Comment nous pouvons faire survivre les plantes sans eau

Avec la croissance de la population mondiale et les effets du changement climatique, nous allons devoir nourrir plus de personnes en utilisant moins de terre arable.

La biologiste moléculaire Jill Farrant étudie un phénomène rare qui pourrait nous y aider : « les plantes de résurrection », des plantes très résistantes qui revivent après leur mort. Représentent-elles un espoir de cultiver des plantes dans un monde de plus en plus chaud et sec ?

Je crois que le secret pour cultiver
des plantes résistantes à la sécheresse

qui assurera la sécurité alimentaire
dans le monde

est dans les plantes de résurrection,

extrêmement desséchées sur la photo.

Vous devez penser que
ces plantes sont mortes

mais elles ne le sont pas.

Donnez-leur de l'eau

et elles ressusciteront, verdiront,
grandiront en 12 à 48 heures.

Alors, pourquoi je prétends que les
plantes résistantes à la sécheresse

nous aideront à atteindre
la sécurité alimentaire ?

La population mondiale
actuelle est d'environ 7 milliards.

On estime qu'en 2050,

nous serons entre 9 et 10 milliards,

la plus forte croissance étant en Afrique.

Les organisations alimentaires
et agricoles

ont suggéré qu'on devrait
augmenter de 70%

les pratiques agricoles actuelles

afin de répondre à ces besoins.

Vu qu'une plante est en bas
de la chaîne alimentaire,

la plus grosse part devra être
fournie par des plantes.

Ce pourcentage de 70%

ne prend pas en considération
les effets du changement climatique.

Ceci est tiré d'une étude faite
par Dai, publiée en 2011 :

il a pris en considération

tous les effets potentiels
du changement climatique

et les a exprimés
parmi d'autres effets

qui favorisaient l'aridité, suite
à l'absence ou la diminution des pluies.

Les zones en rouge ici,

sont celles qui,
jusqu'à récemment,

ont été utilisées avec
succès pour l'agriculture

mais ne le sont plus
à cause du manque de pluie.

Ceci est la situation
qu'on prévoit pour l'an 2050.

L'Afrique surtout,
mais le monde entier,

sera en danger.

Nous devrons penser à de nouveaux moyens
pour produire notre nourriture.

Et de préférence, entre autres,
aux plantes résistantes à la sécheresse.

L'autre chose à rappeler
à propos de l’Afrique

est que son agriculture est
majoritairement pluviale.

Obtenir des plantes résistantes
à la sécheresse n'est pas facile.

C'est à cause de l'eau.

L'eau est essentielle à la vie
sur cette planète.

Tout être vivant,
tout organisme actif,

des microbes à vous et moi

est constitué majoritairement d'eau ;

toutes les réactions vivantes
ont lieu dans l'eau ;

et la perte d'une petite
quantité d'eau est létale.

Nous sommes composés à 65% d'eau,

si nous en perdons 1%,
nous mourons.

Mais nous pouvons changer
de comportement pour éviter cela,

les plantes ne le peuvent pas.

Elles sont fixées au sol.

Déjà, elles ont besoin d'un
peu plus d'eau que nous,

environ 95 % d'eau,

et elles peuvent en perdre
un peu plus que nous,

de 10 à 70 % en fonctions des espèces.

Mais pour une courte durée seulement.

La plupart d'entre elles vont essayer
de résister ou d'éviter la perte d'eau.

Les plantes succulentes, ou grasses,
sont un exemple extrême de résistance :

elles ont tendance à être petites,
très attirantes,

mais elles tiennent tellement à leur eau

que leur croissance en
est extrêmement ralentie.

Les arbres et arbustes sont un bon exemple
d'évitement de la perte d'eau,

ils enfoncent leurs racines
très profondément

jusqu'aux réserves souterraines d'eau

et ils y restent connectés en permanence

afin de rester hydratés.

Celui à droite est appelé un baobab,

aussi appelé « arbre à l'envers »

parce que l'écart entre le nombre
de branches et de racines et si grand

qu'on dirait qu'il est planté à l'envers.

Bien sûr, les racines sont
indispensables à son hydratation.

Enfin, la stratégie la plus commune
d’évitement est celle des plantes vivaces.

Les plantes vivaces représentent
l'essentiel des ressources alimentaires.

Sur la côte ouest de mon pays,

durant l'année, il y a peu
de croissance végétale

mais dés qu'il y a les
pluies de printemps, on a ceci :

la floraison du désert.

La stratégie des plantes vivaces

est de ne croître que
pendant la saison de pluie.

A la fin de la saison,
elles produisent des graines

qui sont sèches, entre 8 à 10 % d'eau

mais tout à fait vivantes.

Et tout ce qui est aussi sec
mais est quand même vivant

est appelé tolérant au dessèchement.

Dans cet état desséché,

les graines peuvent persister
dans des environnements extrêmes

pendant de longues périodes.

