Le quinoa – un modèle de tolérance au sel

En raison du changement climatique, de plus en plus de terres arables s’assèchent et ont besoin d’être irriguées pour être cultivées. Toutefois, l’irrigation régulière et intense entraîne un problème de salinisation des sols pour une raison bien simple : les sels dissouts dans l’eau sont diffusés dans le sol et y restent une fois que l’eau s’est évaporée. Ce sel ralentit la croissance des cultures et, si rien n’est fait, il peut même rendre les sols infertiles.

Compte tenu des superficies croissantes exigeant déjà une forte irrigation, ou qui l’exigeront bientôt en raison du réchauffement climatique, le ralentissement de la croissance des récoltes menace la possibilité de nourrir une population mondiale croissante.

Une équipe de chercheurs internationale conduite par Rainer Hedrich, phytologue et professeur à l’université Julius-Maximilians de Würzburg, Allemagne, a étudié la tolérance au sel du quinoa. Les feuilles de cette plante (Chenopodium quinoa) originaire des hauts-plateaux des Andes sont pourvues de cellules vésicales qui stockent l’excédent de sel, protégeant ainsi le métabolisme de la plante et lui permettant de pousser, même dans des sols salins. En comparant le génome du quinoa avec celui d’autres plantes, les chercheurs ont constaté une activité génétique particulière sous-tendant le mécanisme de stockage du sel. Les résultats de leurs travaux sont publiés dans la revue « Cell Research ».

Selon Rainer Hedrich, « on peut considérer que toutes les tentatives de sélection de plantes tolérantes au sel ont été des échecs ». Pour lui, l’erreur a été de commencer par cultiver des plantes sur des sols salins puis d’essayer d’identifier les souches tolérantes au sel en analysant les plantes ayant survécu à ces conditions de culture.

Ainsi, Rainer Hedrich et Sergey Shabala, professeur à l’université de Tasmanie, Australie, ont analysé le quinoa tolérant au sel et ont constaté que la plante absorbe le sel du sol et le stocke dans des cellules vésicales situées sur ses feuilles. Cette particularité protège les processus métaboliques sensibles au sel, si bien que la plante pousse bien, même en sol salin. Les cellules vésicales ont un diamètre d’un demi-millimètre, ce qui veut dire qu’elles sont visibles à l’œil nu. Leur capacité de stockage est jusqu’à 1 000 fois supérieure à celle de toute cellule normale présente à la surface des feuilles.

Une activité génétique spécifique assure le transport du sel

Une autre équipe de chercheurs dirigée par Jian-Kang Zhu, professeur à l’université de Shanghai, en Chine, a décodé le génome de cette plante tolérante au sel. L’équipe dirigée par Rainer Hedrich a alors comparé les gènes actifs des feuilles et des cellules vésicales. Résultat : certains gènes des cellules vésicales sont toujours actifs, avec ou sans traitement au sel. En revanche, dans d’autres espèces, les mêmes gènes ne sont actifs que lorsque la plante est stressée. Ces gènes contiennent des « transporteurs » qui acheminent les ions sodium et chlorure dans les cellules vésicales.

Prochaine étape : de l’épinard tolérant au sel grâce au croisement ?

Maintenant que les gènes responsables de la tolérance au sel d’une plante sont identifiés, les chercheurs vont promouvoir la création par croisement d’autres plantes tolérantes au sel. « La première étape a été franchie, » déclare Rainer Hedrich. « Nous allons maintenant utiliser une combinaison de génétique développementale et d’analyse fonctionnelle des protéines de transport du sel pour comprendre les mécanismes moléculaires responsables de la tolérance au sel du quinoa. » 

On connaît à ce jour 2 000 variétés sauvages et cultivées de quinoa dont certaines sont pourvues d’un très grand (et d’autres d’un très petit) nombre de cellules vésicales absorbant le sel. Les chercheurs souhaitent maintenant comparer et différencier les activités des gènes spécifiques déjà identifiés. Le résultat final de leurs travaux pourrait non seulement donner lieu à la sélection de variétés de quinoa ayant une tolérance au sel encore plus grande, mais également au croisement de gènes tolérants au sel dans des plantes cultivées telles que la betterave à sucre ou l’épinard.

(bio-ökonomie.de/wi)

Références :

Heng Zhang, Changsong Zou, Aojun Chen, Lihong Xiao, Meiling Zhang, Wei Jia, Ping Deng, Ru Huang, Feng Li, Jian-Kang Zhu, Heike Muller, Peter Ache, Rainer Hedrich, Georg Haberer, Xiangyun Wu, Hui Zhang, Jennifer Bohm, Sergey Shabala, Renyi Liu, Daniel Lang, et Dongliang Zhan:
A high-quality genome assembly of quinoa provides insights into the molecular basis of salt bladder-based salinity tolerance and exceptional nutritional value, Cell Reports, doi:10.1038/cr.2017.124