De nouvelles techniques de détection peuvent détecter la tolérance à la sécheresse dans les cultures anciennes et pourraient éclairer de nouveaux programmes de sélection

La sécheresse est le stress environnemental le plus dévastateur auquel les agriculteurs du monde entier sont confrontés. Avec les pressions supplémentaires du changement climatique, les années de sécheresse sont devenues moins prévisibles, plus fréquentes et plus graves.

Ainsi, non seulement l’eau est essentielle pour produire suffisamment de nourriture pour nourrir la population mondiale – qui devrait atteindre 9,7 milliards de personnes d’ici 2050 – mais nous devons également augmenter les rendements agricoles en utilisant moins d’eau.

La clé d’une agriculture durable pourrait résider dans l’héritage de plantes sauvages apparentées à des cultures essentielles comme le blé et l’orge. Ces trésors génétiques sous-exploités abritent des mécanismes de tolérance au stress façonnés par des générations de sélection naturelle dans des environnements difficiles.

Les chercheurs reconnaissent depuis longtemps les espèces sauvages apparentées comme une source de tolérance au stress dans les études génétiques, mais la plupart de ces découvertes sont le fruit du hasard ou sont rares.

Il existe tellement de différences entre la structure et la physiologie des variétés de cultures commerciales et de leurs variétés sauvages apparentées que les méthodes de sélection traditionnelles sont inadéquates pour identifier, analyser et intégrer les cultures sauvages dans les programmes de sélection.

Notre recherche, publiée dans Nouveau phytologueétablit une approche systématique utilisant des techniques d'imagerie à haut débit et non invasives pour décider quelles lignées sauvages présentent des caractéristiques bénéfiques pour l'amélioration des cultures et devraient être prises en compte pour la sélection, en s'éloignant des découvertes fortuites.

Regarder au-delà de l'œil nu

Jusqu'à récemment, la meilleure façon de déterminer les performances des cultures lors d'expériences sur de grands champs consistait à planter différentes lignes de cultures et à les évaluer en fonction de leur apparence et de la quantité de grains qu'elles produisaient.

Mais les espèces sauvages apparentées ont tendance à laisser tomber leurs graines à pleine maturité, ce qui rend difficile de les juger d'après leur rendement en grains, de sorte que les sélectionneurs y réfléchissent souvent à deux fois avant de travailler avec elles.

Les technologies innovantes de télédétection changent désormais la manière dont nous décrivons les performances des cultures. C'est comme voir au-delà de ce que l'œil nu peut capter pour détecter les signaux provenant des nombreuses ondes lumineuses que les plantes réfléchissent à partir de la lumière du soleil ou émettent sous forme de fluorescence ou de chaleur.

En tant que forme de rayonnement, la chaleur est émise à des longueurs d'onde au-delà de ce que les humains peuvent voir, mais peut être mesurée à l'aide de détecteurs thermiques.

La lumière solaire réfléchie fournit une mine d’informations sur l’efficacité de la photosynthèse des plantes ; utiliser la lumière du soleil, le dioxyde de carbone et l’eau pour produire de l’oxygène et de l’énergie sous forme de sucre. Cela peut être mesuré avec précision à l’aide de capteurs d’imagerie hyperspectrale qui collectent et traitent les informations provenant de l’ensemble du spectre électromagnétique dans des centaines ou des milliers de bandes spectrales étroites.

Bien que l’utilisation de la télédétection pour étudier les caractéristiques des plantes soit déjà populaire, nous la renforçons en étudiant l’efficacité avec laquelle la culture utilise l’eau et en combinant ces informations avec des technologies d’imagerie hyperspectrale et thermique.

Comprendre les mécanismes utilisés par les cultures anciennes pour réagir aux fluctuations de température nous aidera à découvrir des opportunités inexplorées en matière de sélection végétale et à mieux cibler nos recherches.

En fin de compte, l’objectif est de développer de nouvelles variétés commerciales à partir de lignées sauvages adaptées à l’environnement, ouvrant ainsi la voie à une agriculture durable en surmontant l’obstacle actuel consistant à déterminer quelles lignées sauvages présentent des caractéristiques inexploitées d’adaptation à la sécheresse.

Ceci est souvent difficile à déterminer car les caractères souhaitables peuvent être différents selon l’objectif de sélection et le lieu de culture.

Respirer et boire avec la même paille

Les plantes perdent de l'eau par un processus appelé transpiration, qui se produit via les stomates, les mêmes passages qui permettent au dioxyde de carbone de pénétrer à la surface des feuilles.

