UBC identifie des gènes clés de récupération du stress chez les plantes, dont CDKA;1

Lorsqu’une plante subit un coup de froid brutal, une arrivée d’eau salée ou d’autres conditions difficiles, elle ne continue pas à pousser comme si de rien n’était.

Une nouvelle étude indique qu’elle adopte une stratégie plus efficace : elle met provisoirement sa croissance en veille, puis la relance dès que l’environnement redevient favorable.

Des chercheurs de l’University of British Columbia (UBC) expliquent avoir repéré des gènes et des voies biologiques déterminants qui pilotent précisément ce redémarrage - l’étape qui peut faire la différence entre une plante qui se rétablit et une plante qui échoue.

Les plantes se remettent du stress

L’équipe s’est intéressée à la reprise après un stress lié au froid et après un stress salin, deux situations fréquentes pour les cultures lors des tempêtes hivernales ou lorsque des terres agricoles littorales sont inondées.

Selon eux, se concentrer sur la récupération - et pas uniquement sur la survie - pourrait aider à développer des cultures capables de rebondir plus rapidement tout en conservant un potentiel de rendement.

« Avec le changement climatique et la multiplication des événements météo extrêmes, ces travaux pourraient contribuer à créer des cultures résilientes au climat, dans lesquelles des plantes cultivées génétiquement modifiées récupéreraient plus vite et plus efficacement après des événements climatiques », a déclaré la première autrice Olivia Hazelwood, doctorante à l’UBC.

« Par conséquent, ces plantes seraient en mesure d’achever leur cycle de vie et de produire des aliments pendant la saison des récoltes, même après avoir subi des tempêtes de neige, des vagues de chaleur ou des inondations. »

Les plantes peuvent mettre leur croissance en pause

Au cours de leurs expériences, les chercheurs ont observé un schéma net de type « pause puis reprise ». Quand les plantes étaient exposées au froid ou à une forte salinité, la croissance des racines ralentissait fortement, voire s’arrêtait.

Une fois ces stress supprimés, et après une phase de récupération d’une durée équivalente à celle de l’exposition au stress, la croissance racinaire repartait.

Ce point est crucial, car les racines pèsent lourd dans la capacité d’une plante à se rétablir. Sans racines maintenues ou reconstruites, la plante n’absorbe plus correctement l’eau et les nutriments, et toute la partie aérienne en pâtit.

L’équipe précise qu’une logique de récupération comparable apparaît aussi pour d’autres types de stress. Dans un second article qu’ils ont soumis à l’évaluation par les pairs, ils indiquent que le stress thermique se comporte autrement : les plantes semblent « accélérer » la croissance pendant la chaleur, puis se mettre en « pause » jusqu’à ce que les températures redescendent.

Ils ont également constaté une récupération après un stress osmotique - celui qui est associé à la sécheresse - mais avec un retour à la normale plus lent.

« Nous avons aussi constaté que les plantes peuvent se remettre d’un stress osmotique, ou de sécheresse, mais cela prend un peu plus de temps », a expliqué l’auteur principal Arif Ashraf, professeur assistant au Department of Botany de l’UBC.

« Nous appelons cela “pause and push”, parce qu’il faut ce temps pour “pousser” et récupérer. »

Ce qui se passe à l’intérieur de la racine

Pour comprendre ce qui commande ce comportement de pause et de redémarrage, les chercheurs ont mené des essais contrôlés en laboratoire.

Ils ont soumis une plante modèle à des stress de froid et de sel, quantifié la croissance racinaire, puis vérifié la même idée chez deux graminées sauvages apparentées à des plantes cultivées.

Comme les trois espèces réagissaient de manière comparable, l’équipe a soupçonné l’existence d’un système cellulaire commun mobilisé dans chacun des cas.

La croissance d’une racine dépendant de la division des cellules, Hazelwood a examiné directement le cycle cellulaire. Grâce à des protéines marquées par fluorescence, elle a suivi combien de cellules se divisaient activement pendant le stress et après le stress, ainsi que les moments où des protéines clés de la division étaient présentes.

« Après avoir compté des milliers de cellules pendant des mois, j’ai vu que certaines protéines étaient présentes dans moins de cellules lorsque les plantes sont soumises à un stress de froid, de sécheresse et de sel, mais qu’environ 24 heures après le retour à des conditions de croissance optimales, leurs niveaux revenaient à la normale », a-t-elle déclaré.

Autrement dit, la « pause » n’est pas un simple ralentissement difficile à définir : elle ressemble à une modification réelle du nombre de cellules en division, suivie d’un rétablissement assez rapide dès que les conditions s’améliorent.

Le gène qui semble indispensable

Parmi les acteurs centraux mis en évidence figure un gène appelé Cyclin-dependent Kinase A;1, ou CDKA;1. Il fait partie de la machinerie qui fait progresser les cellules à travers le cycle de division.

Dans l’étude, lorsque les chercheurs ont inhibé CDKA;1, les plantes n’étaient plus capables de se rétablir correctement après le stress. Cela indique fortement que la reprise de croissance n’a rien d’automatique : elle nécessite que des interrupteurs moléculaires spécifiques se réactivent.

Et comme une réponse du même type a été observée chez plusieurs espèces végétales, l’équipe estime que ce mécanisme est probablement conservé - autrement dit, il pourrait exister chez de nombreuses cultures également.

Implications des gènes de récupération des plantes

Une grande partie des travaux sur les cultures met l’accent sur la tolérance : une plante peut-elle survivre à une vague de chaleur, à un coup de froid ou à une exposition au sel ? Cette étude déplace l’attention vers l’étape suivante.

Une plante peut endurer un stress et malgré tout perdre la saison si elle ne parvient pas à relancer sa croissance assez vite pour fleurir et produire une récolte dans les délais.

C’est pourquoi les chercheurs soulignent le potentiel, en sélection variétale comme en ingénierie. Renforcer les voies génétiques qui gouvernent la récupération pourrait permettre d’obtenir des cultures qui rebondissent plus vite après des épisodes météo extrêmes et atteignent la maturité au bon moment.

« Nous ne pouvons pas arrêter les vagues de chaleur ni les tempêtes de neige », a déclaré Ashraf. « Nous identifions donc des gènes qui peuvent aider les plantes à se remettre de ces événements et à produire malgré tout à temps pour la récolte. »

Et maintenant ?

La prochaine étape pour l’équipe consiste à démontrer que ce même processus de récupération existe dans des cultures canadiennes réelles, notamment des variétés de blé. Hazelwood explique qu’ils veulent passer des modèles de laboratoire et des graminées sauvages à des cultures ayant un impact direct sur les systèmes alimentaires.

« D’ici deux à trois ans, nous espérons ajuster la génétique de ces variétés de cultures canadiennes et créer nos propres lignées éditées par CRISPR, mieux capables de faire face à un climat en évolution », a-t-elle déclaré.

Si cette approche aboutit, elle pourrait faire évoluer la manière d’envisager la résilience climatique en agriculture : non seulement des plantes qui supportent le stress, mais des plantes qui savent quand s’arrêter et comment redémarrer assez vite pour aller au bout du cycle.