Les stress environnementaux (ou abiotiques) comme la sécheresse, la salinité et les basses températures affectent la croissance et le rendement des plantes. Contrairement aux animaux, qui peuvent se déplacer lorsque les conditions ne leur sont plus favorables, les plantes ont développé des stratégies d’adaptation pour répondre aux changements environnementaux, en contrôlant et en ajustant leurs systèmes métaboliques.
Analyse d'un phénomène naturel
Les réponses cellulaires et moléculaires des plantes aux stress environnementaux conditionnent chaque jour leur survie. En effet, les stress peuvent, directement ou indirectement, affecter la physiologie de leur organisme en altérant leur métabolisme, leur croissance et leur développement.
Pour améliorer résistance, rendements et qualité, la connaissance des mécanismes par lesquels les végétaux perçoivent les signaux extérieurs et réagissent est primordiale.
Observation, compréhension, réaction
Ainsi, les scientifiques ont observé que la transduction (transmission) d’un signal commence par sa perception au niveau de la membrane (par un senseur ou non). Elle est suivie par la production de seconds messagers et de facteurs de transcription - qui contrôlent ensuite l’expression des gènes impliqués dans la réponse, à savoir changements morphologiques, biochimiques et physiologiques.
Par exemple, l’implication de l’acide abscissique (hormone végétale) et du calcium (second messager) dans les stress environnementaux chez les plantes ets reconnue depuis longtemps.
En résumé, lorsqu’une plante est agressée par un stress environnemental, elle réagit... Elle subit une perte importante d’eau au niveau des cellules, ce qui provoque des tensions (entre la membrane plasmique et la paroi), un dysfonctionnement de la photosynthèse, de la croissance et, par incidence, baisses de rendement.
Pour se défendre, la plante synthétise :
- des protéines spécifiques,
- des osmoprotectants, comme la proline qui permettent de maintenir l’équilibre en eau entre la cellule végétale et l’environnement extérieur,
- des acides gras afin de modifier la perméabilité de sa membrane et tenter de résister aux chocs extérieurs (thermiques, hydriques, salins, etc.).
Des solutions innovantes au service des cultures
Dès lors que les mécanismes de réponse sont connus, il devient possible de les modifier. Les biotechnologies pourraient, en ce sens, permettre d’améliorer les rendements des plantes cultivées en y intégrant des gènes impliqués dans les réponses aux stress. Actuellement, aucune variété transgénique tolérante n’est encore commercialisée. Un maïs tolérant à la sécheresse est annoncé pour 2012 aux USA, d’après le rapport du FARM 2010.
Un maïs utilisant mieux l’eau disponible
L’amélioration des rendements du maïs résulte d'un grand nombre de facteurs, dont l'un des plus importants est la tolérance aux stress environnementaux, en particulier aux déficits hydriques. En effet, pour le maïs, la période de pollinisation et le début du remplissage des grains est la plus sensible à un stress hydrique (période estivale en France). Or, l’eau est une ressource limitée dont l’agriculture est la première utilisatrice, devant l’industrie et la consommation humaine.
Pour la culture du maïs, une façon de diminuer l’utilisation d’eau consiste à créer des variétés qui tolèrent une disponibilité réduite, sans affecter leurs capacités de production. Grâce à des études génétiques, plusieurs maïs transgéniques ont été créés, par l’introduction de gènes impliqués dans la réponse à un déficit hydrique. Par exemple, un maïs plus tolérant à la sécheresse a été mis au point grâce à l’introduction par transgénèse d’un gène du sorgho, céréale africaine particulièrement tolérante à la sécheresse.
Des analyses du comportement photosynthétique de ces plantes en situation de restriction, sous serre, ont permis de montrer que l’efficacité d’utilisation de l’eau était significativement augmentée (+ 25 %).
Du riz tolérant aux stress environnementaux
La tolérance des plantes aux agressions environnementales est un mécanisme complexe, influencé par l’expression coordonnée et différentielle d’un ensemble de gènes. L'une des réponses à des stress hydriques étant l’accumulation de sucres et autres solutés tels que le tréhalose. Ces composants servent d’osmoprotectants (stabilise les enzymes, les protéines et les lipides des membranes pendant la période de stress) et, dans certains cas, ils servent à stabiliser les biomolécules sous conditions de stress.
Or, la plupart des espèces n’accumulent pas ce tréhalose, à l’exception "des plantes à résurrection", capables de résister à des sécheresses intenses et de renaître à la moindre goutte de pluie. Elles survivent alors que leur teneur en eau ne représente que 5% de leur poids – deux fois moins que dans le riz par exemple.
Une observation qui a inspiré la recherche d'un riz plus résistant aux déficits hydriques. Le riz étant l'aliment le plus consommé au monde, avec une production représentant plus de 685 millions de tonnes par an en 2009 (source FAO).
Une variété de riz transgénique a ainsi été créée, dans laquelle a été intégrée deux gènes d’origine bactérienne produisant simultanément deux enzymes responsables de la synthèse du tréhalose (Garg A.K. et al, 2002, PNAS, vol. 99, n°25).
Les résultats ont été conformes aux espoirs des chercheurs : ces plantes transgéniques produisent trois à huit fois plus de tréhalose que les plantes témoins non transgéniques, sans que leur croissance ou leur fertilité en soit affectées dans des conditions normales de culture. De plus, soumis en laboratoire à des stress importants, ils ont démontré leur potentiel de "résurrection", tandis que les variétés non transgéniques soumises au même régime ont vu leur croissance "sévèrement inhibée". Les chercheurs ont également observé sur ces mêmes plantes, qu’elles survivent aussi à des températures inférieures de dix degrés à celles supportées par des riz non transgéniques.
Un exemple qui montre les possibilités de l’utilisation de la transgénèse pour améliorer la tolérance des plantes cultivées à différents stress environnementaux.
