associé, et ce grâce aux technologies mises au point ici à Penn State, telles que Shovelomics - qui consiste à déterrer des racines sur le terrain -, la tomographie par ablation laser et l'Anatomics Pipeline. Nous avons réuni toutes ces technologies dans le cadre de ce travail".
Les résultats sont importants, poursuit M. Lynch, car la découverte d'un gène à l'origine d'un trait important qui aidera les plantes à mieux tolérer la sécheresse et à mieux capter l'azote et le phosphore est un enjeu de taille face au changement climatique.
"Il s'agit là de qualités extrêmement importantes, tant ici aux États-Unis que dans le reste du monde", a-t-il déclaré. "Les sécheresses constituent le plus grand risque pour les producteurs de maïs et s'aggravent avec le changement climatique, et l'azote est le coût le plus important de la culture du maïs, tant d'un point de vue financier qu'environnemental. La sélection de lignées de maïs plus efficaces dans la récupération de ce nutriment constituerait une avancée majeure.
Ont contribué à la recherche à Penn State Kathleen Brown, professeur de biologie du stress végétal, aujourd'hui à la retraite, Meredith Hanlon, chercheuse postdoctorale, département des sciences végétales, Stephanie Klein, doctorante en sciences végétales, et Cody Depew, chercheur postdoctoral, département des sciences végétales, ainsi que 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 école des biosciences, université de Nottingham, Loughborough, Royaume-Uni ; Aditi Borkar, école de médecine et de sciences vétérinaires, université de Nottingham, Sutton Bonington, Royaume-Uni.
Le ministère américain de l'énergie, la fondation Howard G Buffett et l'Institut national de l'alimentation et de l'agriculture du ministère américain de l'agriculture ont soutenu cette recherche.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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