Carole Gauron, ingénieure en technique d’imagerie, observe la récolte de riz asiatiques et africains qu’elle analysera par la suite au microscope.

© IRD - Patrick Landmann

Dans les serres, des plantes sous surveillance

Mis à jour le 16.11.2021

À Montpellier, accolées aux laboratoires des unités de recherche PHIM et DIADE, des serres abritent depuis 1990 des centaines de plantes d’origine tropicale. Les différentes variétés de riz, mil, sorgho, maïs ou même maniocs et caféiers constituent une base de données et d’expérimentations exceptionnelle pour les scientifiques. Qu’ils soient biologistes, épidémiologistes ou généticiens, leur objectif est commun : améliorer la santé des plantes de manière durable et répondre aux nouveaux enjeux agricoles dans le contexte du changement climatique.

 

William Ribière, technicien référent des serres, répare un rideau d’ombrage des serres.

© IRD – Jean-Baptiste Avril

Des végétaux sous contrôle

La culture de riz en serre permet d’étudier son rendement ainsi que les pathogènes et les virus qui le touchent

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Cinq chapelles sont alignées sur 540 mètres carrés : leur toit est de verre, leur architecture d’acier. À l’intérieur de chacune, trois compartiments où sont cultivées des centaines de plantes. Des caféiers sauvages d’Afrique centrale au riz domestiqué d’Asie, les serres du site de l’IRD à Montpellier abritent des végétaux provenant de l’ensemble des zones tropicales. « Les serres ont été construites en 1990 pour accueillir des plantes sur lesquelles travaillent nos équipes, explique Alain Ghesquiere, responsable du projet de contrat plan État-Région (CPER) du Réseau des serres de Montpellier (RéSEM). Certaines sont conservées pour leur valeur patrimoniale mais la majorité sont analysées pour mieux connaître leurs caractéristiques, leurs réactions face aux évolutions climatiques ou à l’attaque de pathogènes tels que les virus, les bactéries et les champignons. Faire pousser des végétaux, du riz, du mil, du manioc ou du sorgho, nous permet de bénéficier de tissus frais pour nos analyses. »

 

Un panneau de gestion climatique permet de gérer l’ensoleillement au sein des serres.

© IRD – Jean-Baptiste Avril

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Reproduire des conditions extrêmes

Trois grandes chaudières à gaz chauffent en permanence les serres, hormis en été lorsque la température extérieure est suffisamment élevée pour diminuer le chauffage. À l’intérieur, la température varie entre 25 à 30°C et le taux d’humidité entre 60 et 80 %.

 


William Ribière, technicien référent des serres (service patrimoine et logistique IRD), modifie les conditions climatiques selon les besoins des chercheurs : « J’essaie de répondre au mieux à leurs besoins sachant que certains peuvent être spécifiques. Il m’a été demandé par exemple de recréer l’environnement du Sahara, soit une très forte chaleur (40°C) avec très peu d’humidité. Tout cela permet de mesurer la réponse des plantes à des conditions extrêmes. » Depuis plusieurs années, des mesures ont été prises pour amoindrir l’impact environnemental de ces équipements : double vitrage installé sur l’ensemble des serres entre 2015 et 2020 et remplacement des chaudières, aujourd’hui à condensation, en 2016. Les ampoules à sodium auparavant utilisées ont également été changées par des projecteurs LED, bien plus économes. 

 

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William Ribière calibre des sondes pour les cultures de palmiers dans les serres de confinement S2.

Confiner les plantes

Une porte imposante s’ouvre sur un sas : c’est l’entrée du S2, des serres confinées de 300 mètres carrés, là où les scientifiques travaillent avec des pathogènes de quarantaineOrganismes nuisibles dont l’importation dans une région donnée peut entrainer des problèmes économiques, sociaux ou environnementaux. et où sont également cultivées des plantes génétiquement modifiées. Pour y entrer, il faut revêtir une blouse et des surchaussures. Le sas est en dépression, les effluents sont récupérés, stérilisés, de même que les déchets, afin d’éviter toute fuite d’agents infectieux ou d’organismes modifiés vers l’extérieur. « La Camargue, où du riz est cultivé, est située à moins d’une centaine de kilomètres des serres, indique Alain Ghesquiere. Nous ne pouvons pas prendre le risque d’une contamination dans ces zones cultivées ni dans la nature environnante. »

 

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Émilie Thomas, technicienne de recherche, inocule des souches bactériennes de Xanthomonas à des plants de riz dans la chambre de culture du laboratoire de bactériologie, en zone S2.

