La bio-ingénierie stimule la photosynthèse et augmente les rendements des cultures vivrières pour la toute première fois.

Pas moins de 828 millions de personnes ont été touchées par la faim en 2021, et ce nombre continue de croître. Mais nous ne pouvons plus nous permettre d’augmenter la production alimentaire par l’expansion agricole. Nous devons cultiver plus de nourriture sur les terres déjà cultivées en augmentant le rendement. Avec des rendements qui stagnent depuis la révolution verte, de nouveaux développements via la bio-ingénierie fournissent un moyen de relever le défi.

Une étude récente du Dr. Amanda DeSouza et ses collègues ont augmenté le rendement du soja jusqu’à 33 %. Le soja est la plus grande source mondiale de protéines animales et la deuxième source d’huile végétale. Bien qu’il y ait eu de nombreux succès dans la bio-ingénierie du soja pour augmenter le rendement du soja au cours de la dernière décennie, aucun n’a démontré ces augmentations dans les conditions naturelles du champ.

Pourquoi le soja à haut rendement issu de la bio-ingénierie n’a-t-il pas été testé sur le terrain auparavant ?

Les chercheurs utilisent la bio-ingénierie pour améliorer le soja depuis plus de 30 ans. Au cours de cette période, une grande partie des progrès a consisté à conférer une résistance aux herbicides, bien que la qualité des semences, la résistance aux ravageurs, la tolérance au sel et à la sécheresse et les caractéristiques agronomiques soient également des cibles. La plupart de ces plantes ont été testées à l’aide d’expériences en serre avec des plantes cultivées dans des pots individuels.

Des études de plantes issues de la bio-ingénierie sont réalisées en serre pour plusieurs raisons. Les serres sont faciles d’accès, permettent d’effectuer des expériences répétées tout au long de l’année et permettent aux chercheurs de contrôler les conditions environnementales. D’autre part, les expériences sur le terrain offrent des saisons de croissance limitées, ont peu ou pas de contrôle sur les variables abiotiques et biotiques, et sont longues et coûteuses à gérer. Pour les expériences impliquant des plantes bio-modifiées, les chercheurs doivent obtenir une autorisation gouvernementale qui limite et contrôle la libération.

Pourtant, il est difficile d’extrapoler les résultats des essais en laboratoire et en serre aux résultats sur le terrain où les plantes poussent ensemble pour former une canopée et subissent des stress biotiques et abiotiques et des conditions météorologiques extrêmes, qui affectent les performances et le rendement des plantes. Cependant, c’est une étape importante car le soja est exclusivement cultivé en plein air.

Les conditions naturelles du champ ont fourni l’environnement lumineux exact nécessaire pour tester leur soja bio-modifié

La lumière ressentie par les plantes dans le champ est très dynamique. Lorsque l’intensité lumineuse est trop élevée ou augmente trop rapidement pour que la photochimie utilise la lumière absorbée, la photoprotection est activée pour les protéger des dommages, permettant aux feuilles de dissiper l’excès d’énergie. Cependant, lorsque les feuilles sont ombragées (par d’autres feuilles, des nuages ​​ou le soleil se déplaçant dans le ciel), cette photoprotection doit s’éteindre pour que les feuilles puissent continuer le processus de photosynthèse avec une réserve de lumière solaire. Il faut plusieurs minutes à la plante pour désactiver le mécanisme de protection, ce qui lui fait perdre un temps précieux qui aurait pu être utilisé pour la photosynthèse.

Les auteurs de l’étude ont ciblé trois gènes qui codent pour les protéines du cycle de la xanthophylle, qui est un cycle pigmentaire qui aide à la photoprotection des plantes. En surexprimant les trois gènes dans le soja à l’aide de la construction VPZ, les auteurs ont pu accélérer la récupération de la photoprotection. Lorsqu’elle a été testée sur le terrain, l’accélération a donné aux feuilles des minutes supplémentaires de photosynthèse qui, ajoutées tout au long de la saison de croissance, ont augmenté le taux de photosynthèse total. Cela s’est traduit par une augmentation du rendement allant jusqu’à 33 % avec pratiquement aucun changement dans la teneur en protéines et en huile.

