Le microbiome des plantes au cœur d’une nouvelle agriculture

Miriane Demers-Lemay
Collaboration spéciale
Les micro-ARN étudiés par la chercheuse Jessica Dozois sont extraits de l’environnement racinaire de plantes en laboratoire.
Photo: Jessica Dozois Les micro-ARN étudiés par la chercheuse Jessica Dozois sont extraits de l’environnement racinaire de plantes en laboratoire.

Ce texte fait partie du cahier spécial Environnement

Comment réinventer l’agriculture pour réduire son empreinte écologique et assurer la sécurité alimentaire d’une population mondiale croissante ? Une petite partie de la solution pourrait bien se trouver à l’interface entre les racines et le sol, dans le « microbiome » des plantes. C’est sur cet aspect que misent des chercheurs de l’INRS afin d’améliorer le processus de sélection et la compétitivité des plantes cultivées.

Dans un avenir rapproché, il est probable que nos cultures devront composer avec plus de sécheresses, des inondations ou des changements de composition du sol. Comment nos céréales et légumes vont-ils réagir au stress et continuer à s’approvisionner en nutriments pour croître au maximum de leur potentiel ?

Pour améliorer les variétés végétales afin qu’elles puissent faire face à ces défis, une équipe de chercheurs mise sur la sélection des plants les plus efficaces dans l’absorption des nutriments. Sous l’effet du stress, à quelle vitesse ces nutriments sont-ils captés, distribués et stockés par la plante ? Pour scanner avec précision ces mécanismes au niveau moléculaire, les chercheurs utilisent une technologie novatrice : le laser de type synchrotron.

« On avait des problèmes d’imagerie de plantes. L’important, c’était de faire une radiographie en trois dimensions sur des temps très courts, de voir la relation entre le système racinaire et le développement macroscopique de la plante, ou encore de voir comment la plante évolue quand on change la composition de la terre, par exemple », explique Jean-Claude Kieffer, physicien à l’Institut national de la recherche scientifique (INRS). Il codirige le projet avec Brian Ham, de l’Institut mondial pour la sécurité alimentaire (GIFS) en Saskatchewan. Les chercheurs du projet se concentrent sur l’interface entre les racines et le sol, la rhizosphère, également considérée comme le microbiome des plantes.

Au Canada, une machine permet de faire de telles images : le synchrotron, un immense accélérateur de particules situé à Saskatoon. Après avoir travaillé dans le domaine médical, Jean-Claude Kieffer s’attelle depuis plusieurs années à une tâche titanesque : développer une version miniaturisée (de quelque 10 mètres carrés !) de rayonnement synchrotron pouvant être transportée jusqu’à la ferme.

« On a mis en place une machine qui fonctionne de façon très stable, avec une cadence de 2,5 images par seconde, se réjouit le spécialiste des lasers, qui énumère de nombreux défis techniques pour parvenir à un tel résultat. Cela ressemble à de l’holographie avec des rayons X. »

Image: Jean-Claude Kieffer Une radiographie du système racinaire d’un jeune plant de canola obtenue avec la source de rayonnement X produit par laser à l’INRS

« L’idée, c’est de faire une sélection rapide de plantes et d’augmenter le volume de production des plaines canadiennes, poursuit le chercheur. C’est un programme unique au monde ! J’ai déjà été invité à le présenter en Russie. L’Inde aussi était extrêmement intéressée. » Avec cette technologie, M. Kieffer espère contribuer aux pistes de solution pour assurer la sécurité alimentaire dans le monde. « Je fais beaucoup de physique fondamentale, mais il faut que ce soit utile ! » s’exclame le passionné.

Des micro-ARN pour améliorer la compétitivité

 

Si l’épandage d’engrais permet d’assurer une meilleure production alimentaire, l’activité génère des impacts environnementaux comme la contamination des cours d’eau. Pour réduire la quantité d’engrais prescrite pour diverses cultures, la candidate au doctorat en biologie à l’INRS Jessica Dozois tente de décortiquer certains mécanismes mal compris du microbiome des plantes. À l’instar de notre microbiome intestinal, ce dernier joue un rôle dans l’absorption des nutriments et pourrait permettre de réduire les besoins en engrais dans les champs.

« Il y a beaucoup de bactéries et de micro-organismes qui sont au niveau des racines des plantes », note-t-elle. Certains d’entre eux permettent à la plante de mieux assimiler des éléments comme l’azote, tandis que d’autres vont entrer en compétition avec la plante pour les mêmes ressources.

La chercheuse se penche sur un mécanisme encore mal compris dans la relation entre la plante et différentes bactéries. Les plantes peuvent sécréter des molécules pour notamment mieux se défendre ou être plus compétitives. En échantillonnant avec beaucoup de doigté cette fine couche entre le sol et les racines, elle a découvert des micro-ARN, de minuscules fragments génétiques d’un seul brin, qu’elle a réussi à identifier grâce au séquençage génétique.

Il semble qu’en allant se coller au code génétique des bactéries, ces micro-ARN peuvent modifier ou même empêcher la fabrication de certaines protéines ayant un rôle dans l’absorption de nutriments par la bactérie. Ces petites molécules pourraient donc agir comme des inhibiteurs bloquant l’assimilation de certains nutriments par les bactéries, permettant d’en laisser davantage pour la plante. En stimulant la production de certains micro-ARN, la plante pourrait-elle se contenter d’une quantité réduite d’engrais ? C’est ce qu’espère Jessica Dozois, qui, après une maîtrise sur ce sujet, poursuit ses investigations sur la question dans le cadre d’un doctorat sous la supervision d’Étienne Yergeau.

Ces micro-ARN ont été synthétisés, explique la doctorante. « Ce qu’on fait, c’est les mettre en présence d’une bactérie importante pour voir ce qui se passe avec différentes formes d’azote », dit-elle. Par la suite, Jessica Dozois espère que de petites molécules inoffensives pourraient être appliquées sur les plantes pour stimuler la production de micro-ARN très spécifiques, leur permettant d’être plus compétitives face à certaines bactéries.

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