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Plusieurs laboratoires confinés dans cette zone S2 jouxtent les serres : c’est ici que les scientifiques réalisent leurs travaux d'expérimentations. Ils disposent également de trois chambres de culture, où les conditions climatiques sont contrôlées très précisément. Enfin, trois impressionnants congélateurs permettent de conserver des souches de virus et de bactéries à – 80 °C ainsi que des échantillons de plantes.« Des études sont en cours pour réduire l’impact environnemental de ces congélateurs, précise William Ribière. Par exemple, diminuer la température de – 80°C à – 70°C permettrait de réaliser des économies. Cependant, nous devons être sûrs que cela n’influe pas sur la qualité de conservation des échantillons. » 

Si cet espace de stockage est utile aux scientifiques montpelliérains, ces échantillons sont également précieux pour leurs partenaires. « Dans certains pays du Sud où des pannes de courant peuvent se produire fréquemment, il est très rassurant pour les chercheurs étrangers de pouvoir disposer de cette banque ici, à Montpellier, où leurs échantillons sont dupliqués. En cas de perte des souches, nous pouvons leur transmettre immédiatement un duplicata », indique Alain Ghesquiere.

 

À chaque graine sa conservation

Pour conserver des graines vivantes, il faut d’abord les faire sécher puis les entreposer dans des réfrigérateurs. Or, les graines de certaines plantes appelées récalcitrantes – comme les caféiers, les agrumes, les palmiers… – ne supportent pas la déshydratation. Seules les collections en champ permettaient auparavant de conserver leur biodiversité. « Mais ces plantations sont vulnérables car elles restent exposées aux maladies, aux parasites et aux catastrophes climatiques, explique Stéphane Dussert, biologiste. Nous avons donc mis au point une technique de conservation à long terme spécifique pour ces graines, la cryoconservation. Les graines sont plongées dans de l’azote liquide à -196 °C. Les mouvements moléculaires sont extrêmement ralentis et les processus de détérioration sont ainsi stoppés par le froid. » La longévité de ces graines est alors de l’ordre de plusieurs siècles et leur diversité préservée dans des conditions sécurisées. En ce qui concerne les graines orthodoxes - qui sont aptes à la dessiccation - comme celles du riz, du mil ou du sorgho, les collections des espèces sauvages et cultivées sont conservées en chambre froide. Elles seront par la suite transférées dans le bâtiment ARCAD, un centre de ressources pour la conservation et l’étude des plantes cultivées tropicales et méditerranéennes, inauguré le 6 octobre 2021, ainsi que la serre AbioPhen.

 

Cryoconservation plantes tropicales
Les graines sont plongées dans de l’azote liquide à -196 ° C pour être conservées. Crédit : IRD – Patrick Landmann

 

Thierry Joët, biologiste, observe la floraison d’un caféier cultivé dans l’une des serres.

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Richesses génétiques : collectionner et analyser

Valérie Poncet, généticienne, et Thierry Joët, biologiste, sont tous deux diserts sur les caféiers précieusement abrités au sein des serres. Pour cause, ces arbres prélevés dans les années 1960 à 1980 dans les forêts d’Afrique sont aujourd’hui difficilement accessibles aux scientifiques, certaines espèces ayant disparu de leur habitat naturel. Alors les deux chercheurs sont aux petits soins pour leurs spécimens sauvages. « Le café est très facilement clonable, précise Valérie Poncet. Il suffit de bouturer un échantillon et il repousse à l’identique de l’original. Les serres abritent ainsi des représentants de 33 espèces du genre Coffea. » L’ensemble de ces ressources a été transféré à La Réunion, au sein du Centre de ressources biologiques Coffea, où elles sont conservées en plein champ. Cependant, certaines espèces rencontrent des difficultés à s’adapter aux conditions climatiques de La Réunion. Préserver les plantes en serres constitue ainsi une ressource indispensable pour la recherche. « Nous disposons par exemple du spécimen original utilisé pour le séquençage du génome de Coffea canephora (produisant le café Robusta) servant de référence pour la communauté scientifique du café, poursuit la chercheuse. Il s’agit d’un exemplaire haploïde doubléTechnique de sélection variétale qui permet d’obtenir un plant qui possède deux copies identiques de chacun de ses chromosomes d'où son grand intérêt., unique au monde. »

 

Valérie Poncet étudie les caféiers sauvages pour leurs propriétés de résilience face aux changements climatiques.

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Caféiers en danger

Les scientifiques s’attachent notamment à identifier des gènes d’espèces sauvages qui pourraient être intéressants pour les espèces cultivées. En effet, les forêts naturelles où poussent Coffea canephora, notamment en Ouganda, devront affronter le changement climatique mais aussi une pression humaine de plus en plus forte d’ici 2050. Les caféiers se retrouveront en situation de vulnérabilité génomique et écologique :  ils ne seront pas en mesure de résister à ces évolutions environnementales et devront faire face à une diminution de la taille de leur habitat favorable. Les chercheurs souhaitent ainsi établir la carte d’identité génétique de ces espèces afin de déterminer leur potentiel de résistance aux changements climatiques. Les partenaires scientifiques de l’IRD en Afrique pourront utiliser ces jeux de marqueurs génétiques pour analyser la diversité des caféiers de leurs terrain d’étude et élaborer des sélections utiles aux producteurs locaux.