Un graphique avec les événements de transformation de type sauvage et 8 VPZ sur l'axe des x et les rendements en tonnes par hectare sur l'axe des y.  Le rendement de type sauvage est d'environ 5 tonnes par hectare.  Cinq des 8 lignées transgéniques ont une augmentation significative du rendement.  Aucune des lignées n'a de baisse de rendement.
De huit VPZ transgéniques indépendants
événements de transformation, cinq ont montré une augmentation significative du rendement en graines.

Cette découverte a été plus d’une décennie dans la fabrication.

En 2004, le co-auteur Steve Long a mené une étude utilisant des simulations de modèles qui a montré qu’un retard dans la récupération de la photoprotection dans une canopée multicouche réduisait la photosynthèse jusqu’à 30%.

En 2011, le co-auteur Kris Niyogi a théorisé comment la capacité de photoprotection d’une plante pouvait être génétiquement manipulée. Dans cet article, il a suggéré les trois gènes du cycle de la xanthophylle testés comme cibles.

En 2016, l’équipe de Niyogi a démontré que l’extinction non photochimique pouvait être induite et relâchée plus rapidement en utilisant l’expression génique transitoire des trois gènes du cycle de la xanthophylle. L’expression transitoire est l’expression temporaire de gènes, dans ce cas, dans une feuille de tabac où les gènes ont été injectés.

En 2016, les équipes de Long et Niyogi ont travaillé ensemble pour tester la construction VPZ dans le tabac. Le tabac a été choisi parce qu’il est facile à transformer, qu’il produit beaucoup de graines et qu’il peut être testé sur le terrain. Ces travaux ont entraîné une augmentation de 14 à 21 % de la production de biomasse végétale dans des conditions de terrain naturelles.

En 2022, la construction VPZ a été testée sur du soja cultivé dans des conditions de champ naturelles, ce qui a entraîné une augmentation du rendement allant jusqu’à 33 %.

Découvrez comment les scientifiques ont amélioré l’efficacité des plantes en accélérant la récupération après la photoprotection dans cette vidéo de Science Magazine.

Cette découverte fera-t-elle une différence dans la lutte contre la faim dans le monde ?

Il est probable que cette modification puisse augmenter les rendements d’autres cultures car toutes les plantes utilisent ces mêmes trois gènes pour réguler l’extinction non photochimique. Aussi, il est techniquement possible de modifier d’autres cultures ; le maïs, le coton, les pommes de terre, le canola, le blé, le riz, les fraises, la laitue, l’aubergine et de nombreuses autres céréales, fruits et légumes ont déjà été biogénérés et commercialisés avec succès. De plus, une fois développées, il existe déjà un précédent pour la culture de cultures bio-modifiées dans une grande partie du monde. Par exemple, en 2019, 74 % des graines de soja plantées dans le monde étaient génétiquement modifiées pour la tolérance aux herbicides et la résistance aux insectes.

Cependant, il y a beaucoup de recherche, d’examen et de réglementation impliqués dans la mise sur le marché d’un nouveau produit issu de la bio-ingénierie. Selon le Genetic Literacy Project, « aux États-Unis, où se produit une grande partie du génie génétique agricole, il faut en moyenne près de huit ans et la dépense de plus de 135 millions de dollars pour développer un nouveau trait et le faire passer par le processus réglementaire .”

LIRE L’ARTICLE:

Amanda P. De Souza, Steven J. Burgess, Lynn Doran, Jeffrey Hansen, Lusya Manukyan, Nina Maryn, Dhananjay Gotarkar, Laurie Beth Leonelli, Krishna K. Niyogi, Stephen P. Long. 2022. «La photosynthèse du soja et le rendement des cultures sont améliorés en accélérant la récupération après la photoprotection», La science https://www.science.org/doi/10.1126/science.adc9831

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