Dans les serres, des plantes sous surveillance

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. 

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. »

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. »

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. »

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.

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.

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.

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. »

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.

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. »

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. »

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. »

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. »

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.

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.