« Ces différentes espèces de caféiers sont adaptées à des habitats très contrastés, de la forêt tropicale humide à la savane, poursuit Thierry Joët. Leur étude, à travers des approches de physiologie et de génomique comparative, nourrit les connaissances sur le potentiel d'adaptation des arbres tropicaux aux contraintes environnementales et aux changements climatiques. L’objectif est en effet d’identifier des phénotypesEnsemble des traits observables d'un organisme au niveau d'un seul caractère, à l'échelle cellulaire ou moléculaire. qui aident les plantes à résister à des climats extrêmes et qui pourraient revêtir un intérêt pour l’amélioration variétale. »

 

 

Introgression du mil

Le projet PemilAdapt, mené par Cécile Berthouly-Salazar, s’attache quant à lui à déterminer si le génome du mil cultivé a expérimenté une introgressionTransfert de variants génétiques d'une espèce vers le pool génétique d'une autre. de certaines régions du génomeEnsemble du matériel génétique d'une espèce codé dans son ADN. du mil sauvage. Ce dernier évolue en effet dans le nord du Sahel, où les conditions climatiques – sécheresse, chaleur – sont davantage stressantes qu’au sud de cette région. « Au cours de son évolution, le mil sauvage s’est adapté à des environnements difficiles, il s’est diversifié de manière naturelle, appuie la chercheuse. Dans certaines régions, les mils sauvages et cultivés se côtoient et des hybrides se forment. En cas de descendance fertile, il peut y avoir une introgression du génome étranger qui perdure par la suite. »

 

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Leila Zekraoui, chargée des expérimentations, prélève un échantillon de mil (Pennisetum glaucum) en vue d'une extraction d'ADN. Les échantillons sont cryoconservés.

Les chercheurs vérifient ainsi le statut des mils des serres – sauvage, cultivé, hybride – avant de lancer le séquençage de leur génome. La résistance des plants au stress hydrique est ensuite testée dans des champs au Niger :  diminution de l’arrosage des plants de mil et identification des génotypes les plus résistants. Les scientifiques montpelliérains pourront ensuite les proposer aux sélectionneurs du Sahel. « À très long terme, cela aidera à la production de variétés adaptées à des conditions plus arides, notamment au Niger où des essais agronomiques sont aujourd’hui mis en place », poursuit Cécile Berthouly-Salazar.

 

Cédric Mariac, biologiste, broie des feuilles de riz africain pour en extraire l’ADN.

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Séquenceurs de troisième génération

Pour étudier la diversité génétique et génomiqueEnsemble du matériel génétique d'une espèce codé dans son ADN. , les scientifiques peuvent s’appuyer sur des séquenceurs de troisième génération, capables de séquencer de très longues molécules d’ADN en peu de temps. Ainsi, si le séquençage du génome  humain – qui représente 3 milliards de paires de nucléotidesÉlément constitutif d'une molécule d'acide nucléique, ADN ou ARN. – terminé en 2003, a demandé une dizaine d’années de travail et trois milliards de dollars, il est aujourd’hui possible grâce à ces nouvelles technologies de séquencer un génome entier en quelques jours et pour un budget très modeste.

 

Pour obtenir de tels résultats, Cédric Mariac, biologiste, broie tout d’abord dans de l’azote liquide les tissus dont il veut décrypter le génome. Il en extrait de l’ADN de haut poids moléculaire, c’est-à-dire des molécules d’ADN de grandes tailles, qu’il déposera ensuite sur la cellule d’un séquenceur. Lorsque les molécules d’acides nucléiques traversent les nanopores de la cellule, un signal électrique spécifique de leur composition en nucléotides est généré : ce signal électrique est alors converti en séquences. « Chaque nanopore peut lire jusqu’à 400 bases par secondes, précise le scientifique. Nous pouvons également piloter le séquençage en temps réel ce qui nous permet d’ajuster précisément l’effort de séquençage aux besoins. Ces données générées par les séquenceurs de troisième génération nécessitent des ressources de calcul et de stockage de plus en plus importantes. Nous avons dû ainsi nous équiper d’un cluster de calcul d’une trentaine de serveurs en quelques années.La plateforme bioinformatique I-Trop est mutualisée entre quatre UMR plante-santé : DIADE, PHIM, MIVEGEC et TransVIHMI.1»

