Pousses de Lotus japonicus, type sauvage (à gauche) et homologue TBR (à droite), avec des taux de zinc normaux (en haut) et des taux de zinc élevés (en bas). Crédit : Salk Institute
L’impact négatif de l’activité humaine sur la Terre ne se limite pas à l’atmosphère de notre planète : il s’étend bien plus profondément, jusqu’aux sols. Par exemple, l’épandage excessif de fumier ou de boues d’épuration peut augmenter les concentrations de métaux lourds dans les terres agricoles où sont cultivées des cultures vitales. L’un de ces métaux lourds est le zinc, un micronutriment nécessaire à la santé des plantes et des animaux. Cependant, en excès, le zinc peut être extrêmement nocif pour les espèces végétales sensibles.
Certaines plantes ont une tolérance naturelle plus élevée au zinc qui leur permet de prospérer dans des conditions autrement toxiques, mais la biologie à l’origine de ce phénomène n’est pas claire. Dans une nouvelle étude, des scientifiques du Salk Institute ont identifié un gène qui aide les plantes à gérer l’excès de zinc dans le sol.
Les résultats, publiés dans Nature CommunicationsLes résultats d’une étude montrent que les plantes tolèrent des niveaux élevés de zinc en le piégeant dans les parois cellulaires de leurs racines, un processus facilité par un gène appelé biréfringence des trichomes ou TBR. Les scientifiques et les agriculteurs peuvent désormais utiliser ces informations pour développer et cultiver des cultures plus résistantes à la contamination des sols. L’amélioration de la résilience des plantes est l’un des principaux objectifs de l’initiative Harnessing Plants de Salk.
« La structure de la paroi cellulaire est comme un échafaudage qui peut stocker le zinc à l’écart du reste de la plante, et si le gène TBR est actif, les plantes peuvent stocker davantage de zinc », explique l’auteur principal Wolfgang Busch, professeur, directeur exécutif de l’Initiative Harnessing Plants et titulaire de la chaire Hess en phytologie à Salk. « Ce qui est intéressant dans ce processus simple, c’est qu’il peut faire la différence entre la vie et la mort d’une plante exposée à des conditions toxiques. »
La capacité d’une paroi cellulaire à stocker du zinc dépend en grande partie d’un processus appelé méthylestérification de la pectine, qui modifie la structure des molécules de pectine spongieuses à l’intérieur des parois cellulaires afin qu’elles puissent absorber davantage de zinc. Pour mieux comprendre ce phénomène, les chercheurs ont réalisé une étude d’association pangénomique pour identifier les gènes végétaux associés à une augmentation de la méthylestérification de la pectine.
« Nous avons découvert que les variantes de l’allèle TBR influencent les changements dans la méthylestérification de la pectine et aident à déterminer la capacité d’une plante à tolérer des niveaux de zinc plus élevés », explique le premier auteur Kaizhen Zhong, ancien étudiant diplômé invité dans le laboratoire de Busch. « Il est très important de savoir cela car nous pouvons désormais potentiellement introduire ou activer ce gène dans d’autres plantes pour créer des cultures plus résistantes aux changements environnementaux. »
Ces premières expériences ont été réalisées sur Arabidopsis thaliana, une petite plante à fleurs que les scientifiques utilisent comme organisme modèle pour étudier la biologie végétale. L’étape suivante des chercheurs a consisté à voir si ce gène fonctionne de manière similaire chez d’autres plantes, notamment d’importantes espèces cultivées.
Pour ce faire, les scientifiques ont placé Oryza sativa, une variété de riz commune et une culture de base pour des milliards de personnes, dans un sol contenant des niveaux toxiques de zinc. Ils ont spécifiquement comparé deux versions d’Oryza – l’une avec un gène TBR fonctionnel et l’autre sans – et ont surveillé la croissance de leurs racines pour mesurer la tolérance au zinc.
Le riz avec TBR fonctionnel a prospéré, confirmant que ce mécanisme de survie de la toxicité du zinc est conservé chez plusieurs espèces de plantes. Le même test a également été réalisé avec la légumineuse Lotus japonicus, produisant le même résultat.
« Ce qui est passionnant, c’est que nos données suggèrent que ce phénomène est conservé chez toutes les plantes à fleurs, qui constituent la grande majorité des espèces végétales et des cultures vivrières », explique Busch. « Cette découverte pourrait être appliquée pour accroître la résilience des plantes aux niveaux toxiques de zinc et contribuer à soutenir notre approvisionnement alimentaire futur. »
Alors que la population mondiale devrait atteindre 11 milliards d’habitants d’ici 2080 et que la toxicité du zinc dans nos sols est de plus en plus répandue, il est impératif de progresser dans le développement de cultures capables de résister à ces conditions. Cette étude constitue une étape importante vers la réalisation de cet objectif.
Parmi les autres auteurs figurent Matthieu Pierre Platre, Wenrong He, Ling Zhang, Anna Małolepszy et Min Cao de Salk ; Peng Zhang, Xiangjin Wei, Shikai Hu et Shaoqing Tang de l’Institut national de recherche sur le riz en Chine ; Baohai Li de Salk et de l’Université du Zhejiang en Chine ; et Peisong Hu de l’Institut national de recherche sur le riz en Chine et de l’Université agricole du Jiangxi.
Plus d’information:
Kaizhen Zhong et al., La variation naturelle du TBR confère aux plantes une tolérance à la toxicité du zinc par la méthylestérification de la pectine de la paroi cellulaire racinaire, Nature Communications (2024). DOI : 10.1038/s41467-024-50106-5
Fourni par l’Institut Salk
Citation:Une étude révèle un gène clé protégeant les plantes des métaux nocifs dans le sol (2024, 18 juillet) récupéré le 18 juillet 2024 à partir de
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