Une étude de l’USC révèle que les plantes utilisent leurs horloges circadiennes et une protéine spécifique, ABF3, pour gérer le stress environnemental, offrant ainsi de nouvelles approches pour développer des cultures résistantes à la sécheresse et à la salinité des sols. Cette recherche ouvre la voie à des cultures génétiquement améliorées, susceptibles de renforcer la résilience et le rendement face au changement climatique.
Des recherches récentes révèlent que les plantes utilisent leurs rythmes circadiens internes pour s’adapter aux fluctuations de la disponibilité en eau et des niveaux de sel, présentant ainsi une nouvelle stratégie pour développer des cultures capables de résister aux conditions de sécheresse.
Le changement climatique a actuellement un impact sur la productivité agricole et pourrait à terme constituer un risque considérable pour la sécurité alimentaire mondiale. Il devient urgent de développer des cultures plus résilientes, capables de résister à des conditions telles que la sécheresse ou une salinité élevée des sols.
Une nouvelle étude de la Keck School of Medicine de l’USC, financée en partie par le Instituts nationaux de la santé, révèle des détails sur la façon dont les plantes régulent leurs réponses au stress qui peuvent s’avérer cruciaux pour ces efforts. Les chercheurs ont découvert que les plantes utilisent leur horloge circadienne pour réagir aux changements des niveaux externes d’eau et de sel tout au long de la journée. Ce même circuit – une élégante boucle de rétroaction contrôlée par une protéine connue sous le nom d’ABF3 – aide également les plantes à s’adapter à des conditions extrêmes telles que la sécheresse. Les résultats ont été récemment publiés dans la revue Actes de l’Académie nationale des sciences.
« En fin de compte, les plantes sont coincées en place. Ils ne peuvent pas courir et boire un verre d’eau. Ils ne peuvent pas se déplacer à l’ombre quand ils le souhaitent ou s’éloigner d’un sol contenant un excès de sel. Pour cette raison, ils ont évolué pour utiliser leurs horloges circadiennes pour mesurer et s’adapter de manière exquise à leur environnement », a déclaré l’auteur principal de l’étude, Steve A. Kay, PhD, professeur universitaire et professeur principal de neurologie, de génie biomédical et de biologie computationnelle quantitative à l’université. la Keck School of Medicine et directeur du USC Centre Michelson pour les biosciences convergentes.
Image bioluminescente de semis d’Arabidopsis exprimant des gènes rapporteurs de l’horloge circadienne en réponse au stress hydrique. Crédit : Dr Tong Liang/Laboratoire Kay, USC
Les résultats s’appuient sur une longue série de recherches menées par le laboratoire de Kay sur le rôle des protéines de l’horloge circadienne chez les plantes et les animaux. Les protéines horloges, qui régulent les changements biologiques au cours de la journée, pourraient constituer une solution astucieuse à un défi permanent en matière d’ingénierie des cultures. Créer des plantes résistantes à la sécheresse est difficile, car les plantes réagissent au stress en ralentissant leur propre croissance et leur développement – une réponse exagérée au stress signifie une plante sous-performante.
« Il existe un équilibre délicat entre augmenter la tolérance au stress d’une plante tout en maximisant sa croissance et son rendement », a déclaré Kay. « Résoudre ce défi est rendu d’autant plus urgent par le changement climatique. »
Trouver la boucle de rétroaction
Des recherches antérieures en biologie végétale ont montré que les protéines de l’horloge régulent environ 90 % des gènes des plantes et jouent un rôle central dans leurs réponses à la température, à l’intensité lumineuse et à la durée du jour, y compris aux changements saisonniers qui déterminent le moment de leur floraison. Mais une grande question en suspens était de savoir si et comment les protéines d’horloge contrôlent la façon dont les plantes gèrent les changements de niveaux de salinité de l’eau et du sol.
Pour explorer ce lien, Kay et son équipe ont étudié Arabidopsis, une plante couramment utilisée en recherche car elle est petite, possède un cycle de vie rapide, un génome relativement simple et partage des traits et des gènes communs avec de nombreuses cultures agricoles. Ils ont créé une bibliothèque de plus de 2 000 facteurs de transcription d’Arabidopsis, qui sont des protéines qui contrôlent la manière dont les gènes sont exprimés dans différentes circonstances. Les facteurs de transcription peuvent fournir des informations clés sur la régulation des processus biologiques. Les chercheurs ont ensuite construit un pipeline d’analyse de données pour analyser chaque facteur de transcription et rechercher des associations.
« Nous avons eu une très grande surprise : de nombreux gènes régulés par l’horloge étaient associés à des réponses à la sécheresse », a déclaré Kay, en particulier ceux contrôlant l’hormone abscissique. acideun type d’hormone de stress que les plantes produisent lorsque les niveaux d’eau sont très élevés ou très bas.
L’analyse a révélé que les niveaux d’acide abscissique sont contrôlés par des protéines d’horloge ainsi que par le facteur de transcription ABF3 dans ce que Kay appelle une « boucle de rétroaction homéostatique ». Au cours d’une journée, les protéines horloge régulent ABF3 pour aider les plantes à réagir aux changements de niveaux d’eau, puis ABF3 renvoie des informations aux protéines horloge pour contrôler la réponse au stress. Cette même boucle aide les plantes à s’adapter lorsque les conditions deviennent extrêmes, par exemple lors d’une sécheresse. Les données génétiques ont également révélé un processus similaire pour gérer les changements dans les niveaux de salinité du sol.
« Ce qui est vraiment spécial avec ce circuit, c’est qu’il permet à la plante de répondre au stress externe tout en gardant sa réponse au stress sous contrôle, afin qu’elle puisse continuer à croître et à se développer », a déclaré Kay.
Concevoir de meilleures cultures
Les résultats mettent en évidence deux nouvelles approches qui pourraient contribuer à renforcer la résilience des cultures. D’une part, les sélectionneurs agricoles peuvent rechercher et sélectionner la diversité génétique naturelle dans le circuit circadien ABF3, ce qui donne aux plantes un léger avantage pour répondre au stress hydrique et salin. Même une légère augmentation de la résilience pourrait améliorer considérablement le rendement des cultures à grande échelle.
Kay et ses collègues prévoient également d’explorer une approche de modification génétique, en utilisant CRISPR pour créer des gènes favorisant ABF3 afin de concevoir des plantes hautement résistantes à la sécheresse.
« Cela pourrait constituer une avancée significative dans la réflexion sur la manière de moduler les plantes cultivées pour qu’elles soient plus résistantes à la sécheresse », a déclaré Kay.
Ce travail est soutenu par l’Institut national des sciences médicales générales des National Institutes of Health (R37 GM067837).