Ce changement d’échelle dans l’analyse génomique aide les scientifiques à appréhender l’évolution des espèces au fil du temps. Ainsi, Christine Tranchant, bioinformaticienne, étudie les variations au sein des génomes du riz africain sauvage et cultivé. « Des gènes peuvent être communs à ces deux espèces, indique-t-elle. D’autres non, du fait par exemple des sélections successives opérées par les agriculteurs sur leurs semences. Aujourd’hui, nous pouvons découvrir cela lors d’analyses pangénomiquesAnalyse de l’ensemble des séquences présentes dans les génomes de différents individus issus d’une même population, d’une même espèce ou d’espèces différentes. réalisées à très large échelle alors que ce n’était pas possible auparavant ! Nous détectons de nouveaux gènes et nous découvrons également une diversité incroyable en nombre de gènes d’un individu à un autre au sein d’une même population. C’est une période extraordinaire que nous vivons ! »

La rapidité et le faible coût de cette nouvelle génération de séquenceurs permet également de déployer cette technologie au Sud. Une fois formés à Montpellier, les scientifiques partenaires peuvent analyser à leur tour des données recueillies directement sur le terrain.

 

Encadrer le transfert de ressources génétiques

Les plants sont transférés sur le site de l’IRD à partir des zones tropicales où ils poussent. Depuis l’entrée en vigueur du protocole de NagoyaQui vise un partage juste et équitable des avantages découlant de l'utilisation des ressources génétiques de « plantes, animaux, bactéries ou d'autres organismes, dans un but commercial, de recherche ou pour d’autres objectifs »). , le 12 octobre 2014, l’IRD signe des conventions avec les pays d’où proviennent ce matériel végétal. Auparavant, les conventions de transfert de matériel étaient uniquement établies avec les partenaires – université, institut de recherche – dans un cadre de recherche précis. La dimension de partage des avantages n’était pas prise en compte. « Avec le protocole de Nagoya, l’objectif est de clarifier, harmoniser et sécuriser les transferts de ressources génétiques, précise Maïa Lejbowicz, chargée des affaires juridiques au sein de l’UMR DIADE. Lorsqu’un chercheur souhaite accéder à du matériel végétal dans un pays en particulier, nous expliquons à la personne référente de cette réglementation dans cet État, quelles sont les expérimentations qui seront réalisées et les objectifs de recherche fondamentale à atteindre. L’État, fournisseur de ce matériel végétal, décide d’accorder ensuite ces autorisations en fonction du principe de l’APA : Accès Partage Avantage (voir vidéo ci-dessous). En échange de ce matériel génétique, l’IRD ne rétribue pas directement un État mais s’engage, par exemple, à contribuer à la formation des chercheurs étrangers et à leur accueil en France. »

 

 

Les expériences menées dans le cadre du projet ICARUS ont pour but d'améliorer la résistance du sorgho au changement climatique.

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Production, adaptation et nutrition : le trésor des plantes


Quelles sont les vertus thérapeutiques et nutritionnelles des végétaux ? Comment améliorer leur rendement, leur résistance au changement climatique ? Les scientifiques de l’UMR DIADE analysent les végétaux sous toutes les coutures afin de répondre aux enjeux climatiques et environnementaux futurs.

 

Carole Gauron dissèque un méristème floral de riz pour l’observer à la loupe binoculaire.

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Ainsi, Carole Gauron, ingénieure en techniques d’imagerie, utilise l’analyse par fluorescenceÉmission lumineuse provoquée par l'excitation d’une protéine fluorescente. pour comprendre pourquoi certains plants de riz sont plus ou moins productifs. La jeune ingénieure travaille principalement sur des inflorescencesStructure d’une plante portant les fleurs. . La manière dont elles sont ramifiées influent en effet sur le nombre des futurs grains qu’elles portent, et donc sur le rendement. Elle compare des variétés contrastées en matière d’architecture de la paniculeTige ramifiée sur lesquelles sont disposées les fleurs. qui diffèrent selon leur caractère domestique ou sauvage, mais aussi en fonction de leurs origines – asiatique ou africaine – afin de comprendre comment, au fil de milliers d’années, la domestication a transformé génétiquement les plantes et a amélioré leur rendement. « Lorsque je coupe la tige, je récupère le méristèmeZone de division cellulaire, à l’origine d’organes et/ou de tissus végétaux, sorte de « pool » de cellules souches., un petit dôme de cellules duquel va émerger la panicule de riz et qui conditionne l’architecture future de celle-ci. J’étudie ensuite la morphologie des cellules ainsi que l’expression de gènes de développement intéressants pour nos études », précise Carole Gauron.

Lorsqu’elle souhaite étudier un groupe de cellules spécifique, elle utilise des marqueurs fluorescents qui lui permettront de l’identifier par la suite au microscope. « Cette technique est utilisée notamment pour créer des plantes transgéniques servant à étudier des processus in vivo. On peut ainsi « coller » génétiquement un marqueur fluorescent à une protéine d’intérêt, et suivre son action tout au long de la vie de la plante » ajoute-t-elle.

