Les lanthanides sont une classe d'éléments de terres rares qui, dans de nombreux pays, sont ajoutés à l'engrais en tant que micronutriments pour stimuler la croissance des plantes. Mais on sait peu de choses sur la façon dont ils sont absorbés par les plantes ou influencent la photosynthèse, laissant potentiellement leurs avantages inexploités.
Désormais, les chercheurs du MIT ont mis en lumière la façon dont les lanthanides se déplacent et opèrent dans les plantes. Ces idées pourraient aider les agriculteurs à optimiser leur utilisation pour cultiver certaines des cultures les plus populaires du monde.
Publié aujourd'hui dans le Journal de l'American Chemical Societyl'étude montre qu'une seule dose à l'échelle nanométrique de lanthanides appliquée aux graines peut rendre certaines des cultures les plus courantes au monde plus résilientes au stress UV. Les chercheurs ont également découvert les processus chimiques par lesquels les lanthanides interagissent avec les pigments de chlorophylle qui entraînent la photosynthèse, montrant que différents éléments de lanthanure renforcent la chlorophylle en remplaçant le magnésium en son centre.
« Il s'agit d'une première étape pour mieux comprendre comment ces éléments fonctionnent dans les plantes et pour fournir un exemple de la façon dont ils pourraient être mieux livrés aux plantes, par rapport à simplement les appliquer dans le sol », explique le professeur agrégé Benedetto Marelli, qui a mené la recherche avec le post-doctorant Giorgio Rizzo. « Il s'agit du premier exemple d'une étude approfondie montrant les effets des lanthanides sur la chlorophylle et leurs effets bénéfiques pour protéger les plantes contre le stress UV. »
Connexions de l'usine intérieure
Certains lanthanides sont utilisés comme agents de contraste dans l'IRM et pour les applications, y compris les diodes émettantes, les cellules solaires et les lasers. Au cours des 50 dernières années, les lanthanides sont devenus de plus en plus utilisés dans l'agriculture pour améliorer les rendements des cultures, la Chine appliquant à elle seule des engrais à base de lanthanide à près de 4 millions d'hectares de terrain chaque année.
« Les lanthanides sont considérés depuis longtemps comme étant biologiquement non pertinents, mais cela a changé dans l'agriculture, en particulier en Chine », explique Rizzo, le premier auteur du journal. « Mais nous ne savons pas en grande partie comment les lanthanides fonctionnent au profit des plantes – et ne comprenons-nous pas leurs mécanismes d'absorption des tissus végétaux. »
Des études récentes ont montré que de faibles concentrations de lanthanides peuvent favoriser la croissance des plantes, l'allongement des racines, la synthèse hormonale et la tolérance au stress, mais des doses plus élevées peuvent nuire aux plantes. Trouver le bon équilibre a été difficile en raison de notre manque de compréhension sur la façon dont les lanthanides sont absorbés par les plantes ou comment ils interagissent avec le sol racine.
Pour l'étude, les chercheurs ont exploité les technologies de revêtement et de traitement des graines qu'ils ont déjà développées pour étudier la façon dont la chlorophylle des pigments végétales interagit avec les lanthanides, à l'intérieur et à l'extérieur des plantes. Jusqu'à présent, les chercheurs ne savent pas si la chlorophylle interagit avec les ions lanthanures.
La chlorophylle entraîne la photosynthèse, mais les pigments perdent leur capacité à absorber efficacement la lumière lorsque l'ion de magnésium au cœur est retiré. Les chercheurs ont découvert que les lanthanides peuvent combler ce vide, aidant les pigments de chlorophylle en partie à récupérer certaines de leurs propriétés optiques dans un processus connu sous le nom de re-redressement.
« Nous avons constaté que les lanthanides peuvent augmenter plusieurs paramètres de la santé des plantes », explique Marelli. « Ils s'accumulent principalement dans les racines, mais une petite quantité fait également son chemin vers les feuilles, et certaines des nouvelles molécules de chlorophylle fabriquées dans les feuilles ont des lanthanides incorporés dans leur structure. »
Cette étude offre également les premières preuves expérimentales que les lanthanides peuvent augmenter la résilience des plantes au stress des UV, ce que les chercheurs disent être complètement inattendus.
« Les chlorophylles sont des pigments très sensibles », explique Rizzo. « Ils peuvent convertir la lumière en énergie dans les plantes, mais lorsqu'ils sont isolés de la structure cellulaire, ils hydrolysent et se dégradent rapidement. Cependant, sous la forme avec des lanthanides à leur centre, ils sont assez stables, même après les avoir extraits des cellules végétales. »
Les chercheurs, utilisant différentes techniques spectroscopiques, ont trouvé les avantages détenus dans une gamme de cultures de base, notamment le pois chiche, l'orge, le maïs et le soja.
Les résultats pourraient être utilisés pour augmenter le rendement des cultures et augmenter la résilience de certaines des cultures les plus populaires du monde à des conditions météorologiques extrêmes.
« Alors que nous nous déplaçons dans un environnement où la chaleur extrême et les événements climatiques extrêmes sont plus courants, et en particulier où nous pouvons avoir des périodes de soleil prolongées sur le terrain, nous voulons fournir de nouvelles façons de protéger nos plantes », explique Marelli. « Il existe des agrochimiques existants qui peuvent être appliqués aux feuilles pour protéger les plantes des facteurs de stress tels que les UV, mais ils peuvent être toxiques, augmenter les microplastiques et nécessiter plusieurs applications. Cela pourrait être un moyen complémentaire de protéger les plantes contre le stress UV. »
Identification de nouvelles applications
Les chercheurs ont également constaté que des éléments de lanthanure plus importants comme le lanthane étaient plus efficaces pour renforcer les pigments de chlorophylle que les pigments plus petits. Le lanthane est considéré comme un sous-produit de faible valeur de l'exploitation des terres rares, et peut devenir un fardeau pour la chaîne d'approvisionnement de l'élément de terre rares (REE) en raison de la nécessité de la séparer des terres rares plus désirables. L'augmentation de la demande de lanthanum pourrait diversifier l'économie de Rees et améliorer la stabilité de leur chaîne d'approvisionnement, suggèrent les scientifiques.
« Cette étude montre ce que nous pourrions faire avec ces métaux à faible valeur », explique Marelli. « Nous savons que les lanthanides sont extrêmement utiles dans l'électronique, les aimants et l'énergie. Aux États-Unis, il y a une grande poussée pour les recycler. C'est pourquoi pour les études de plantes, nous nous sommes concentrés sur le lanthane, étant l'ion de lanthanide le plus abondant et le plus cher. »
À l'avenir, l'équipe prévoit d'explorer comment les lanthanides fonctionnent avec d'autres molécules biologiques, y compris les protéines du corps humain.
Dans l'agriculture, l'équipe espère augmenter ses recherches pour inclure des études sur le terrain et la serre pour continuer à tester les résultats de la résilience des UV sur différents types de cultures et dans des conditions de ferme expérimentales.
« Les lanthanides sont déjà largement utilisés dans l'agriculture », explique Rizzo. « Nous espérons que cette étude fournit des preuves qui en permet une utilisation plus consciente et également une nouvelle façon de les appliquer par le biais de traitements de semences. »
