« Amorcer » les plantes en les exposant à certains produits chimiques pendant qu’elles sont en graines peut affecter leur croissance plus tard dans la vie.
Les chercheurs ont découvert que le traitement des graines avec du gaz éthylène augmente à la fois leur croissance et leur tolérance au stress. Cette découverte, impliquant une amélioration photosynthèse et la production de glucides dans les plantes, offre une avancée potentielle dans l’amélioration des rendements des cultures et de la résilience face aux facteurs de stress environnementaux.
Comme tout autre organisme, les plantes peuvent être stressées. Habituellement, ce sont des conditions telles que la chaleur et la sécheresse qui conduisent à ce stress, et lorsqu’elles sont stressées, les plantes peuvent ne pas pousser aussi grandes ou produire autant. Cela peut être un problème pour les agriculteurs, c’est pourquoi de nombreux scientifiques ont essayé de modifier génétiquement les plantes pour les rendre plus résilientes.
Cependant, les plantes modifiées pour obtenir des rendements plus élevés ont tendance à avoir une tolérance au stress plus faible car elles consacrent plus d’énergie à la croissance qu’à la protection contre le stress. De même, l’amélioration de la capacité des plantes à survivre au stress aboutit souvent à ce que les plantes produisent moins parce qu’elles consacrent plus d’énergie à la protection qu’à la croissance. Cette énigme rend difficile l’amélioration de la production agricole.
J’ai étudié comment l’éthylène, une hormone végétale, régule la croissance et les réponses au stress des plantes. Dans une étude publiée en juillet 2023, mon laboratoire a fait une observation inattendue et passionnante. Nous avons constaté que lorsque les graines germent dans l’obscurité, car elles se trouvent généralement sous terre, l’ajout d’éthylène peut augmenter à la fois leur croissance et leur tolérance au stress.
L’éthylène est une hormone végétale
Les plantes ne peuvent pas se déplacer et ne peuvent donc pas éviter les conditions environnementales stressantes comme la chaleur et la sécheresse. Ils captent une variété de signaux de leur environnement, tels que la lumière et la température, qui façonnent leur croissance, leur développement et leur gestion des conditions stressantes. Dans le cadre de cette régulation, les plantes fabriquent diverses hormones qui font partie d’un réseau de régulation qui leur permet de s’adapter aux conditions environnementales.
L’éthylène a été découvert pour la première fois comme hormone végétale gazeuse il y a plus de 100 ans. Depuis, des recherches ont montré que toutes les plantes terrestres étudiées produisent de l’éthylène. En plus de contrôler la croissance et de réagir au stress, il est également impliqué dans d’autres processus tels que le changement de couleur des feuilles à l’automne et la stimulation de la maturation des fruits.
L’éthylène comme moyen d’« amorcer » les plantes
Mon laboratoire se concentre sur la façon dont les plantes et les bactéries détectent l’éthylène et sur la façon dont il interagit avec d’autres voies hormonales pour réguler le développement des plantes. En menant cette recherche, mon groupe a fait une découverte accidentelle.
Nous avions mené une expérience dans laquelle des graines germaient dans une pièce sombre. La germination des graines est une période critique dans la vie d’une plante où, dans des conditions favorables, la graine passe de la dormance à la plantule.
Pour cette expérience, nous avons exposé les graines à de l’éthylène pendant plusieurs jours pour voir quel effet cela pourrait avoir. Nous avions ensuite éliminé l’éthylène. Normalement, c’est là que l’expérience se serait terminée. Cependant, après avoir collecté des données sur ces plants, nous les avons transférés sur un chariot léger. Ce n’est pas quelque chose que nous faisons habituellement, mais nous voulions faire pousser les plantes jusqu’à l’âge adulte afin de pouvoir obtenir des graines pour de futures expériences.
Plusieurs jours après avoir placé les plants sous la lumière, certains membres du laboratoire ont fait l’observation inattendue et surprenante que les plantes brièvement gazées à l’éthylène étaient beaucoup plus grandes. Elles avaient des feuilles plus grandes ainsi qu’un système racinaire plus long et plus complexe que les plantes qui n’avaient pas été exposées à l’éthylène. Ces plantes ont continué à croître à un rythme plus rapide tout au long de leur vie.
L’usine de gauche n’était pas amorcée avec de l’éthylène, alors que celle de droite l’était. Les deux plantes ont le même âge. Crédit : Laboratoire Binder, Université du Tennessee, Knoxville
Mes collègues et moi voulions savoir si diverses plantes espèces ont montré une stimulation de la croissance lorsqu’ils ont été exposés à l’éthylène pendant la germination des graines. Nous avons constaté que la réponse est oui. Nous avons testé les effets d’un traitement à court terme à l’éthylène sur des graines en germination de tomates, de concombres, de blé et de roquette – toutes ont grossi.
Mais ce qui a rendu cette observation inhabituelle et passionnante, c’est que le bref traitement à l’éthylène a également augmenté la tolérance à divers stress tels que le stress salin, les températures élevées et les conditions de faible teneur en oxygène.
Les effets à long terme sur la croissance et la tolérance au stress dus à une brève exposition à un stimulus sont souvent appelés effets d’amorçage. Vous pouvez considérer cela comme l’amorçage d’une pompe, où l’amorçage aide à démarrer la pompe plus facilement et plus tôt. Des études ont examiné la façon dont les plantes poussent après l’amorçage, à différents âges et stades de développement. Mais l’amorçage des semences avec divers produits chimiques et stress a probablement été le plus étudié car il est facile à réaliser et, en cas de succès, il peut être utilisé par les agriculteurs.
Comment ça marche?
Depuis cette première expérience, mon groupe de laboratoire a essayé de comprendre quels mécanismes permettent à ces plantes exposées à l’éthylène de grandir et de tolérer davantage de stress. Nous avons trouvé quelques explications potentielles.
La première est que l’amorçage à l’éthylène augmente la photosynthèse, le processus utilisé par les usines pour fabriquer des sucres à partir de la lumière. Une partie de la photosynthèse comprend ce qu’on appelle la fixation du carbone, où les plantes captent le CO₂ de l’atmosphère et utilisent les molécules de CO₂ comme éléments constitutifs pour fabriquer les sucres.
Pendant la photosynthèse et la fixation du carbone, les plantes absorbent la lumière du soleil et la convertissent en sucres qu’elles utilisent pour croître.
Mon groupe de laboratoire a montré qu’il y avait une forte augmentation de la fixation du carbone, ce qui signifie que les plantes absorbent beaucoup plus de CO₂ de l’atmosphère.
L’augmentation de la photosynthèse est corrélée à une forte augmentation des niveaux de glucides dans toute la plante. Cela inclut une forte augmentation de l’amidon, qui est la molécule de stockage d’énergie des plantes, et de deux sucres, le saccharose et le glucose, qui fournissent rapidement de l’énergie aux plantes.
Une plus grande quantité de ces molécules dans la plante a été associée à la fois à une croissance accrue et à une meilleure capacité des plantes à résister aux conditions stressantes.
Notre étude montre que les conditions environnementales pendant la germination peuvent avoir des effets profonds et durables sur les plantes, susceptibles d’augmenter à la fois leur taille et leur tolérance au stress. Comprendre les mécanismes à l’origine de ce phénomène est plus important que jamais et pourrait contribuer à améliorer la production agricole pour nourrir la population mondiale.
Écrit par Brad Binder, professeur de biochimie et de biologie cellulaire et moléculaire, Université du Tennessee.
Adapté d’un article initialement publié dans The Conversation.