 

Minimiser les pertes en eau

Mais les plantes pourront-elles continuer à produire autant dans un monde globalement plus sec et plus chaud ? Comment pourront-elles s’y adapter ? Vincent Vadez, écophysiologiste, tente de répondre à ces questions en axant son étude sur l’évapotranspiration et la circulation de l’eau au sein de la plante. Il coordonne le projet ICARUS (Improve crops in arid regions and future climates), lauréat de l’appel à projets MOPGA (Make our planet great again). « Nous voulons comprendre comment les plantes, notamment les céréales, régulent leurs pertes en eau, explique-t-il. Certaines plantes ont en effet des caractéristiques particulières qui leur permettent de réduire leur transpirationProcessus continu de montée de sève et d’eau des racines aux feuilles causé par l'évaporation d'eau par les feuilles. en conditions chaudes et sèches. Une fois que nous les aurons caractérisées et compris leur déterminisme génétique, l’objectif sera d’utiliser ces informations pour développer des variétés améliorées, davantage résistantes à la sécheresse climatique. »

 

ICARUS : plusieurs angles d’études

Quatre axes structurent le projet ICARUS. Dans un premier temps, les scientifiques analysent la circulation de l’eau au sein de la plante à travers plusieurs expériences dans les serres montpelliéraines. Dans un deuxième temps, les chercheurs étudieront l’aspect génétique de cette question : ils souhaitent déterminer quelles sont les parties du génome impliquées dans la restriction des pertes en eau de la plante. Les scientifiques utiliseront dans un troisième temps la modélisation pour simuler le rendement d’une culture dans des conditions données – conditions météorologiques, sol, variétés… . Enfin, augmenter la densité de semis aiderait aussi à limiter l’évaporation de l’eau du sol. Des expériences en Inde ont démontré qu’un semis plus dense, 20 au lieu de 10 plantes au mètre carré, diminue les pertes en eau du sol et augmente l'efficacité d'utilisation de l'eau.
ICARUS prendra fin en 2024. Actuellement, les premières données extraites de ces expérimentations menées à Montpellier permettent d’ores-et-déjà de réaliser des tests de plantations sur le terrain, notamment au Sénégal.

 

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Vincent Vadez développe différents dispositifs expérimentaux dans les serres montpelliéraines pour tester ses hypothèses. Dans un des compartiments dans lequel il travaille, c’est la fournaise. Le thermomètre affiche 39°C, 24 % d’humidité, le soleil brûle. Ici, le climat rappelle celui du Sahara. Dans un premier dispositif expérimental, cent plants de sorgho de taille et de génotype différents sont posés sur des balances. Des billes de plastique empêchent l’eau de s’évaporer de la terre. Le poids des pots est relevé tous les quarts d’heure pour en déduire la transpiration des plants dans ces conditions extrêmes. L’objectif est de déterminer lesquelles transpirent le moins.

Certaines variétés résistent en effet mieux à la sécheresse de l’air et aux températures extrêmes : elles limitent leurs pertes en eau plus que d’autres dans des conditions identiques. Le scientifique a mis en place un deuxième dispositif expérimental pour mesurer cette capacité des plantes, notamment par leurs racines, à contrôler la transpiration.

 

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Mettre sous pression les racines aide à déterminer si ce sont celles-ci ou les feuilles qui contrôlent la transpiration

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Les plants de mil sont ainsi enfermés dans le compartiment suivant dans des pots mis sous pression entre un et trois bars. Cette méthode permet de mesurer la capacité des racines à canaliser l’eau se dirigeant vers les feuilles pour soutenir leur transpiration, et donc d’évaluer le degré de contrôle des racines sur cette transpiration.
 

 

Au fond du compartiment, le scanner est positionné au-dessus des plants pour mesurer leur surface foliaire dans son ensemble

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Enfin, dans le cadre du troisième dispositif expérimental, un scanner 3D mesure dans le dernier compartiment, la surface foliaire des plants de mil soumis au stress hydrique, l’architecture de la canopée et son influence sur le microclimat et sur la demande évaporatoire des plantes.

 

 

De riches lipides

La transpiration n’est pas la seule responsable des pertes en eau des organes aériens des plantes. La composition des cires cuticulairesCouche externe qui recouvre et protège les organes aériens des végétaux. influe également sur le comportement des plantes face aux fluctuations environnementales. Stéphane Dussert, biologiste, et Virginie Vaissayre, ingénieure chimiste, étudient ainsi l’adaptation de Coffea Mauritiana, un caféier sauvage endémique de l’île de la Réunion. « Les cires de ses feuilles sont composées de lipides varient selon que le climat est plus ou moins sec, plus ou moins chaud, explique Stéphane Dussert. Sur place, nous caractérisons ainsi les conditions dans lesquelles cette espèce évolue et nous comparons les compositions des cires cuticulaires prélevées dans différentes localités de l’île. Nous prélevons aussi des cires sur les feuilles d’autres plantes afin de déterminer si elles possèdent les mêmes propriétés. »

