Pour nourrir le monde, améliorez la photosynthèse

SABBATINI BLANCS

Dans une douce serre du centre de l'Illinois, une paire de chercheurs turbulents mais concentrés ensemencent des plantes expérimentales. Les scientifiques humidifient le sol et le conditionnent dans des pots, puis inclinent soigneusement de minuscules graines de tabac brun foncé dans des flacons en verre. Dans les mois qui suivront, les chercheurs déplaceront les plantes à l'extérieur dans un champ et observeront si elles poussent plus grosses ou plus vite que d'habitude - une étape cruciale pour nourrir le monde de 2050.

Ces plants de tabac ont été modifiés à un niveau plus fondamental que les cultures biotechnologiques typiques. La façon dont ils effectuent la photosynthèse a été modifiée afin de convertir plus efficacement la lumière du soleil et le dioxyde de carbone en glucides. Si les scientifiques faisaient cela dans les cultures vivrières, n'importe quelle parcelle de terre pourrait produire plus de nourriture, ou produire la même quantité de nourriture avec moins d'eau et d'engrais.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de septembre 2017

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Le besoin est urgent. Pour nourrir une population croissante, les Nations Unies prévoient que les rendements agricoles mondiaux doivent augmenter de 50 % d'ici 2050. Et cet objectif ambitieux ne tient pas compte des effets du changement climatique. Les plantes prospèrent grâce au dioxyde de carbone, mais les journées très chaudes réduisent les rendements des cultures. Dans de nombreuses régions du monde, la hausse des températures et l'augmentation des sécheresses causées par le changement climatique seront dévastatrices. Et ces effets négatifs auront le plus grand impact sur les pauvres, déclare Steve Long, directeur du projet Realizing Enhanced Photosynthetic Efficiency (RIPE), un consortium international basé à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign.

Le projet RIPE, financé par la Fondation Bill et Melinda Gates, commence avec le tabac car il est relativement facile à manipuler génétiquement. Mais le véritable objectif du RIPE est d'améliorer les rendements des cultures vivrières telles que le manioc et le niébé, qui sont d'importantes sources de calories et de protéines dans de nombreux pays pauvres. Et il travaille sur des changements beaucoup plus ambitieux du métabolisme des plantes que ceux qui ont été apportés auparavant.

Les agronomes n'ont pas encore poussé la photosynthèse à ses limites. Et ce malgré le fait que ce processus biochimique en 160 étapes est très bien étudié et étonnamment inefficace - les plantes convertissent moins de 5 % de l'énergie de la lumière du soleil en biomasse. Une partie encore plus petite de cette somme est investie dans les parties de plantes que les gens aiment manger : graines, tubercules, haricots. L'agriculture moderne a considérablement amélioré les rendements grâce aux engrais, aux pesticides et à l'élevage traditionnel. Maintenant, les gains sont plus difficiles à obtenir. C'est pourquoi le groupe RIPE cible les inefficacités du métabolisme des plantes. (D'autres chercheurs essaient des variations sur la même idée; voir 10 Breakthrough Technologies 2015: Supercharged Photosynthèse .)

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L'année dernière, les chercheurs du RIPE ont démontré pour la première fois qu'il était possible d'améliorer les rendements des cultures sur le terrain en appliquant la photosynthèse. En augmentant les niveaux d'expression de trois gènes impliqués dans le traitement de la lumière, ils ont amélioré les rendements en tabac de 20 %.

Maintenant, l'équipe RIPE essaie d'utiliser la même astuce de génie génétique pour augmenter les rendements de cultures vivrières plus récalcitrantes. Faire en sorte que cela se produise dans le cas du manioc incombe en partie à Amanda De Souza, une post-doctorante du Brésil.

Le génie génétique de la photosynthèse du manioc est un processus délicat et long. De Souza ouvre une boîte de Pétri pour montrer des embryons de manioc, des grappes jaune clair d'environ un millimètre de large. Elle les cultive en utilisant des tissus prélevés sur un bourgeon sur une plante de manioc adulte. Cet amas de cellules, appelé cal, peut être infecté par des bactéries porteuses des gènes de traitement de la lumière. Seules quelques cellules vont réellement absorber les gènes. Ceux qui le feront seront alors exposés à un cocktail d'hormones qui les poussera à faire pousser une tige et des racines.

Chez le manioc, cette transformation génétique prend huit à dix mois, c'est-à-dire si tout se passe bien. D'autres cultures vivrières clés, notamment le riz et le niébé, sont un peu plus rapides.

Au bout du couloir, De Souza ouvre une pièce semblable à un placard inondée de lumière artificielle. Sur des étagères, de jeunes plants de manioc poussent dans des bocaux en plastique, leurs racines entourées d'un gel nutritif qui sera cueilli à la main avant que les plantes ne puissent pénétrer dans le sol.

Les champs expérimentaux de RIPE sont à 10 minutes en voiture des laboratoires. Dans cette partie du pays, les fermes cultivent principalement du soja et du maïs. Il incombe à David Drag, responsable des essais sur le terrain de RIPE, de comprendre comment le sol du centre de l'Illinois peut nourrir des cultures comme le manioc et le riz. Pour un projet, un collaborateur l'a aidé à construire une rizière. Mais en 2015, se souvient-il avec regret, il a vu l'un des projets clés de RIPE se noyer dans une violente tempête de pluie en fin de saison, malgré les efforts de l'équipe pour creuser des tranchées et des barrages. Une année de travail a été perdue - un humble rappel que même la science agricole la plus avancée est toujours à la merci de la nature.

Les plants de tabac artificiels de cette serre sont associés à des sacs pour recueillir les graines qu'ils laissent tomber, pour une utilisation dans de futurs tests.

À gauche : ce robot se déplace dans les champs pour mesurer la biomasse et d'autres aspects de la croissance des plantes.
À droite : Cet appareil, fixé sur une feuille de tabac, sonde le métabolisme de la plante. Il mesure la température et l'humidité à la surface de la feuille et siphonne l'oxygène et les autres gaz émis par la feuille dans un analyseur chimique.

Ces jeunes plants de manioc ont été génétiquement modifiés pour traiter plus efficacement la lumière du soleil.

À gauche : Une partie de la recherche fondamentale sur la biologie moléculaire de la photosynthèse est effectuée sur des algues dans des boîtes de Pétri. A droite : Une carte de la chlorophylle dans une plante, réalisée par un imageur à fluorescence.

À gauche : un imageur à fluorescence expose les plantes à des éclairs de lumière vive pour mesurer la rapidité avec laquelle elles réagissent aux variations des niveaux de lumière.
À droite : une vue à l'intérieur de l'imageur à fluorescence.

Ces expériences ont permis d'établir que les plants de tabac produisent des rendements plus élevés s'ils peuvent arrêter plus rapidement la production d'un écran solaire moléculaire lorsque les niveaux de lumière baissent. Les plantes qui réussissent bien dans ces expériences sont ensuite soumises à des essais sur le terrain.

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