Utiliser les mêmes entrées et sorties signifie qu’il existe un compromis inévitable entre la conservation de l’eau et l’obtention de suffisamment de carbone pour produire des céréales saines via la photosynthèse.

Notre technique de sélection adopte donc ce compromis pour rechercher des plantes capables de supporter de longues périodes de pénurie d'eau, tout en pouvant reprendre une croissance saine une fois réhydratées.

Tout comme dans « Dune », où les gens se sont adaptés à des conditions très sèches, les plantes des environnements désertiques ont développé leurs propres façons de faire face aux conditions sèches.

Si nous considérons la transpiration humaine comme la transpiration des plantes, les plantes bien adaptées aux conditions arides ont développé de multiples mécanismes qui leur permettent de moins « transpirer » et d'économiser de l'eau pendant la sécheresse, tout en restant moins stressées et en bonne santé.

Nous utilisons les données recueillies à partir de techniques de télédétection hyperspectrale et thermique pour créer un indice d'efficacité de transpiration (iTE) basé sur l'image, un paramètre de sélection végétale relativement facile à interpréter.

Grâce à iTE, nous pouvons ensuite identifier les lignées bien adaptées qui démontrent une utilisation aussi efficace de l'eau dans des conditions de sécheresse et qui peuvent néanmoins maintenir leur capacité à reprendre leur croissance.

D’une pierre deux coups

Bien que nous ayons développé l’iTE en pensant aux populations sauvages, son application pourrait également s’étendre aux cultures commerciales.

En transition des méthodes de sélection traditionnelles qui se concentrent uniquement sur les performances de rendement pour la sélection des cultivars, l'indice iTE pourrait être intégré aux mesures de tolérance classiques pour prendre des décisions plus complètes et éclairées sur les meilleures lignées sauvages pour la sélection.

En collaboration avec l'Institut pour l'agriculture durable en Espagne, IAS-CSIC, nous avons découvert un lien étroit entre un changement positif de l'iTE dans des conditions de sécheresse par rapport à un contrôle bien irrigué et la stabilité du rendement des variétés commerciales de blé ; plus l’augmentation de l’iTE est importante, moins les pertes de rendement sont importantes.

La stabilité du rendement indique dans quelle mesure une culture maintient son rendement en grains en cas de sécheresse par rapport à des conditions normales et bien arrosées. Mais il existe diverses raisons pour lesquelles certaines cultures résistent mieux à la sécheresse.

Par exemple, certaines plantes pourraient continuer à réaliser une photosynthèse efficace, comme le suggèrent nos recherches, tandis que d’autres pourraient avoir des racines plus profondes qui accèdent à l’eau bien sous la surface.

Ces dernières peuvent apparaître sous la forme de canopées plus froides sur les images thermiques, car elles sont capables d'aspirer plus d'eau, permettant ainsi à la plante de continuer à transpirer et de réduire sa température.

Il est difficile de confirmer à partir d'un essai sur le terrain si cette transpiration est due à des racines profondes ou si ces plantes gardent simplement leurs pores (stomates) ouverts, quelle que soit la pénurie d'eau. Nos recherches décomposent cette complexité pour comprendre précisément comment les cultures parviennent à stabiliser leur rendement.

En comprenant les façons spécifiques dont les plantes maintiennent leur rendement à la fin de la saison, nous pouvons exploiter plus efficacement la génétique sous-jacente.

Des cultures pour l’avenir

Une fois que nous aurons identifié des lignées sauvages prometteuses, la prochaine étape consistera à les modifier pour les adapter aux pratiques agricoles standard grâce à un processus connu sous le nom de domestication de novo.

Cette méthode accélère le processus que les humains utilisent depuis des milliers d’années pour sélectionner et produire de meilleures cultures. Au lieu d’attendre des générations, nous utilisons des techniques de sélection avancées pour ajouter rapidement les bons traits communs aux cultures domestiquées directement dans les plantes sauvages tolérantes au stress.

Ces modifications de sélection non transgéniques produisent des cultures plus faciles à cultiver en utilisant des pratiques de gestion standard.

En utilisant la télédétection hyperspectrale pour identifier les lignées sauvages candidates et la domestication de novo pour les rendre accessibles et désirables aux producteurs, nous pouvons révolutionner le développement des cultures, en adaptant les plantes au changement climatique afin de répondre à la demande alimentaire mondiale croissante.