Les scientifiques s’intéressent en outre aux vertus thérapeutiques et nutritionnelles des lipides des plantes tropicales. L’analyse des lipides de Coffea Mauritiana a en effet révélé des surprises. Ses molécules terpéniquesLes terpènes sont une classe d'hydrocarbures, composés organiques constitués exclusivement d'atomes de carbone et d'hydrogène produits par de nombreuses plantes. présentent en effet un aspect curatif, et notamment anti-inflammatoire. « Les Réunionnais utilisent traditionnellement Coffea mauritiana pour ses vertus thérapeutiques. En collaboration avec nos partenaires réunionnais, nous cherchons à mieux décrire ces molécules pour les valoriser », explique Virginie Vaissayre.

 

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Virginie Vaissayre extrait des lipides d’échantillons végétaux, notamment de l’huile de palme « rouge » avant leur analyse par chromatographie liquide.

L’huile rouge

En partenariat avec le Centre de recherches agricoles plantes pérennes (CRA-PP) de l'Institut national des recherches agricoles du Bénin (INRAB), les scientifiques analysent enfin les propriétés des fruits du palmier à huile, dont l’huile est connue pour sa richesse en vitamine E et en carotènes, des pro-vitamines A. Des propriétés intéressantes pour lutter contre les carences en vitamine A. « Les sélections successives, en améliorant son rendement, ont appauvri l’huile en ces molécules d’intérêt, indique Stéphane Dussert. Aujourd’hui, les populations locales recherchent à nouveau “l’huile rouge”, non raffinée ni traitée et bien plus riche au niveau nutritionnel, qui est consommée depuis des millénaires en Afrique de l’Ouest. »

 

Le chromatographe mesure les teneurs en vitamines lipidiques, vitamines E et pro-vitamines A, contenues dans le fruit du palmier à huile.

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Les chromatographes en phase liquide et gazeuse permettent aux scientifiques d’identifier et de quantifier les molécules présentes. Ces analyses sont approfondies avec le spectromètre de masse qui offre une carte d’identité moléculaire de l’échantillon : « Nous nous attaquons à des chimies inconnues et nous découvrons des lipides originaux qui possèdent des vertus très intéressantes ! Tout cela enrichit notre connaissance de ces espèces », conclut Stéphane Dussert.

 

Le virus RYMV provoque un jaunissement des feuilles, comme ici, sur la plante de droite.

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Une lutte globalisée contre les virus

Les céréales connaissent aussi des épidémies. Les scientifiques de l’UMR PHIMIssue de la fusion au 1er janvier 2021 des unités IPME, BGPI et Bioagresseurs.1 axent ainsi leurs recherches sur la santé des plantes méditerranéennes et tropicales – riz, bananier, manioc, canne à sucre… –  et sur la diversité des agresseurs qui les attaquent : bactéries, virus, champignons, pathogènes, nématodes, insectes… En cas de pandémie, c’est la sécurité alimentaire des pays tropicaux, où sont cultivées ces plantes, qui est en jeu.

Plantes résistantes

Ainsi, Eugénie Hébrard, phytovirologiste, et son équipe travaillent sur les virus de céréales afin de contribuer à la surveillance des épidémies. Au sein des serres confinées de Montpellier, les scientifiques inoculent différents virus aux plants de riz, et les symptômes de l’infection – tâches jaunes, impacts sur la croissance – sont systématiquement contrôlés. « Nous avons mis en place des outils moléculaires pour diagnostiquer ces pathologies, explique-t-elle. Certains comme celui de la panachure jaune du riz (Rice yellow mottle virus ou RYMV) causent depuis longtemps d’importants dégâts dans les cultures africaines. Il n’existe pas de traitement alors nous contribuons à développer des plantes résistantes. »

 

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Laurence Albar inocule du RYMV à partir d’un broyat de feuilles de riz infectées.

Si le riz asiatique est davantage cultivé dans le monde, pour son meilleur rendement et ses qualités gustatives, les variétés résistantes au RYMV s’observent principalement dans le riz africain, une autre espèce moins cultivée. Les scientifiques identifient ainsi les gènes de résistance de cette espèce puis les introgressent par croisements contrôlés dans les variétés à haut rendement. « Nous n’avons pas pour objectif de développer nous-mêmes des variétés résistantes, précise Laurence Albar, généticienne. Nous transmettons nos résultats à nos partenaires africains, tels que l’Africa Rice Center pour qu’ils intègrent la résistance au RYMV dans les variétés les mieux adaptées selon les pays concernés. »

 

Noun Magdy Ibrahim Fouad, stagiaire M2 à l'UMR PHIM sous la direction de Nils Poulicard, contrôle les symptômes du virus de la striure du maïs inoculé à des plants de riz et de maïs.

