Une étude révèle un gène clé protégeant les plantes des métaux nocifs présents dans le sol

Une étude révèle un gène clé protégeant les plantes des métaux nocifs présents dans le sol

Les scientifiques de Salk découvrent un gène qui améliore la tolérance au zinc des plantes, une étape importante pour produire des cultures résistantes aux métaux lourds

LA JOLLA — L'impact négatif de l'activité humaine sur la Terre ne se limite pas à l'atmosphère terrestre : il se répercute bien plus profondément, jusque dans les 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 essentielles. Parmi ces métaux lourds figure le zinc, un micronutriment essentiel à la santé des plantes et des animaux. Or, en excès, le zinc peut être extrêmement nocif pour les espèces végétales sensibles.

Certaines plantes présentent une tolérance naturelle plus élevée au zinc, ce qui leur permet de prospérer dans des conditions autrement toxiques. Cependant, la biologie de ce phénomène était jusqu'alors méconnue. 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 Communications Nature Le 11 juillet 2024, des études ont révélé que les plantes tolèrent des niveaux élevés de zinc en le piégeant dans leurs parois cellulaires racinaires, un processus facilité par un gène appelé biréfringence des trichomes (TBR). Les scientifiques et les agriculteurs peuvent désormais utiliser ces informations pour développer et cultiver des cultures plus résistantes à la contamination des sols. Améliorer la résilience des plantes est un objectif majeur du programme Salk. Initiative Exploiter les plantes.

« La structure de la paroi cellulaire est comme un échafaudage qui peut stocker le zinc loin du reste de la plante, et si le gène TBR est actif, les plantes peuvent stocker plus « éliminer le zinc », explique l’auteur principal Wolfgang Busch, professeur, directeur exécutif de l'Initiative pour l'amélioration des plantes et titulaire de la chaire Hess en phytologie à Salk. « Ce qui est intéressant avec ce processus simple, c'est qu'il peut faire la différence entre la vie et la mort pour une plante exposée à des conditions toxiques. »

La capacité d'une paroi cellulaire à stocker le 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 mené une étude d'association pangénomique afin d'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 modifications de la méthylestérification de la pectine et contribuent à déterminer la capacité d'une plante à tolérer des concentrations plus élevées de zinc », explique Kaizhen Zhong, auteur principal et ancien étudiant diplômé invité au laboratoire de Busch. « Il est essentiel de le savoir, car nous pouvons désormais potentiellement introduire ou activer ce gène dans d'autres plantes afin de créer des cultures plus résistantes aux changements environnementaux. »

Ces premières expériences ont été réalisées en Arabidopsis thaliana, une petite plante à fleurs que les scientifiques utilisent comme organisme modèle pour étudier la biologie végétale. L'étape suivante des chercheurs consistait à déterminer 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 courante de riz, culture de base pour des milliards de personnes, dans un sol présentant des niveaux toxiques de zinc. Ils ont spécifiquement comparé deux versions de Oryza—l'un avec un gène TBR fonctionnel et l'autre sans—et ont surveillé la croissance de leurs racines comme mesure de la tolérance au zinc.

Le riz doté d'un TBR fonctionnel a prospéré, confirmant que ce mécanisme de survie à la toxicité du zinc est conservé chez de nombreuses espèces végétales. Le même test a également été réalisé avec la légumineuse. Lotus du Japon, 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 servir à accroître la résilience des plantes aux niveaux toxiques de zinc et contribuer à assurer 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 vers le développement de cultures capables de résister à ces conditions. Cette étude constitue une étape importante vers cet objectif.

Les autres auteurs incluent 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.

Le travail a été soutenu par la chaire Hess de Salk en sciences végétales, la Fondation provinciale des sciences naturelles du Zhejiang de Chine (LDQ23C130001), la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (32188102, 32071991), le programme clé de recherche et développement de la province du Zhejiang (2020R51007, 2021C02056-1) et la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (32172656).

DOI: 10.1038/s41467-024-50106-5