Les scientifiques découvrent un « interrupteur » génétique dans les légumineuses qui limite la capacité biologique à fournir des nutriments

Un « interrupteur » génétique qui arrête le processus par lequel les légumineuses convertissent l’azote atmosphérique en nutriments a été identifié pour la première fois par une équipe de scientifiques internationaux.

Les légumineuses comme les haricots, les pois et les lentilles sont des cultures uniques en raison de leur capacité à interagir avec les bactéries du sol pour convertir ou « fixer » l’azote en une forme de nutriments utilisable. Cependant, ce processus biologique à forte intensité énergétique est réduit lorsque l’azote est déjà abondant dans le sol, soit par des processus naturels, soit par l’application d’engrais synthétiques.

La dernière découverte du régulateur génétique qui désactive la fixation de l’azote lorsque les niveaux de nitrate dans le sol sont élevés a permis aux scientifiques de supprimer le gène dans des légumineuses modèles, garantissant ainsi qu’elles continuent à fixer l’azote quel que soit l’environnement du sol.

Augmenter la capacité biologique des légumineuses à fixer l’azote pourrait contribuer à accroître la croissance et le rendement des cultures tout en réduisant le besoin d’engrais synthétiques, qui contribuent à l’empreinte environnementale de l’agriculture.

Les résultats de la recherche, menée dans le cadre du projet international Enabling Nutrient Symbioses in Agriculture (ENSA), ont été publiés dans Nature.

“D’un point de vue agricole, la fixation continue de l’azote pourrait être un trait bénéfique qui augmente la disponibilité de l’azote, à la fois pour les légumineuses et pour les futures cultures qui dépendent de l’azote laissé dans le sol après la culture des légumineuses”, a déclaré l’auteur principal, le Dr Dugald Reid. , maître de conférences à l’Université de La Trobe et chef de groupe de recherche à l’Institut de La Trobe pour l’agriculture et l’alimentation durables (LISAF) et au Département des sciences animales, végétales et des sols, et chercheur à l’ENSA.

“Cela contribue à jeter les bases de recherches futures qui nous fourniront de nouvelles façons de gérer nos systèmes agricoles afin de réduire l’utilisation d’engrais azotés, d’augmenter les revenus agricoles et de réduire l’impact de l’utilisation d’engrais azotés sur l’environnement.”

L’équipe a découvert le régulateur connu sous le nom de « Fixation sous nitrate » (FUN) après avoir examiné 150 000 légumineuses individuelles dans lesquelles des gènes avaient été éliminés afin d’identifier comment les plantes contrôlent le passage de la fixation de l’azote à l’absorption de l’azote par le sol.

FUN, un type de gène connu sous le nom de facteur de transcription et qui contrôle les niveaux d’autres gènes, s’est avéré présent dans les légumineuses, qu’il soit actif ou inactif, et quels que soient les niveaux d’azote.

“Dans le cadre de l’étude, nous avons conçu un criblage génétique pour des milliers de plantes dans des serres afin d’identifier les gènes qui relient les déclencheurs environnementaux aux signaux biologiques”, a déclaré le Dr Jieshun Lin, co-auteur de l’article et chercheur à l’ENSA.

“En augmentant les niveaux de nitrate disponibles pour la légumineuse modèle, nous avons pu identifier celles dont la régulation de la fixation de l’azote est altérée et découvrir le mutant FUN.”

L’équipe a ensuite utilisé une combinaison de biochimie, d’études sur l’expression génique et de microscopie pour découvrir que FUN se transforme en longs filaments protéiques lorsqu’il est inactif.

Cela a conduit à la découverte secondaire que les niveaux de zinc jouent un rôle dans le déclenchement de l’activité du FUN et dans l’arrêt de la fixation de l’azote.

« Nous avons découvert que la modification de l’azote du sol modifie les niveaux de zinc dans la plante. Le zinc n’avait jusqu’à présent pas été lié à la régulation de la fixation de l’azote, mais notre étude a révélé qu’un changement dans les niveaux de zinc active à son tour FUN, qui contrôle alors un grand nombre de gènes qui arrêtent la fixation de l’azote », a déclaré le Dr Kasper Andersen, co-auteur et chercheur à l’ENSA.

“La suppression du FUN crée donc une condition dans laquelle la fixation de l’azote n’est plus arrêtée par la plante.”

L’étude a été menée par des scientifiques de l’Université La Trobe, en Australie, et de l’Université d’Aarhus, au Danemark, et a impliqué des collaborations avec l’Installation européenne de rayonnement synchrotron (ESRF), le Centro de Biotecnología y Genómica de Plantas, en Espagne, et l’Universidad Politécnica de Madrid (UPM).

Les chercheurs étudient désormais les performances des légumineuses courantes telles que le soja et le niébé lorsqu’elles perdent leur activité FUN.