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Cependant, sélectionner une seule variété résistante n’est pas suffisante sur le long terme, car le virus mute et peut contourner les gènes de résistance. Les scientifiques cherchent ainsi à anticiper en permanence les évolutions du RYMV.


Course aux armements

Pour mieux comprendre les maladies virales, la phytopathologiste Séverine Lacombe étudie les mécanismes moléculaires mis en place lors de l’infection. Elle s’intéresse principalement à l’infection du riz par le RYMV dans le cas d’infection simple mais également dans le cas de co-infection avec d’autres pathogènes présents dans les rizicultures africaines, tels que la bactérie Xanthomonas. « Lorsqu’un virus attaque la plante, il doit mettre en place une stratégie d’attaque alors que la plante fait tout pour se défendre, explique-t-elle. C’est une sorte de course aux armements où les armes sont des mécanismes moléculaires ! Lorsqu’il y a plusieurs pathogènes, ils cohabitent, s’ignorent ou sont en compétition, ceci en adaptant leurs mécanismes moléculaires. Ainsi quand la bactérie Xanthonomas est présente, le virus RYMV se multiplie moins. La bactérie arrive à détourner les mécanismes de défense de la plante pour qu’ils soient plus agressifs envers le virus. Elle gagne ainsi la compétition contre le virus pour utiliser les ressources énergétique de la plante. »

 

Émilie Thomas inocule des bactéries à une plante avec des ciseaux trempés dans une suspension bactérienne.

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Les scientifiques étudient également la présence du virus chez d’autres céréales que le riz, tels que le sorgho ou le mil, et les légumineuses cultivées en association. L’objectif est de prendre en compte un système de culture global : certaines plantes pourraient être en effet réservoirs de virus relayés par des insectes vecteurs. La surveillance des épidémies sur le terrain complète cette stratégie de lutte contre le RYMV : elle est menée en collaboration étroite avec les partenaires du Sud. Ainsi, au Burkina Faso, les chercheurs de l’Institut de l’Environnement et de Recherches Agricoles (INERA) et de l’IRD travaillent au sein du laboratoire mixte international PathoBiosCo-dirigé par Charlotte Tollenaere.1. « Nous avons une vision plus globale qu’auparavant, qui fait aussi bien appel à la génétique, à la compréhension des mécanismes moléculaires qu’à l’épidémiologie, souligne Eugénie Hébrard. Nous sommes ainsi en train de monter un groupe de recherche international sur ce sujet, croisant plusieurs disciplines, avec comme objectif commun l’amélioration de la santé des plantes en Afrique de l’Ouest et du Centre. »

 

Boîte de Petri contenant une suspension de souches bactériennes de Xanthomonas

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Des ressources face aux agresseurs

Tous les quinze jours, Émilie Thomas, technicienne de recherche, répète les mêmes gestes au sein du laboratoire S2 : elle prélève avec une oeseBâtonnet stérile permettant de prélever des bactéries pour les mettre en culture.  des souches de bactéries, comme Xanthomonas par exemple, conservées dans un congélateur à -80°C. Elle les étale sur une boite de Petri contenant des nutriments et de l’agarosePolymère neutre qui, mélangé à de l’eau, forme un gel sur lequel des bactéries peuvent pousser, ce qui permet de solidifier le milieu de culture.. Puis, elle insère le tout dans une étuve à 28°C. « La souche bactérienne se développe sur ce milieu nutritif, explique-t-elle. À partir de cela, je prépare un inoculumSuspension bactérienne liquide dont la concentration a été définie en mesurant sa densité optique. dans lequel je trempe des ciseaux avec lesquels je coupe la feuille la plus jeune du plant que l’on veut infecter. » À mesure que la plante pousse, les bactéries vont croître à l’intérieur de la feuille et provoquer les symptômes de la maladie. Les lésions foliaires provoquées par la bactérie Xanthomonas apparaissent au bout de quelques jours et seront mesurées deux semaines après inoculation. L’opération est répétée avec différentes souches de pathogènes, sur différentes variétés de riz, à des fins de comparaison.

 

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Émilie Thomas prépare une suspension bactérienne concentrée à partir d'un isolat.

Les scientifiques de l’équipe XPlain au sein de l’UMR PHIM s’intéressent à cette bactérie car elle représente un danger important pour les récoltes de riz, notamment en Afrique et en Asie.

