Dans deux publications, des biologistes d'Utrecht et des collègues internationaux décrivent les processus utilisés par les plantes pour s'adapter à la chaleur. Les découvertes fournissent des informations sur le fonctionnement optimal des plantes à des températures élevées sous-optimales. Cela pourrait également constituer un tremplin pour contrôler la croissance des plantes et les rendre plus résistantes au réchauffement climatique. Les chercheurs publient leurs résultats dans The Plant Journal et Nature Communications.
Ours polaires dans le désert
Pourtant, de nombreuses espèces végétales ont développé des moyens de faire face à des températures plus élevées. "Contrairement aux animaux, de nombreuses plantes peuvent adapter la forme de leur corps en réponse à la chaleur et à d'autres facteurs environnementaux", explique le chercheur Martijn van Zanten, qui est affilié à l'Université d'Utrecht et a contribué aux deux publications. « Les animaux, c'est une toute autre histoire. En termes simples, si vous placez un ours polaire dans le désert, il ressemblera toujours à un ours polaire avec un épais manteau de fourrure. Mais si une plante pousse dans des conditions plus chaudes, elle adaptera la forme de son corps en conséquence. De cette façon, la plante essaie de fonctionner de manière optimale dans ces conditions moins favorables.
De la forme compacte à la forme de plante ouverte
De nombreuses espèces végétales peuvent adapter la forme de leurs tiges et de leurs feuilles pour les rendre plus résistantes aux températures élevées. C'est également vrai pour le cresson de thale (Arabidopsis thaliana), considéré par de nombreux biologistes végétaux comme leur modèle végétal préféré. Dans des conditions froides, ces plantes sont compactes et ont leurs feuilles près du sol. Lorsque les températures augmentent, ils adoptent une posture plus ouverte. Les feuilles, par exemple, deviennent plus droites. Cela réduit considérablement le rayonnement direct du soleil. De plus, les tiges des feuilles s'étireront, permettant à plus de vent de passer les feuilles et de dissiper la chaleur.
Étirement souhaité et non souhaité
Pourtant, dans les cultures et les fleurs (coupées), ce type d'étirement est souvent indésirable. Les producteurs veulent contrôler ces changements, car l'étirement peut nuire à la qualité du produit. « Mais en même temps, l'adaptation est nécessaire pour rendre les cultures plus résistantes aux températures plus élevées résultant du changement climatique. Cela est nécessaire pour maintenir la production à long terme », explique Van Zanten.
Rendre les plantes plus tolérantes au climat
« De nombreuses cultures cultivées ont perdu la capacité de bien réagir à des températures plus élevées », explique Van Zanten. "Dans diverses cultures, il a disparu au cours du processus de domestication et de sélection, car les sélectionneurs se sont principalement concentrés sur d'autres caractères."
Avec le changement climatique qui fait monter les températures, Van Zanten dit qu'il est de plus en plus nécessaire de rendre les plantes plus tolérantes au climat. «Cela nécessite une connaissance de la façon dont les plantes font face à des températures plus élevées. Comment convertissent-ils les signaux de température qu'ils reçoivent en adaptations de croissance ? La recherche des mécanismes moléculaires par lesquels les plantes s'adaptent à une température sous-optimale, permet de disposer d'outils pour ajuster l'architecture des cultures grâce à la sélection.
Le mécanisme moléculaire active la posture thermique
Les plants de cresson de Thale qui ne s'adaptent plus à des températures plus élevées apparaissent peuvent retrouver cette capacité lorsqu'ils sont exposés à certains produits chimiques. Cela a été découvert par une équipe de recherche internationale dirigée par Van Zanten. L'équipe a testé un grand nombre de substances sur un mutant de cresson de thale qui ne s'adapte plus aux températures élevées. Ils ont trouvé une molécule qui peut « activer » l'adaptation aux températures élevées chez les jeunes plantes, même à basse température.
Les chercheurs appellent ce composé « Heatin ». En modifiant chimiquement la molécule, puis en étudiant quelles protéines peuvent se lier au chauffage, ils ont trouvé un groupe de protéines appelées nitrilases. Le sous-groupe identifié est connu pour n'être présent que dans les choux et les espèces apparentées, y compris le cresson de thalle.
En collaboration avec une entreprise de sélection végétale, les biologistes ont découvert que les espèces de choux réagissent effectivement au chauffage. Ils ont également découvert que les nitrilases sont nécessaires à l'adaptation aux températures élevées, probablement parce qu'elles permettent la production de l'auxine, une hormone de croissance bien connue. Les chercheurs ont publié cette découverte dans The Plant Journal.
Nouvelle voie pour l'adaptation à haute température
La publication des résultats de Heatin coïncide avec une autre publication, aujourd'hui dans Nature Communications. Cette recherche a été menée par des scientifiques de l'institut VIB en Belgique, avec la participation de Van Zanten. L'équipe a découvert une protéine non décrite auparavant qui régule la façon dont les plantes s'adaptent à un environnement plus chaud. La protéine a été nommée MAP4K4/TOT3, avec TOT signifiant Target of Temperature.
Remarquablement, le processus piloté par TOT3 est largement indépendant de toutes les autres voies de signalisation que les biologistes ont jusqu'à présent liées à l'adaptation à la chaleur chez les plantes. De plus, les adaptations par TOT3 ne semblent pas dépendre de la quantité et de la composition de la lumière qui brille sur une plante.
Van Zanten : « Il y a beaucoup de chevauchements dans les mécanismes moléculaires par lesquels les plantes adaptent leur croissance à la composition lumineuse changeante et aux températures élevées. Avec TOT3, nous avons désormais un facteur à portée de main avec lequel nous pouvons contrôler la croissance à haute température, sans interférer avec la façon dont la plante gère la lumière.
Applications larges
"Ce qui le rend encore plus intéressant", explique Van Zanten, "c'est que TOT3 joue un rôle similaire dans l'adaptation de la croissance à haute température à la fois dans le cresson de thale et dans le blé. Ces deux espèces sont génétiquement assez séparées l'une de l'autre. Cela offre donc un grand potentiel pour de larges applications.
Alternative aux inhibiteurs de croissance
En fin de compte, les découvertes de TOT3 et le rôle des nitrilases peuvent aider à continuer à cultiver suffisamment de cultures, même lorsque les températures augmentent en raison du changement climatique. Les découvertes offrent également des opportunités de développer des alternatives aux produits chimiques qui sont maintenant souvent utilisés pour inhiber la croissance des plantes. A titre d'exemple, Van Zanten mentionne les fleurs coupées, qui réagissent très fortement aux fluctuations de température. En floriculture, par conséquent, de nombreux inhibiteurs de croissance sont utilisés pour garder les plantes belles et compactes.
"Au moment où vous achetez des tulipes, par exemple, elles ont toujours une belle tige courte", explique Van Zanten. «Mais après quelques jours dans votre maison, ils commencent à pendre au bord du vase. Les températures intérieures plus élevées provoquent l'étirement des plantes, les conduisant finalement à devenir molles et à se plier. Nous espérons que les nouvelles connaissances contribueront à la sélection de nouvelles variétés de fleurs qui s'étirent moins sous des températures élevées. De cette façon, nous pouvons réduire l'utilisation d'inhibiteurs de croissance nocifs.
Pour plus d’information :
Université d'Utrecht
www.uu.nl