De nouveaux légumes pour une planète en réchauffement

Nous avons besoin d’une diversité de cultures pour nous adapter au changement climatique de la Terre, rapporte Viviane Callier pour Nautil.us.

Lorsque vous mordez dans un épi de maïs frais, vous mangez quelque chose de profondément contre nature. Un épi moderne est une grosse chose savoureuse, remplie de 18 rangées de grains bien charnus. Son triste ancêtre sauvage n’avait que six à huit rangées de grains, ressemblant plus à quelque chose que vous auriez arraché de votre pelouse qu’à quelque chose que vous auriez mis sur le grill. La version croquante et juteuse que nous mangeons aujourd’hui est le résultat de milliers d’années d’élevage et de sélection. Il en va de même pour la plupart des cultures modernes : Elles ont été génétiquement modifiées à maintes reprises pour nourrir une population urbaine toujours plus nombreuse.

Il nous faut à présent refaire nos cultures une fois de plus. Les anciennes stratégies d’amélioration de la taille et du rendement ne suffisent plus. Quelques siècles d’émissions de gaz à effet de serre par l’homme nous ont rattrapés. Le monde devrait se réchauffer d’au moins 2 degrés Celsius en moyenne d’ici le milieu du siècle, et les tempêtes, les pluies et les sécheresses extrêmes étant déjà plus fréquentes, les conditions de croissance changent plus vite que les agriculteurs et leurs cultures ne peuvent s’adapter. Zachary Lippman, professeur de génétique au Cold Spring Harbor Laboratory, compare la situation à une course aux armements – cette fois, nous sommes en concurrence avec nous-mêmes.

AU-DELÀ DE QUINOA : Le quinoa a été consommé pendant des milliers d’années en Amérique du Sud, mais était peu connu au-delà de cette région. Son récent succès auprès des consommateurs, en tant que céréale traditionnelle saine, pourrait laisser présager l’adoption généralisée d’autres cultures régionales ou orphelines.

Des entreprises agroalimentaires comme Cargill et Archer Daniels Midland sont conscientes de la bataille et parient surtout que l’amélioration des cultures, grâce aux dernières techniques de génie génétique, sauvera la situation. M. Lippman doute que cela suffise. « Gagner la course aux armements dans le domaine du changement climatique va être extrêmement difficile », dit-il. Continuer à affiner les caractéristiques des cultures existantes, en les rendant encore plus spécialisées, ne pourrait que rendre les défis plus grands. Nous devons nous attaquer à l’une des faiblesses fondamentales de l’agriculture moderne : une dépendance extrême à l’égard de quelques souches de quelques cultures seulement, notamment le maïs, le blé, le riz et le soja.

Pour résoudre la crise alimentaire et climatique, il faudra revenir à l’essentiel et trouver des moyens d’élargir notre gamme de cultures plutôt que de la restreindre. « Nous devons réfléchir à la façon dont la domestication fonctionnait en général, il y a des milliers d’années », déclare M. Lippman. À l’époque, les premières formes de cultures modernes pouvaient être retirées de leur aire géographique d’origine et cultivées dans de nouveaux endroits parce que les agriculteurs et les sélectionneurs sélectionnaient les mutations qui permettaient ces adaptations. Nous pouvons le faire à nouveau, en ajoutant des cultures négligées à l’approvisionnement alimentaire général et en nous efforçant d’élargir le pool génétique agricole après des siècles d’évolution inverse. Cette adaptation permettra aux agriculteurs de disposer de cultures adaptées aux conditions de croissance extrêmes qu’ils sont susceptibles de rencontrer au cours des prochaines décennies.

« Nous n’avons pas fait un très bon travail de maximisation de la diversité », déclare M. Lippman. « Et la diversité est ce dont vous avez besoin pour gagner la bataille du changement climatique ».

Aujourd’hui, des alternatives agricoles existent déjà sous la forme de cultures orphelines : celles qui sont cultivées à petite échelle dans certaines régions du monde, mais qui n’ont pas bénéficié de la sélection et de la recherche dans la même mesure que les grandes cultures. Certaines d’entre elles sont déjà adaptées à des conditions relativement chaudes ou sèches. Comme elles n’ont pas fait l’objet de la même sélection extensive que le maïs, le soja et le blé, les orphelins ont un potentiel plus important non exploité.

Le premier obstacle à l’adoption des cultures orphelines est d’identifier les plus prometteuses et d’attirer l’attention sur elles. Le quinoa est un excellent exemple de culture orpheline qui a langui dans l’obscurité. Elle a été consommée pendant des milliers d’années dans la région andine du nord de l’Amérique du Sud, mais était peu connue au-delà. À partir des années 1980, elle a commencé à attirer l’attention en tant que céréale traditionnelle saine, et a bénéficié de recherches et d’une commercialisation approfondies. Aujourd’hui, elle est en train de devenir courante ; la production mondiale a plus que triplé, passant à 230 000 tonnes, entre 2009 et 2019.

De nombreuses autres cultures orphelines pourraient devenir de plus en plus importantes à mesure que le changement climatique déstabilise le système agricole existant. Le groupe de recherche de M. Lippman au Cold Spring Harbor Laboratory a étudié les orphelins de la famille des Solanacées, un groupe diversifié qui comprend les tomates, les pommes de terre, les aubergines et les poivrons. Au moins 25 cultures orphelines existent dans cette famille, et il existe de nombreux autres parents sauvages non cultivés qui ont un potentiel de culture. Lippman s’intéresse particulièrement à l’aubergine africaine domestiquée, cultivée pour son fruit, et à un parent sauvage, Solanum anguivi, dont les feuilles sont consommées. Seules les communautés locales mangent ces espèces, car il n’y a pas eu beaucoup d’intérêt pour les développer en tant que cultures vivrières traditionnelles. « Il existe des dizaines de Solanaceae qui ont un potentiel agricole plus étendu que ce que nous réalisons actuellement », explique M. Lippman.

