Découverte accidentelle : Comment une bouffée d'une substance chimique inhabituelle transforme les jeunes pousses en super-plantes.

‘Priming’ plants by exposing them to certain chemicals while they’re seeds can affect their growth later in life.

Les chercheurs ont découvert que le traitement des graines au gaz d'éthylène augmente à la fois leur croissance et leur tolérance au stress. Cette découverte, qui implique une photosynthèse améliorée et une production accrue de glucides chez les plantes, représente une percée potentielle dans l'amélioration des rendements des cultures et la résilience face aux stress environnementaux.

Tout comme tout autre organisme, les plantes peuvent être stressées. Habituellement, ce sont des conditions telles que la chaleur et la sécheresse qui entraînent ce stress, et lorsqu'elles sont stressées, les plantes peuvent ne pas pousser aussi grandes ou ne pas produire autant. Cela peut poser un problème pour les agriculteurs, c'est pourquoi de nombreux scientifiques ont essayé de modifier génétiquement les plantes pour les rendre plus résistantes.

Cependant, les plantes modifiées pour des rendements plus élevés ont tendance à avoir une tolérance au stress plus faible car elles consacrent plus d'énergie à la croissance qu'à la protection contre les stress. De même, l'amélioration de la capacité des plantes à survivre au stress entraîne souvent une production moindre car elles consacrent plus d'énergie à la protection qu'à la croissance. Ce dilemme rend difficile l'amélioration de la production agricole.

J'ai étudié comment l'hormone végétale de l'éthylène régule la croissance et les réponses au stress chez les plantes. Dans une étude publiée en juillet 2023, mon laboratoire a fait une observation inattendue et excitante. Nous avons constaté que lorsque les graines germent dans l'obscurité, comme c'est habituellement le cas sous terre, l'ajout d'éthylène peut augmenter à la fois leur croissance et leur tolérance au stress.

Les plantes ne peuvent pas se déplacer, elles ne peuvent donc pas éviter les conditions environnementales stressantes comme la chaleur et la sécheresse. Elles reçoivent une variété de signaux de leur environnement tels que la lumière et la température qui façonnent leur croissance, leur développement et leur capacité à faire face aux conditions stressantes. Dans le cadre de cette régulation, les plantes produisent diverses hormones qui font partie d'un réseau de régulation leur permettant de s'adapter aux conditions environnementales.

L'éthylène a été découvert pour la première fois comme une hormone végétale gazeuse il y a plus de 100 ans. Depuis lors, la recherche a montré que toutes les plantes terrestres étudiées produisent de l'éthylène. En plus de contrôler la croissance et de répondre au stress, il est également impliqué dans d'autres processus tels que le changement de couleur des feuilles en automne et la maturation des fruits.

Mon laboratoire se concentre sur la manière dont les plantes et les bactéries détectent l'éthylène et sur la manière dont il interagit avec d'autres voies hormonales pour réguler le développement des plantes. Tout en menant cette recherche, mon groupe a fait une découverte accidentelle.

Nous menions une expérience dans laquelle des graines germées dans une pièce sombre. La germination des graines est une période critique de la vie d'une plante où, dans des conditions favorables, la graine passe de l'état dormant à celui de plantule.

Pour cette expérience, nous avons exposé les graines au gaz d'éthylène pendant plusieurs jours pour voir quel effet cela pourrait avoir. Ensuite, nous avons retiré l'éthylène. Normalement, l'expérience se serait arrêtée là. Cependant, après avoir recueilli des données sur ces plantules, nous les avons transférées dans un chariot lumineux. Ce n'est pas quelque chose que nous faisons habituellement, mais nous voulions faire pousser les plantes jusqu'à l'âge adulte afin d'obtenir des graines pour de futures expériences.

Plusieurs jours après avoir placé les plantules sous la lumière, certains membres du laboratoire ont fait l'observation inattendue et surprenante selon laquelle les plantes brièvement exposées à l'éthylène étaient beaucoup plus grandes. Elles avaient des feuilles plus grandes ainsi que des systèmes racinaires plus longs et plus complexes que les plantes qui n'avaient pas été exposées à l'éthylène. Ces plantes ont continué à croître à un rythme plus rapide tout au long de leur vie.

La plante de gauche n'a pas été amorcée avec de l'éthylène, tandis que celle de droite l'a été. Les deux plantes ont le même âge. Crédit : Laboratoire Binder, Université du Tennessee, Knoxville

Mes collègues et moi souhaitions savoir si différentes espèces végétales montraient une stimulation de la croissance lorsqu'elles étaient exposées à l'éthylène pendant la germination des graines. Nous avons découvert que la réponse est oui. Nous avons testé les effets d'un traitement court à l'éthylène sur la germination de graines de tomate, de concombre, de blé et de roquette, et toutes ont poussé plus grandes.

Mais ce qui rend cette observation inhabituelle et excitante, c'est que le bref traitement à l'éthylène a également augmenté la tolérance à divers stress tels que le stress salin, les températures élevées et les conditions de faible oxygène.

Les effets à long terme sur la croissance et la tolérance au stress d'une brève exposition à un stimulus sont souvent appelés effets d'amorçage. Vous pouvez le comparer à amorcer une pompe, où l'amorçage facilite et accélère le démarrage de la pompe. Des études ont examiné la croissance des plantes après un amorçage à différents âges et stades de développement. Cependant, l'amorçage des graines avec divers produits chimiques et stress a probablement été le plus étudié car il est facile à réaliser et, s'il est réussi, peut être utilisé par les agriculteurs.

Depuis cette première expérience, mon groupe de laboratoire s'est efforcé de comprendre les mécanismes qui permettent à ces plantes exposées à l'éthylène de pousser plus grandes et de tolérer plus de stress. Nous avons trouvé quelques explications potentielles.

One is that ethylene priming increases photosynthesis, the process plants use to make sugars from light. Part of photosynthesis includes what is called carbon fixation, where plants take CO₂ from the atmosphere and use the CO₂ molecules as the building blocks to make the sugars.

During photosynthesis and carbon fixation, plants take in sunlight and convert it into the sugars that they use to grow.

My lab group showed that there is a large increase in carbon fixation – which means the plants are taking in much more CO₂ from the atmosphere.

Correlating with the increase in photosynthesis is a large increase in carbohydrate levels throughout the plant. This includes large increases in starch, which is the energy storage molecule in plants, and two sugars, sucrose and glucose, that provide quick energy for the plants.

More of these molecules in the plant has been linked to both increased growth and a better ability for plants to withstand stressful conditions.

Our study shows that environmental conditions during germination can have profound and long-lasting effects on plants that could increase both their size and their stress tolerance at the same time. Understanding the mechanisms for this is more important than ever and could help improve crop production to feed the world’s population.

Written by Brad Binder, Professor of Biochemistry & Cellular and Molecular Biology, University of Tennessee.

Adapted from an article originally published in The Conversation.