Transferts de pathogènes

« Xanthomonas attaque le système aérien des plantes, elle pénètre dans la feuille par des ouvertures naturelles ou des blessures, puis se déplace et colonise l’ensemble du système foliaire, explique Boris Szurek, responsable de l’équipe Xplain. Elle provoque le dessèchement des feuilles, ce qui peut influencer le remplissage des grains, et en conséquence le rendement. En Inde, des producteurs ont perdu jusqu’à 90 % de leur récolte de leurs champs. En Afrique, l’émergence de la bactériose du riz, provoquée par Xanthomonas, remonte aux années 1980. Son importance ne cesse de croitre notamment du fait de changements dans les pratiques agricoles. »

 

En effet, alors qu’auparavant, les agriculteurs plantaient du riz mais aussi d’autres céréales sur de petites parcelles, les pathogènes devaient s’adapter à des environnements agro-écologiques plus diversifiés, et donc des contraintes différentes. Aujourd’hui, les petites parcelles ont fait place aux grandes et le riz est davantage cultivé via une monoculture intensive. Ces nouvelles pratiques agricoles pourraient faciliter la capacité de dissémination et d’adaptation de Xanthomonas. Là encore, une vision globale du problème pourrait apporter la solution. « Nous tentons de développer une approche multidisciplinaire et multi-échelles permettant à la fois de prévenir les risques d’émergence des épidémies et d’étudier leur évolution au cours du temps, notamment grâce à l’étude d’échantillons historiques d’herbiers. Notre objectif est également d’approfondir nos connaissances sur les mécanismes génétiques et moléculaires qui dirigent l’interaction plante-Xanthomonas afin d’envisager de nouvelles stratégies de lutte. Ce savoir nous a notamment permis de réaliser des modifications du génome du riz qui permettraient à la plante de contrer durablement la bactérie », poursuit Boris Szurek.

Le poids des micro-organismes

Un autre acteur entre en jeu dans la lutte contre les pathogènes : le microbiome des plantes. Il s’agit de l’ensemble des micro-organismes bactériens et fongiques associés aux plantes, notamment au niveau racinaire. Les végétaux interagissent naturellement avec ces milliers de micro-organismes qui leur apportent un équilibre.

 

Un ver nématode, Meloidogyne graminicola, attaque les rizières dans toute l'Asie, comme ici au sud Vietnam.

© IRD – Stéphane Bellafiore

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« Nous tentons de recomposer cet équilibre en laboratoire, indique Lionel Moulin, responsable de l’équipe Brio au sein de l’UMR PHIM. Nous identifions des micro-organismes grâce au séquençage de troisième génération. En parallèle, nous les cultivons puis nous les inoculons à des plantes pour déterminer leurs impacts. Nous pensions auparavant que  l’arrivée d’un pathogène déclenchait automatiquement une pathologie. Or, le pathogène peut être présent sans forcément entraîner une maladie. Dans ce cas, quels sont les facteurs de déclenchement ? »

Un déséquilibre du microbiome, la disparition de nombreux micro-organismes du fait des pratiques agricoles, notamment l’utilisation d’intrants, pourrait être à l’origine par exemple de l’arrivée massive de nématodes phytoparasitaires.Vers parasites des plantes. Ainsi le Cambodge - dont la production de riz est massivement tournée vers l’exportation - qui utilisait de nombreux pesticides dans ses rizières a dû changer son fusil d’épaule lorsque l’Union européenne a modifié sa réglementation et a interdit l’utilisation de ces intrants. Des expérimentations ont été mises en place et notamment une agriculture de conservationQui vise à maintenir la fertilité des milieux agricoles. pour lutter contre les nématodes, avec l’aide du nématologiste de l’équipe, Stéphane Bellafiore, et dans le cadre d’un projet de Jeune Equipe Associée à l’IRD, la JEAI HealthyRiceImpliquant divers instituts (ITC) et universités cambogiennes (RUA, NUBB) et le Cirad.1. Des plantes de couvertureEspèce végétale plantée afin de contrôler l'érosion, la fertilité du sol, les mauvaises herbes et les pathogènes., introduites entre les cycles de cultures de riz, ont permis d’enrichir le sol et de le rendre davantage résilient. Les nématodes n’ont pas tous disparu mais les pathologies ont diminué et le nombre de prédateurs de ces vers a augmenté : leur population s’est régulée.

 

 

Moussa Sondo, étudiant en thèse burkinabè, recherche des bactéries du microbiome racinaire pour améliorer la croissance du riz et sa tolérance aux attaques pathogènes de Xanthomonas oryzae.

© IRD – Lionel Moulin

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Dans les chambres de culture montpelliéraines, toujours à l’aide de l’étude du microbiome des plantes, les scientifiques s’attachent à comprendre comment réguler la présence des pathogènes, tels que Xanthomonas oryzae, à l’aide du microbiome des plantes. L’objectif est de déterminer quels micro-organismes du microbiote des plantes permettent d’augmenter l’immunité végétale et ainsi diminuer la sensibilité de la plante face à cet agresseur. « Ces tests ont pour objectif de diminuer l’utilisation des intrants et de privilégier les agents biologiques à travers un microbiome diversifié permettant d’avoir une plante en bonne santé. La diversité fonctionnelle des micro-organismes est en effet essentielle pour améliorer la santé des plantes mais aussi accroître les rendements de manière durable et économe », conclut Lionel Moulin.