Quand la saison des pluies démarre,

les graines germent et croissent

et le cycle recommence encore et encore.

On considère généralement que l’évolution
des graines résistantes à la sécheresse

a permis la colonisation
et le développement des plantes à fleurs

ou angiospermes, dans les terres.

Revenons aux plantes vivaces qui sont
notre principale source de nourriture.

Blé, riz et maïs constituent 95%
de notre alimentation en végétaux.

Et c'est une bonne stratégie

qui permet d'avoir beaucoup de
graines en peu de temps,

les graines sont riches en énergie
et donc en calories,

on peut les stocker en périodes
d'abondance pour celles de famine

mais il y a un inconvénient :

les tissus végétaux, les racines et
les feuilles des plantes vivaces,

ont peu de caractéristique de tolérance,
évitement ou résistance à la sécheresse,

ils n'en ont pas besoin.

Ils poussent en saison pluvieuse
et ils ont les graines

qui les aident à survivre
le reste de l'année.

En dépit de tous
les efforts en agriculture,

pour obtenir des plantes
aux propriétés améliorées

en résistance, évitement et tolérance,

surtout en résistance et évitement

car on a de bons exemples
pour comprendre ces mécanismes,

on a encore de telles photos :

une culture de maïs en Afrique.

Deux semaines sans pluie

et tout est mort.

Il y a une solution :

les plantes de résurrection.

Ces plantes peuvent perdre 95% de leur
eau cellulaire,

persister dans un état sec pendant
des mois, voire des années,

mais donnez-leur de l'eau

et elles vont verdir et
reprennent leur croissance.

Comme les graines,
elles tolèrent la sécheresse ;

comme les graines,
elles résistent aux conditions extrêmes.

Et c'est un phénomène très rare,

il n'y a que 135 espèces de plantes
qui peuvent vivre ainsi.

Je vais vous montrer une vidéo

du processus de résurrection
de ces trois espèces, dans cet ordre.

En bas, il y a un axe temporel
pour voir comme c'est rapide.

(Applaudissements)

Impressionnant, hein ?

J'ai passé 21 ans à chercher
à comprendre comment elles font.

Comment ces plantes sèchent sans mourir ?

J'étudie une variété
de plantes de résurrection,

montrées ici en états hydraté et desséché,

pour de nombreuses raisons.

L'une d'elles est que chaque plante
sert de modèle à une culture

que je veux rendre
tolérante à la sécheresse.

En haut à gauche par exemple,
c'est une herbe,

nommée Eragrostis nindensis,

qui a un cousin proche
nommé Eragrostis tef,

souvent connu sou le nom « tef ».

C'est un aliment de base en Éthiopie,

sans gluten,

et on aimerait le rendre
tolérant à la sécheresse.

L'autre raison pour mes
nombreuses recherches :

au départ, je voulais découvrir

si elles faisaient la même chose.

Utilisent-elles toutes le même mécanisme
pour perdre toute cette eau sans mourir ?

Alors j'ai opté pour une approche
des sytèmes biologiques

afin de comprendre
la tolérance au dessèchement,

une approche où on regarde l'ensemble :

des molécules à la plante entière,
au niveau écophysiologique.

Par exemple, on observe

les changements anatomiques
lors du dessèchement

et leur ultrastructure.

Nous observons le transcriptome,

c'est le nom d'une technologie
qui permet d'étudier

les gènes activés ou désactivés
en réponse au dessèchement.

Les gènes codent des protéines
donc on observe le protéome.

Quelles sont les protéines synthétisées
en réponse au dessèchement ?

Certaines protéines codent des enzymes
qui donnent des métabolites

donc on observe le métabolome.

C'est important car les plantes
sont fixées au sol,

elles utilisent ce que j'appelle un
arsenal chimique perfectionné

pour se protéger contre
les attaques environnementales.

Donc il est important d'observer

les changements chimiques impliqués
lors du dessèchement.

Lors de la dernière étude au niveau
moléculaire, on observe le lipidome,

les lipides qui varient
lors de l'assèchement.

C'est aussi important

car toutes les membranes biologiques
sont faites de lipides,

elles tiennent leur rôle
car elles sont dans l'eau.

Retirez l'eau et la membrane s'écroule.

Les lipides jouent aussi le rôles de
signaux d'activation des gènes

alors on utilise des études
physiologiques et biochimiques

afin de comprendre le rôle
des protecteurs putatifs

qu'on a découverts dans nos autres études.

On utilise tout ceci pour comprendre

comment la plante réagit
à son environnement naturel.

J'ai toujours pensé
que je devais comprendre

le mécanisme de la
tolérance au dessèchement

afin de suggérer une
application biotique sensée.

Je pari que certains se demandent :
« par application biotique,

veut-elle dire fabriquer des organismes
génétiquement modifiés ? »

et la réponse à cette question est :

ça dépend de votre définition
de modification génétique.

