Des plantes plus productives pour nourrir plus

Biotechnologie Améliorer la photosynthèse des cultures végétales augmenterait la productivité

Du laboratoire au champ, les obstacles sont nombreux

La population mondiale devrait passer de sept milliards d’individus aujourd’hui à neuf milliards en 2050. Selon les experts, si le régime des habitants continue d’être riche en produits carnés et laitiers, la Terre devra fournir 85% de biomasse en plus, notamment des céréales pour les élevages. Comment nourrir humains et bêtes? Stephen Long, agronome à l’Université d’Illinois aux Etats-Unis, et ses collègues américains et chinois proposent une approche théorique basée sur l’optimisation de la photosynthèse des plantes. Ce processus biologique naturel des végétaux leur permet d’utiliser la lumière pour fabriquer des sucres. Les réflexions de ces scientifiques ont été publiées le 27 mars dans la revue Cell.

Ces dernières décennies déjà, les agronomes ont trouvé des solutions pour augmenter la productivité agricole, avec un impact plus ou moins grand sur l’environnement. «Avant 1960, la production a été accrue principalement en augmentant la surface exploitée, pour arriver à environ 40% de la surface terrestre dédiée à la culture et aux pâturages, raconte Christian Fankhauser, professeur au Centre intégratif de génomique de l’Université de Lausanne. Puis, l’augmentation de la surface agricole a été freinée, ce qui est essentiel pour maintenir la biodiversité. D’autres mesures ont donc été prises pour augmenter la productivité par hectare, comme l’utilisation de nouvelles variétés, de fertilisants et de pesticides.» Le biologiste lausannois rappelle les limites de ce type de produits: «Les engrais sont à base d’azote dont l’extraction à partir de l’air est très coûteuse en énergie. Les phosphates, aussi utilisés comme fertilisants, sont obtenus dans des mines qui ne sont pas inépuisables.»

D’où la nécessité de chercher, même théoriquement, d’autres solutions. Améliorer la photosynthèse est une piste pertinente, selon Stephen Long. Tout d’abord, c’est une des réactions chimiques les mieux connues. «Tout le vivant dépend plus ou moins de cette réaction extraordinaire qui a été étudiée sous toutes les coutures», commente Christian Fankhauser. La réaction de photosynthèse consomme du dioxyde de carbone (CO2) de l’air et de l’eau pour produire des dérivés des sucres. Pour fabriquer cette matière organique, les cellules des végétaux possèdent des compartiments appelés chloroplastes qui contiennent des pigments – comme la chlorophylle de couleur verte – transformant l’énergie lumineuse en énergie chimique.

Par ailleurs, des modèles informatiques de la photosynthèse offrent la possibilité de tester virtuellement des milliers de changements de l’activité des gènes impliqués dans la photosynthèse. Les chercheurs peuvent aussi étudier l’impact théorique de l’intégration de gènes étrangers à la plante sur le rendement énergétique, et identifier les meilleures cibles à manipuler génétiquement. «Ces modèles informatiques sont très importants, observe Christian Fankhauser. Ils apportent une vision globale de l’intervention théorique avant sa mise en œuvre pratique.»

Enfin, l’agronome américain ajoute que de nouveaux outils pour modifier l’ADN ont été développés en recherche, comme la technique dite CRISPR-Cas9 permettant une chirurgie très précise de l’ADN (Lire LT du 24.03.2015). Cependant, cette technique soulève des questions. «CRISPR-Cas9 est une technique essentielle pour développer de nouvelles variétés, commente Christian Fankhauser. Mais il faudra légiférer sur son utilisation car dans certains cas, il sera difficile de distinguer une plante génétiquement modifiée par cette méthode d’une variété mutante issue de la sélection.»

Sur la base de ces outils informatiques et moléculaires, Stephen Long envisage plusieurs approches possibles. Par exemple, l’utilisation de l’ADN des algues et des cyanobactéries. Leurs cellules, qui sont aussi photosynthétiques, sont très efficaces pour réaliser la réaction chimique. Leurs séquences génétiques pourraient être intégrées à celles des plantes. Le gain en productivité des cultures a été estimé à 60%, selon une étude de Stephen Long parue en 2014 dans la revue Plant Physiology.

Une autre approche est celle de la modification de l’architecture des plantes, c’est-à-dire la forme et la position des feuilles, afin d’optimiser la capture de la lumière. «C’est ce que font depuis longtemps les agronomes en sélectionnant des variétés ayant les feuilles du haut plus verticales pour laisser de la lumière aux feuilles du bas», observe Christian Huygue, directeur de recherche à l’Institut national français de la recherche agronomique (INRA). Selon lui, il faut cependant regarder les effets de manière globale: «Il y a un compromis à faire; des feuilles plates à la base permettent aussi de lutter contre les mauvaises herbes en leur faisant de l’ombre, et donc d’utiliser moins de pesticides.» Le gain a ici été estimé entre 15 et 60%, selon deux publications en 2014 et 2006 de Stephen Long et de ses collègues.

Cependant, toutes ces hypothèses sont théoriques et le rendement estimé est loin d’être transposable dans les champs. «Ces approches concernent souvent des mécanismes moléculaires, explique Christian Huyghe. Or dans un champ, il faut avoir une approche multicritère de la plante dans son écosystème. On devrait intégrer dans les modèles l’alimentation en eau et CO2, la concurrence entre plantes voisines, les cycles de floraison et de stockage, etc. Ce changement d’échelle est très important.»

L’effet de ces modifications génétiques sur la physiologie générale de la plante doit aussi être pris en compte. Exemple, retoucher une enzyme clé de la photosynthèse, telle que la Rubisco, pourrait avoir des conséquences plus larges. Celle-ci est en effet riche en azote, un élément important notamment pour la fabrication des graines. Améliorer la photosynthèse, c’est donc aussi prendre le risque de perturber d’autres fonctions capitales pour la plante.

Enfin, il ne faut pas oublier que la proposition de Stephen Long d’augmenter le pouvoir photosynthétique des cultures, jugée «pertinente et intéressante» par Christian Huyghe, est une solution parmi d’autres pour nourrir hommes et bêtes. «On pourrait aussi réduire le gaspillage, qui représente près de 30% des récoltes, notamment en utilisant cette biomasse pour autre chose», propose l’agronome de l’INRA, qui suggère aussi d’introduire une succession culturale plus grande, pour produire toute l’année. Diminuer la consommation de viande serait une autre option. «Aujourd’hui, l’alimentation occidentale est à 60% basée sur des protéines animales, précise Christian Huyghe. Une diminution de 10% serait déjà bénéfique.»

«L’intégration d’ADN d’algues et de bactéries pourrait augmenter la productivité de 60%»