L’accroissement de la demande de biomasse végétale et la crise environnementale globale créent des enjeux scientifiques considérables et poussent au renforcement des approches systémiques comme des capacités d’innovation. Simultanément, la biologie se transforme sous l’effet de l’accroissement du débit des nouvelles technologies, de l’émergence des sciences du numérique et du développement des biotechnologies. C’est dans ce champ, défini par le double mouvement de la science et des attentes des sociétés, que s’inscrivent les priorités des recherches de l’Inra dans le domaine végétal :

• diversifier les modes de production et tirer parti de la diversité végétale ;
• renforcer les recherches sur le carbone renouvelable ;
• développer la biologie des systèmes et la biologie intégrative ;
• accroître et évaluer le potentiel des biotechnologies végétales.

Contexte

La concomitance de l’accroissement de la demande de biomasse végétale et de la crise environnementale globale est porteuse d’enjeux scientifiques considérables au plan national comme au plan mondial : cette conjonction requiert notamment le renforcement des approches systémiques et intégratives et des capacités d’innovation.

D’une part, les différentes facettes de la crise environnementale — changements climatiques, érosion de la biodiversité, invasions biologiques, compétition pour les usages du sol, tension sur les ressources en eau, dégradation de la qualité des sols, etc. — interrogent sur la durabilité, la robustesse et l’adaptabilité des systèmes de production, sur leurs impacts écologiques et sur leur capacité à générer des services environnementaux.

D’autre part, l’évolution démographique mondiale et les transitions alimentaire, énergétique et chimique engagées ou annoncées suscite un accroissement global de la demande de biomasses végétales pour des utilisations diversifiées — en premier lieu pour l’alimentation humaine et animale, mais aussi pour des usages énergétiques et chimiques, ou pour la production de fibres et de biomatériaux.

Concevoir, dans un cadre de développement durable, de nouveaux systèmes de production nécessite ainsi d’intégrer non seulement des objectifs classiques — des objectifs de rendement quantitatif, de qualité et de sécurité sanitaire des produits —, mais aussi des objectifs de robustesse vis-à-vis des changements climatiques ou des risques épidémiologiques, et de réduction des empreintes énergétique et environnementale de l’agriculture. Il est ainsi nécessaire d’approfondir et combiner des connaissances et des savoir-faire qui relèvent de nombreuses disciplines.

Simultanément, les disciplines biologiques et écologiques continuent de se transformer profondément sous l’effet conjoint de l’accroissement du débit des technologies d’acquisition de données, de l’émergence des sciences du numérique et du développement des biotechnologies vertes et blanches.

Les recherches relatives aux plantes — à leur biologie, leur diversité et leur écologie, à leurs usages et leurs produits, comme aux autres organismes vivants avec lesquels elles interagissent — ont été, et continuent d’être profondément modifiées sous l’effet conjoint de la biologie à haut débit, notamment de la génomique, de la diffusion de ces nouvelles technologies d’acquisition des données depuis les niveaux moléculaires et cellulaires vers des niveaux plus macroscopiques, de l’émergence des sciences du numérique — bioinformatique, modélisation, simulation, visualisation —, comme des opportunités offertes par le développement des biotechnologies, vertes et blanches.

Ces évolutions se sont par exemple traduites par des avancées remarquables sur quelques espèces modèles, notamment sur Arabidopsis thaliana. En retour, leur rapidité génère des interrogations sur la conception, les impacts et le déploiement des innovations qui en dérivent.

Priorités de recherche

Le champ défini par l’interaction de ces deux mouvements — celui de la science et des technologies et celui des attentes des sociétés (des producteurs aux consommateurs, des acteurs économiques aux décideurs publics, en France mais plus largement en Europe et dans le monde) — est traversé par la tension née de la possibilité — et de l’ambition — d’analyser l’organisation et le fonctionnement intimes du vivant, de la reconnaissance de la complexité des phénomènes biologiques et écologiques, et du besoin concomitant de renforcer les approches systémiques et de modélisation depuis les niveaux moléculaires et cellulaires jusqu’à ceux des agrosystèmes et de la biosphère.

C’est dans ce contexte que s’inscrivent les priorités des recherches de l’Inra dans le domaine végétal.

• Diversifier les modes de production, notamment par la conception de systèmes intégrés qui se placent explicitement dans un cadre de développement durable, et tirer parti de la diversité végétale.

Aux objectifs classiques, toujours valides, d’amélioration quantitative et qualitative des rendements — notamment via la résistance ou la tolérance des plantes aux stress abiotiques et aux bioagresseurs — s’ajoutent des objectifs essentiels de robustesse et d’adaptation aux changements climatiques attendus, de minimisation de l’empreinte environnementale et énergétique des systèmes de production, ou encore de production de services écologiques. L’intégration s’entend donc d’abord comme la prise en compte d’une combinaison d’objectifs et de contraintes. Elle suppose aussi d’articuler et valoriser, dans l’espace et le temps, les interactions entre différents actes techniques, d’aborder l’étude des systèmes de production à plusieurs échelles, spatiales et temporelles, et de développer des approches pluridisciplinaires bien au-delà des champs de la physiologie et de la génétique végétale ou de la phytopathologie. Elle nécessite enfin de mobiliser un partenariat élargi au-delà de la seule sphère scientifique.

