Merci pour cet article à Diana Yates, rédactrice en chef des sciences de la vie, University of Illinois News Bureau
Les scientifiques agricoles qui étudient le changement climatique se concentrent souvent sur la façon dont l'augmentation des niveaux de dioxyde de carbone atmosphérique affectera les rendements des cultures. Mais la hausse des températures est susceptible de compliquer le tableau, rapportent les chercheurs dans une nouvelle étude sur le sujet.
Publiée dans le Journal of Experimental Botany, la revue explore comment des températures plus élevées influencent la croissance et la viabilité des plantes malgré la plus grande disponibilité de CO atmosphérique2 , un élément clé de la photosynthèse. Une chaleur excessive peut réduire l'efficacité des enzymes qui stimulent la photosynthèse et peut entraver la capacité des plantes à réguler le CO2 , absorption et perte d'eau, écrivent les chercheurs. Les caractéristiques structurelles peuvent rendre les plantes plus ou moins sensibles au stress thermique. Les attributs de l'écosystème, tels que la taille et la densité des plantes, la disposition des feuilles sur les plantes ou les conditions atmosphériques locales, influencent également l'impact de la chaleur sur les rendements des cultures.
La revue décrit les derniers efforts scientifiques pour relever ces défis.
"Il est important de comprendre ces problèmes à toutes les échelles - de la biochimie des feuilles individuelles aux influences au niveau de l'écosystème - afin de vraiment s'attaquer à ces problèmes de manière éclairée", a déclaré l'auteur principal Caitlin Moore. , chercheur à l'Université d'Australie-Occidentale et chercheur affilié à l'Institute for Sustainability, Energy, and Environment à l'Université de l'Illinois Urbana-Champaign. Moore a dirigé l'examen avec Amanda Cavanagh , une autre ancienne élève de l'U. of I. maintenant à l'Université d'Essex au Royaume-Uni
"Historiquement, on s'est beaucoup concentré sur l'augmentation du CO2 et son impact sur les plantes", a déclaré le co-auteur Carl Bernacchi. , professeur de biologie végétale et des sciences végétales et affilié à l'Institut Carl R. Woese de biologie génomique à l'U. of I. « Et c'est un facteur important, parce que nous modifions énormément cette concentration de dioxyde de carbone. Mais c'est une petite partie de la plus grande histoire. Une fois que vous ajoutez des températures changeantes au mélange, cela perturbe complètement notre compréhension de la façon dont les plantes vont réagir. »
"Prenez Rubisco, l'enzyme clé qui fixe le dioxyde de carbone dans les sucres, rendant la vie sur Terre possible", a déclaré Cavanagh. "Rubisco accélère à mesure que la température augmente, mais il est également susceptible de faire des erreurs."
Au lieu de fixer le dioxyde de carbone en le liant aux sucres, une étape clé de la photosynthèse, Rubisco fixe parfois l'oxygène, initiant une voie différente qui gaspille les ressources d'une plante. Des températures plus élevées rendent cela plus probable, a déclaré Cavanagh. À des températures encore plus élevées, l'enzyme commencera à perdre son intégrité structurelle, la rendant inefficace.
Une chaleur excessive peut également nuire à la capacité de reproduction d'une plante. D'autres enzymes sensibles à la chaleur sont essentielles à la machinerie de récolte de la lumière des plantes ou jouent un rôle dans le déplacement des sucres vers différents tissus végétaux, permettant à la plante de pousser et de produire des céréales ou des fruits.
"Si ces petites machines moléculaires sont poussées hors de la plage de température optimale, elles ne peuvent pas faire leur travail", a déclaré Cavanagh.
Lorsque les températures augmentent trop, les feuilles des plantes ouvrent les pores de leur surface, appelés stomates, pour se refroidir. Les stomates permettent également aux plantes d'absorber le dioxyde de carbone de l'atmosphère, mais lorsqu'elles sont complètement ouvertes, la feuille peut perdre trop d'humidité.
"La température affecte l'atmosphère au-dessus de l'usine", a déclaré Moore. "Lorsque l'atmosphère se réchauffe, elle peut contenir de l'eau supplémentaire, donc elle tire plus d'eau des plantes."
Les scientifiques de l'Illinois et d'ailleurs cherchent des moyens d'améliorer la résilience des plantes cultivées face à ces changements. Moore, dont les travaux se concentrent sur les facteurs à l'échelle de l'écosystème, a déclaré que de nouveaux outils pouvant aider à dépister les plantes à grande échelle sont essentiels à cet effort. Par exemple, les satellites capables de détecter les changements de fluorescence de la chlorophylle dans les plantes peuvent indiquer si une culture est soumise à un stress thermique. Ces changements de fluorescence sont détectables avant que la plante ne montre le moindre signe extérieur de stress thermique, comme le brunissement de ses feuilles. Le développement de ces outils peut permettre aux agriculteurs de réagir plus rapidement au stress des cultures avant que trop de dégâts ne soient causés.
Cavanagh, qui étudie la biologie moléculaire et la physiologie des plantes, a déclaré que certaines plantes sont plus tolérantes à la chaleur que d'autres, et les scientifiques recherchent dans leurs génomes des indices sur leur succès.
"Par exemple, vous pouvez regarder les parents australiens sauvages du riz qui poussent dans des climats beaucoup plus rigoureux que la plupart des riz paddy", a-t-elle déclaré. "Et vous voyez que leurs enzymes sont prêtes à fonctionner plus efficacement à des températures plus élevées."
L'un des objectifs est de transférer des gènes résistants à la chaleur à des variétés de riz cultivées plus sensibles au stress thermique.
D'autres stratégies incluent des structures d'ingénierie qui pompent plus de CO2 , au site de fixation du carbone pour améliorer l'efficacité de Rubisco ; modifier les propriétés de collecte de lumière des feuilles au sommet et au bas des plantes pour uniformiser la répartition de la lumière du soleil et maintenir les niveaux d'humidité ; et modifier la densité des stomates pour améliorer leur contrôle du CO2 , afflux et perte d'humidité.
La collaboration entre scientifiques concentrés sur différentes échelles de l'écosystème et de la fonction végétale - de l'atmosphère au moléculaire - est essentielle au succès des efforts visant à renforcer la résilience des plantes cultivées, ont déclaré les chercheurs.
"Le monde se réchauffe à un rythme effarant", a déclaré Cavanagh. « Et nous savons, grâce aux modèles mondiaux, que chaque augmentation de la température brute en degrés Celsius peut entraîner des pertes de rendement de 3 % à 7 % de nos quatre principales cultures. Donc, ce n'est pas quelque chose que nous pouvons ignorer.
"Ce qui me rend optimiste, c'est de réaliser qu'il y a tant de travail à faire pour résoudre ce problème à l'échelle mondiale", a-t-elle déclaré.
Cavanagh et Bernacchi sont affiliés au projet Realizing Enhanced Photosynthetic Efficiency de l'U. of I. Moore est également affilié au Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation de l'Illinois. Bernacchi est chercheur en physiologie végétale pour le service de recherche agricole du département américain de l'agriculture.
L'article "L'effet de l'augmentation de la température sur la photosynthèse des cultures :des enzymes aux écosystèmes" est disponible en ligne et sur U. de I. Bureau de presse.