Les plantes que nous mangeons
aujourd'hui : blé, riz et maïs,

sont hautement modifiées,
comparées à leurs ancêtres

mais nous ne les appelons pas OGM

car elles sont produites
conventionnellement.

Si vous pensez : vais-je mettre des gènes
de plantes résistantes dans ces cultures ?

La réponse est : oui.

Durant nos recherches,
nous avons tenté cette approche ;

plus exactement, mes
collaborateurs à l'UCT,

Jennifer Thomson, Suhail Rafudeen,
ont été à l'origine de cette démarche

et je vais vous montrer
quelques résultats bientôt.

Mais nous allons sommes sur le point
d'entamer une démarche très ambitieuse,

dans laquelle nous essayerons
d'activer une série de gènes,

qui sont déjà présents dans chaque plante

mais qui ne sont pas activés
durant les sécheresses extrêmes.

Je vous laisse décider

s'il faudrait les qualifier
d'OGM ou pas.

Je vais vous donner quelques données
issues de la première étude.

Pour ce faire,

je dois un peu vous expliquer
comment fonctionne un gène.

Vous savez sûrement que
les gènes sont fait d'ADN à doubles brins,

enroulés serrés, ils forment
les chromosomes

qui sont présents dans toutes les cellules
du corps humain ou végétal.

Si vous déroulez l'ADN,
vous avez les gènes.

Chaque gène a un promoteur,
sorte d'interrupteur ON-OFF,

une partie codante du gène,

et un terminateur qui indique la fin
d'un gène et le début du suivant.

Mais les promoteurs ne sont pas
de simples interrupteurs,

ils nécessitent un réglage fin,

beaucoup d'éléments doivent être présents
et validés avant d'activer le gène.

Donc ce qui se fait
généralement en biotechnologie,

c'est qu'on utilise des promoteurs
déclenchables, qu'on sait comment activer.

On les associe au gène
qui nous intéresse

puis on les met dans une plante
et on observe sa réponse.

Dans l'étude dont je vais vous parler,

mes collaborateurs ont utilisé
un promoteur déclenché par la sécheresse

découvert chez une
plante de résurrection.

C'est un promoteur sympa car
nous n'avons rien à faire.

La plante elle-même
reconnaît la sécheresse,

On l'a utilisée afin d'activer les gènes
antioxydants des plantes de résurrection.

Pourquoi les gènes antioxydants ?

Tous les types de stress,
en particulier la sécheresse,

provoque la formation de radicaux libres
ou espèces oxygénées réactives

qui endommagent et peuvent tuer la plante.

Les antioxydants stoppent
la détérioration.

Donc, voici des données sur une souche
de maïs très utilisée en Afrique.

A gauche de la flèche
sont les plantes sans ces gènes ;

à droite, les pantes avec
les gènes antioxydants.

Après 3 semaines sans irrigation,

celles avec les gènes
se portent beaucoup mieux.

A propos de la dernière étude :

mes recherches ont démontré
une similarité considérable

entre le mécanisme de
tolérance au dessèchement

des graines et des
plantes de résurrection.

Alors je me suis posé la question :
utilisent-elles les mêmes gènes ?

Posée différemment :

les plantes résistantes
utilisent-elles des gènes

dérivés de ceux des graines résistantes
dans leurs racines et feuilles ?

Ont-ils reconfiguré ces gènes

dans les racines et les feuilles
des plantes de résurrection ?

Et je réponds à cette question,

après de nombreuses recherches
de mon équipe

et de récentes collaborations avec un
groupe de Henk Hillhorst aux Pays-Bas,

Mel Oliver aux États-Unis

et Julia Buintink en France.

La réponse est : oui.

Il y a un ensemble de gènes
impliqués dans les deux cas

et je vais grossièrement l'illustrer
dans le cas du maïs.

Les chromosomes en dessous
de l’interrupteur

représentent tous les gènes nécessaires
à la tolérance à la sécheresse.

Lorsque les grains de maïs sèchent
à la fin de leur cycle de vie,

ils activent ces gènes.

Les plantes de résurrection activent les
mêmes gènes lorsqu'elles se dessèchent.

Donc toutes les cultures actuelles ont
ces gènes dans leurs racines et feuilles,

mais elles ne les ont jamais activés.

Elles ne les ont activés
que dans leurs graines.

Ce que nous essayons de faire,

c'est comprendre les signaux
cellulaires et environnementaux

qui activent ces gènes
dans les plantes de résurrection

afin d'imiter ce processus
dans les cultures.

Une dernière remarque :

ce que nous essayons de faire
en peu de temps

est d'imiter ce qu'a fait la nature dans
l'évolution des plantes de résurrection,

il y a 10 à 40 millions d'années.

Mes plantes et moi vous remercions
pour votre attention.

(Applaudissements)