Comment la microscopie cryogénique peut contribuer à renforcer la sécurité alimentaire
Les scientifiques ont produit des images sans précédent
Selon les Nations unies, la salinisation des sols touche entre 20 et 40 % des terres arables dans le monde, l'activité humaine et le changement climatique - en particulier l'élévation du niveau des mers - étant largement responsables de ce processus. Si le corps humain a besoin de sodium pour fonctionner, ce n'est pas le cas de la plupart des plantes. En fait, l'excès de sel autour des racines des plantes bloque progressivement leur accès à l'eau, ce qui retarde leur croissance, les empoisonne et accélère leur mort. Dix millions d'hectares de terres agricoles sont détruits chaque année par la salinisation des sols, ce qui représente une menace pour la sécurité alimentaire mondiale.
Des scientifiques de l'EPFL, de l'Université de Lausanne (UNIL) et leurs partenaires espagnols ont observé comment le gène "Salt Overly Sensitive 1" (SOS1), identifié en 2000, protège les cellules végétales du sel. L'équipe de biologistes et d'ingénieurs a produit des images sans précédent en utilisant la microsonde ionique CryoNanoSIMS (Cryo Nanoscale Secondary Ion Mass Spectrometry). Grâce à cet instrument de microscopie cryogénique unique au monde, ils ont pu obtenir des images précises de l'endroit où un nutriment spécifique est stocké ou utilisé dans un échantillon de cellule ou de tissu. Leurs observations montrent qu'en cas de stress salin élevé, le transporteur ionique SOS1 n'élimine plus le sodium mais contribue à le charger dans des structures appelées vacuoles à l'intérieur des cellules. Mieux comprendre ce mécanisme et déterminer pourquoi certaines espèces sont plus tolérantes au sodium que d'autres pourrait, selon les scientifiques, nous permettre de développer de nouvelles stratégies pour renforcer la sécurité alimentaire. Leurs conclusions viennent d'être publiées dans la revue Nature.
Première preuve visuelle
"Notre recherche fournit la première preuve visuelle, à l'échelle cellulaire, de la façon dont les plantes se protègent contre l'excès de sodium", explique Priya Ramakrishna, chercheur postdoctoral au Laboratoire de géochimie biologique (LGB) de l'EPFL et auteur principal de l'article. "Les hypothèses précédentes de ce mécanisme étaient basées sur des preuves indirectes. Nous pouvons maintenant voir où le sodium est transporté à différents niveaux de stress salin - ce que nous n'étions pas en mesure de faire à cette résolution auparavant". L'équipe conjointe de l'EPFL et de l'UNIL a effectué des observations d'une précision sans précédent avec l'instrument CryoNanoSIMS récemment développé, qui permet d'obtenir des images chimiques de tissus biologiques à une résolution de 100 nanomètres, dans ce cas sur des échantillons de racines de plantes qui avaient été congelés dans un bain d'azote liquide et maintenus à de très basses températures sous vide, afin de préserver tous les éléments en place dans le tissu.
Cette approche leur a permis de cartographier des cellules végétales individuelles et de voir où des éléments clés, tels que le potassium, le magnésium, le calcium et le sodium, étaient stockés dans les extrémités des racines végétales - la partie de la plante connue sous le nom de "méristème apical racinaire" - qui contiennent les cellules souches responsables du développement du système racinaire de la plante. L'imagerie CryoNanoSIMS a montré l'état de la racine dans deux conditions différentes de stress salin.
Un changement de stratégie
En cas de stress salin léger, les cellules parviennent à empêcher le sodium de pénétrer. Mais l'équipe a observé un changement de stratégie en cas de stress salin élevé : au lieu d'évacuer le sodium, comme on le pensait auparavant, le transporteur SOS1 aide à le séquestrer dans des vacuoles qui servent à stocker les produits indésirables. "Mais ce mécanisme de défense est énergivore, il ralentit la croissance de la plante, inhibe ses performances et conduit finalement à sa mort si le stress salin persiste", explique Ramakrishna. Les chercheurs ont validé leurs observations en réalisant les mêmes expériences sur des échantillons mutants dépourvus du gène transporteur SOS1, révélant son incapacité à transporter le sodium dans les vacuoles, ce qui explique sa sensibilité fortement accrue au sel. Ils ont également effectué les tests sur des échantillons de racines de riz - la culture la plus répandue dans le monde - et ont constaté que, dans ce cas également, le sodium était transporté dans la vacuole en cas de stress salin élevé.
Faire correspondre l'emplacement et la fonction
Pour Ramakrishna, biologiste végétal de formation, l'imagerie chimique rendue possible par l'instrument CryoNanoSIMS change complètement la donne. L'instrument pourrait également être utilisé pour étudier la façon dont les plantes se protègent contre d'autres menaces, telles que la pollution par les métaux lourds et les microbes. "Avec ce type de collaboration véritablement interdisciplinaire, c'est-à-dire mêlant biologie et ingénierie, nous pouvons faire correspondre l'emplacement à la fonction et comprendre des mécanismes et des processus qui n'ont jamais été observés auparavant", déclare l'auteur correspondant Anders Meibom, professeur à la Faculté d'architecture, d'ingénierie civile et environnementale (ENAC) de l'EPFL et à la Faculté des géosciences et de l'environnement de l'UNIL, dans le laboratoire duquel l'instrument CryoNanoSIMS a été mis au point.
Niko Geldner, co-auteur correspondant de l'article, chef de l'équipe de recherche à la Faculté de biologie et de médecine de l'UNIL et chef de l'équipe de l'UNIL, est tout aussi enthousiaste quant à cette collaboration : "Les plantes dépendent fondamentalement de l'extraction des nutriments minéraux du sol, mais nous n'avons jamais été en mesure d'observer leur transport et leur accumulation avec une résolution suffisante. La technologie CryoNanoSIMS y parvient enfin et promet de transformer notre compréhension de la nutrition des plantes, au-delà du problème du sel". Le professeur Christel Genoud, co-auteur de l'article et directeur du Centre d'imagerie de Dubochet, ajoute : "Cette technique ouvre un horizon entièrement nouveau dans l'imagerie des tissus biologiques et place nos institutions en position de leader sur cette frontière".
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.
Publication originale
Priya Ramakrishna, Francisco M. Gámez-Arjona, Etienne Bellani, Cristina Martin-Olmos, Stéphane Escrig, Damien De Bellis, Anna De Luca, José M. Pardo, Francisco J. Quintero, Christel Genoud, Clara Sánchez-Rodriguez, Niko Geldner, Anders Meibom; "Elemental cryo-imaging reveals SOS1-dependent vacuolar sodium accumulation"; Nature, 2025-1-15
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