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Tolérance des plantes à la sécheresse : le potentiel de la génétique

Produire plus avec moins d’eau… L’effort de recherche est très important dans le monde pour améliorer la résistance à la sécheresse des plantes cultivées. Plusieurs pistes biotechnologiques sont explorées, qui jouent en particulier sur le développement racinaire, l’efficacité de la photosynthèse ou la protection des phases de reproduction.

Visuel Regards d'expert : plantes et sécheresse. Les plantes peuvent-elles consommer moins d’eau ? Revue de l'Académie d'agriculture, 2013. Par Georges Pelletier.. © Inra, Véronique Gavalda
Par Pascale Mollier
Mis à jour le 15/06/2016
Publié le 04/08/2015

Cet article présente la revue réalisée par Georges Pelletier pour l'Académie d'agriculture de France.

Quelques chiffres :

  • 50% des sols cultivés dans le monde ont une faible disponibilité en eau
  • L’agriculture et l’élevage utilisent environ 6,4% des précipitations continentales
  • Il faut 454 litres d’eau pour produire un kg de maïs grain, 590 litres pour le blé tendre, 1600 pour le riz pluvial…

 Il faut se rendre à l’évidence : les végétaux terrestres consomment beaucoup d’eau de par leur nature même. Ces besoins en eau vont de plus augmenter puisqu’il faudra produire plus de plantes cultivées pour nourrir une humanité en extension, tandis que le réchauffement climatique risque d’aggraver les situations de sécheresse. Face à ce constat, la recherche explore des solutions basées sur la connaissance de la physiologie de la plante et des gènes qui la gouvernent.

Boire ou construire, il faut choisir…

Stomates sur la face inférieure d'une feuille de nectarinier. Ils permettent les échanges gazeux entre la plante et l'air ambiant (dioxygène, dioxyde de carbone, vapeur d'eau...) et permet la régulation de la pression osmotique.G=680. échelle:0,1mm.. © Inra, BODET Christian
© Inra, BODET Christian

Face à une situation de sécheresse, les plantes sont confrontées à un dilemme. Pour limiter l’évaporation d’eau, elles ferment les pores situés en grand nombre sur leurs feuilles. Cependant, ces minuscules bouches, appelées aussi stomates,  sont aussi celles qui captent le gaz carbonique de l’air nécessaire à la photosynthèse. Ainsi, pour lutter contre la sécheresse, les plantes doivent ralentir, voire arrêter leur croissance, ce qui est particulièrement pénalisant en période de reproduction.

Ces plantes naturellement tolérantes à la sécheresse

Certaines plantes ont une photosynthèse plus efficace, elles fixent plus de carbone et ont moins besoin de maintenir leurs stomates ouverts. C’est le cas du maïs, du sorgho, du mil ou de la canne à sucre. D’autres plantes, comme les légumineuses, développent de longues racines pour puiser l’eau en profondeur dans le sol, celles de la luzerne peuvent atteindre 5m. D’autres encore, en particulier dans les régions désertiques, peuvent survivre à la déshydratation en accumulant des composés solubles comme le tréhalose.

Les biotechnologies s’inspirent de la nature

Depuis des décennies, la sélection génétique a amélioré la tolérance au stress hydrique, chez le maïs en particulier : les variétés modernes sont plus tolérantes à la sécheresse que les anciennes. Grâce à la sélection génomique (1), on peut actuellement repérer les régions du génome impliquées dans cette tolérance et les introduire par croisement dans les variétés commerciales en les suivant par des marqueurs moléculaires (2). C’est ce qui a été fait chez le maïs pour synchroniser, pendant la phase de reproduction, la maturité des organes mâles et femelles, synchronisation mise à mal en condition de manque d’eau.

On peut aussi cibler certains gènes précis lorsque l’on connait la fonction des protéines associées. Ainsi, la surexpression de certaines protéines permet-t-elle de limiter les pertes en eau : fermeture plus rapide des stomates chez le riz, diminution du nombre de stomates et développement du système racinaire chez le tabac, etc. On peut aussi surproduire des métabolites protecteurs contre la dessication en transférant dans les plantes des gènes d’autres plantes ou de microorganismes, comme le sorbitol ou le tréhalose chez le tabac et la pomme de terre.

Les premières variétés de maïs tolérantes à la sécheresse sont commercialisées aux USA : ces variétés contiennent un gène dérivé d’une bactérie qui protège les ARN messagers des changements de conformation induits par le stress hydrique et leur permet de poursuivre leur développement pendant les épisodes de manque d’eau.

Il reste cependant beaucoup à faire pour comprendre des caractères aussi complexes et élaborer des solutions biotechnologiques généralisables à plusieurs espèces, l’idéal étant d’identifier des gènes ayant un effet majeur, comme cela a été possible pour les caractères de domestication ou les gènes de raccourcissement des pailles chez les céréales.

(1) La sélection génomique dérive de la génétique d'association : en étudiant un grand nombre de génotypes, on peut établir des corrélations statistiques entre des régions du génome et un caractère physique, comme la tolérance à la sécheresse par exemple.

(2) Les marqueurs sont des fragments d’ADN, faciles à repérer, situés à proximité des gènes d’intérêt et qui co-ségrègent avec eux au cours des croisements.

La revue complète

Lire la revue complète de l’Académie d’Agriculture de France : "Comment la génétique pourra contribuer à l’adaptation des plantes au déficit hydrique ?" par Georges Pelletier.

Revue de l Académie d agriculture : plantes e

Sommaire de la revue :

  • Introduction
  • Les plantes face au déficit hydrique
  • Sélection de la variation spontanée pour la tolérance au déficit hydrique
  • Transgénèse végétale et tolérance au déficit hydrique
  • Conclusion
  • Bibliographie

Avancées de l'Inra dans le domaine

- Sécheresse

  • Définir et évaluer la sécheresse. Lire l'article.
  • Dossier sur le manque d'eau en agriculture.
  • Les rhizobactéries exercent un effet protecteur contre la sécheresse, permettant de réduire la mortalité des plantes jusqu'à 50% en cas de stress hydrique sévère. Lire l'article.

- Arbres et sécheresse

  • Un collectif international de chercheurs piloté par l’Inra vient d’identifier l’espèce d'arbre la plus résistante du monde à la sécheresse. Lire l'article
  • Des chercheurs de l’Inra associés à un groupe de recherche international ont montré que la plupart des arbres fonctionnent à la limite du point de rupture de leur système hydraulique. Lire l'article
  • Les chercheurs de l'Inra décèlent les sons émis par les arbres lors de l'entrée de bulles d'air dans les vaisseaux conducteurs d'eau, phénomène appelé embolie gazeuse et consécutif à des sécheresses sévères.  Lire l'article
  • Contrairement à ce qui était supposé par la communauté scientifique, la diversité n’est pas nécessairement un facteur d’amélioration de la résistance des forêts à la sécheresse. Lire l'article
Georges Pelletier, 63 ans, est ingenieur agronome et docteur es sciences. Il a dirige la Station de genetique et d'amelioration des plantes, au centre INRA de Versailles-Grignon, de 1991 a 1999. Il a ensuite contribue a la mise en place du consortium de genomique vegetale francais, Genoplante, dont il est aujourd'hui president du directoire. Laureat des Lauriers INRA 2006.. © © INRA, PAILLARD Gerard

L'auteur

Georges Pelletier est directeur de recherche émérite de l’Inra, membre de l’Académie des Sciences et membre de l’Académie d’Agriculture de France.