La diversification des systèmes de production passe aussi par une meilleure valorisation des ressources génétiques, des espèces cultivées aussi bien que des espèces sauvages apparentées. La caractérisation fine de la diversité génétique, l’analyse de ses origines et des processus qui la façonnent (ex. domestication, coévolution avec les bioagresseurs) et l’exploration des propriétés et du potentiel adaptatif des espèces végétales viennent compléter les activités de conservation et de valorisation des ressources génétiques végétales.

Les recherches sur la biodiversité portent aussi sur les espèces associées : autres plantes (ex. adventices), insectes (auxiliaires aussi bien que ravageurs) et micro-organismes (aériens et telluriques, symbiotes et pathogènes). Là aussi, les méthodes moléculaires et bioinformatiques renouvellent profondément les approches, aussi bien en systématique que pour l’exploration de communautés mal connues (ex. micro-organismes du sol) ou pour l’étude des impacts des pratiques agricoles.

• Renforcer les recherches sur le carbone renouvelable, en couplant biologie et chimie du végétal, biotechnologies vertes et blanches, et approches systémiques (Rapport 1, Rapport 2, ARP VégA).

Au concept de valorisation non alimentaire — et implicitement subsidiaire — de la biomasse se substituent ceux d’exploration systématique de la diversité des plantes, de leurs propriétés et de leurs usages, et de conception, par ingénierie réverse, de plantes et systèmes de production dédiés, en tout ou partie, à la chimie, à l’énergie ou aux matériaux.

Le concept de bioraffinerie renouvelle ainsi la notion de coproduits, tandis que le développement d’approches systémiques variées — bilan environnemental, analyse de cycles de vie prenant en compte les diverses formes de substitution, modèles économiques locaux et globaux, etc. — s’impose pour évaluer les performances des nouveaux systèmes de production envisagés.

Le renforcement des recherches dans le domaine de la biomasse et du carbone renouvelable passe par un ensemble d’initiatives complémentaires : le renforcement des compétences scientifiques ; la coordination d’un atelier de réflexion prospective de l’ANR dédié à la biomasse du futur ; la participation à un projet pilote pré-industriel pour la production de biocarburants de deuxième génération.

• Développer la biologie des systèmes et la biologie intégrative, dans leurs différentes dimensions, par la poursuite du soutien aux infrastructures de ressources biologiques et aux investissements en génomique ainsi que par un renforcement des compétences en modélisation et des capacités de phénotypage.

La biologie intégrative peut en effet être déclinée selon différentes dimensions complémentaires : la recherche de l’exhaustivité des données et des processus considérés, depuis les gènes jusqu’aux phénotypes ; l’explicitation des liens entre des niveaux d’organisation imbriqués ; la coordination et l’intégration, spatiales et temporelles, des processus de développement et de signalisation ; les approches comparatives, notamment de phylogénomique.

L’accroissement des volumes de données et leur diversification, ainsi que la reconnaissance du caractère systémique du fonctionnement des organismes vivants — réseaux de gènes et métaboliques, cascades de signalisation, interactions entre processus biologiques et physico-chimiques, etc. — motivent le couplage entre des approches expérimentales, de bioinformatique et de modélisation mathématique. Ils supposent aussi d’articuler des compétences complémentaires dans le cadre de projets focalisés sur des fonctions ou cibles bien identifiées (ex. développement du méristème ; élaboration de la qualité du fruit ; durabilité des résistances à un bioagresseur ; nutrition azotée en conditions limitantes ; etc.).

A la poursuite, indispensable, des recherches menées sur les espèces modèles, notamment sur Arabidopsis thaliana, s’ajoutent l’approfondissement de quelques modèles complémentaires permettant d’étudier des fonctions particulières — Medicago truncatula pour la fixation symbiotique d’azote, la tomate pour la maturation et la qualité des fruits, ou encore Brachypodium dystachion pour la lignocellulose —, le renforcement des approches comparatives en vue du transfert des connaissances des espèces modèles vers les espèces d’intérêt agronomique et, de façon croissante, le développement d’approches directes (de génomique, de phénotypage, de modélisation) sur les systèmes d’intérêt agronomique.

• Accroître et évaluer le potentiel des biotechnologies végétales.

Ces technologies sont diversifiées : culture in vitro, utilisation de marqueurs moléculaires en amélioration des plantes, transgénèse, etc. Ce sont d’abord des outils de recherche indispensables pour l’acquisition de connaissances sur les plantes et les organismes associés : leur perfectionnement et leur développement sont donc nécessaires.

Ces technologies ouvrent aussi des perspectives comme vecteurs d’innovation : il convient donc d’en explorer les potentialités et les limites, de contribuer à leur maîtrise et d’éprouver leur pertinence sur des cibles d’intérêt général, et de développer les recherches permettant d’évaluer, de façon comparative et systémique, l’ensemble de leurs impacts et les conditions de leur mise en œuvre.

Les pistes ouvertes par la génétique d’association, la sélection assistée par marqueurs et la sélection génomique, qui tirent directement parti de la diversité naturelle des espèces cultivées, méritent une attention particulière.