Dans un monde qui se réchauffe, nous devons réorganiser nos cultures. Les anciennes stratégies d’amélioration de la taille et du rendement ne suffisent plus.

En collaboration avec le biologiste des plantes Yuval Eshed de l’Institut Weizmann des sciences en Israël, Lippman a étudié les gènes de domestication des plants de tomates ; avec d’autres chercheurs, ils ont découvert que la domestication produisait des effets bénéfiques en modifiant les mêmes gènes dans différentes lignées de plantes. L’ensemble des gènes associés à la domestication de nombreuses cultures dirige la production de deux hormones clés, le florigen et l’antiflorigen. Ces hormones contrôlent le moment de la floraison et le nombre de fleurs produites sur chaque plante, ainsi que la croissance et la ramification des tiges. Les récentes découvertes suggèrent que le fait de se concentrer sur cette poignée de gènes pourrait accélérer l’amélioration des cultures orphelines, voire permettre la domestication de novo de plantes sauvages ayant un potentiel de culture. Eshed et Lippman sont enthousiastes à propos des légumineuses orphelines, comme le pois chiche résistant à la sécheresse, qui présentent un grand potentiel pour une culture plus large. Le teff, une céréale rustique et riche en protéines cultivée en Afrique, est une autre culture orpheline dont la production pourrait être largement étendue.

M. Lippman suggère de penser comme si nous recommencions à créer une agriculture moderne à partir de zéro : « Nous pouvons concentrer notre attention sur les gènes et les familles de gènes qui se sont avérés être les plus importants au cours de l’histoire pour entraîner les changements de caractéristiques qui nous donnent le type d’agriculture que nous avons aujourd’hui », dit-il. « Bien sûr, il y a tellement plus de changements dans d’autres gènes qui étaient également importants et doivent également être pris en compte, mais certaines familles de gènes se distinguent ».

Les gènes régulateurs de Florigen ont été modifiés à plusieurs reprises par les sélectionneurs dans des cultures aussi diverses que la tomate, le soja, la pomme de terre, le haricot, la fraise, l’orge, la betterave sucrière, le riz et le blé (pendant la plus grande partie de l’histoire, les agriculteurs ont procédé à ce type de modification génétique en se basant uniquement sur l’apparence, sans avoir conscience de ce qui se passait au niveau moléculaire). Le contrôle de la production de fleurs est essentiel car les fleurs deviennent des fruits ; le moment de la floraison détermine la durée de la saison de croissance, et la récolte. Le biologiste Akiva Shalit-Kaneh de l’Institut de technologie Technion-Israël, qui travaille avec Eshed et d’autres, a découvert que le florigen et l’antiflorigen influencent également le schéma de croissance des tiges. Les tubes dans les tiges qui pompent l’eau et les nutriments dans toute la plante (vasculature) se développent et mûrissent parallèlement au processus de floraison ; cette croissance co-régulée par le florigen et l’antiflorigen montre que leurs gènes associés peuvent améliorer les cultures d’autres manières.

Au lieu d’attendre patiemment que des mutations bénéfiques spontanées surviennent, comme l’ont fait les sélectionneurs de plantes pendant des milliers d’années, l’idée est d’accélérer les choses en utilisant l’édition de gènes CRISPR pour créer des variations aux endroits du génome qui codent pour le florin et l’antiflorin, ce qui induit essentiellement une diversité à la demande. L’augmentation de la diversité génétique dans ces régions ciblées du génome permettrait un plus large éventail d’adaptations au changement climatique. Les sélectionneurs de plantes pourraient utiliser cette palette génétique élargie, en combinaison avec les variations génétiques déjà existantes, pour sélectionner les variétés de plantes les mieux adaptées à des conditions de croissance particulières, telles qu’une plus grande chaleur, des sécheresses plus fréquentes ou une salinité élevée.

C’est exactement ce qu’a fait un groupe dirigé par M. Lippman et le chercheur postdoctoral Choon-Tak Kwon avec des plants de tomates. En collaboration avec des collègues de Corée, d’Israël et d’autres pays des États-Unis, les chercheurs ont modifié les gènes des tomates pour qu’elles fleurissent plus rapidement et aient des tiges plus courtes, ce qui a permis d’obtenir une plante compacte adaptée à l’agriculture urbaine, une autre réponse prometteuse aux limites de l’agriculture actuelle. La culture et la distribution de nourriture dans des zones densément peuplées permet d’éviter les coûts élevés de l’énergie et du transport de l’agriculture industrielle, et peut également accroître la sécurité alimentaire dans les communautés qui n’ont pas facilement accès à des produits frais. Dans une autre étude, le groupe de Lippman a modifié 30 variantes de gènes (allèles) dans une tomate pour moduler la taille et le poids des fruits. C’était comme un cadran que l’on pouvait tourner vers le haut ou vers le bas pour produire exactement la taille de fruit désirée.

En principe, ces mêmes techniques de réglage génétique peuvent maintenant être appliquées à d’autres membres de la famille des Solanacées, transformant ainsi des plantes moins familières en nouvelles cultures utiles. Bien que l’approche de CRISPR soit à la pointe du progrès, les mécanismes génétiques qu’elle active sont les mêmes que ceux que les agriculteurs manipulent depuis des milliers d’années – les mêmes mécanismes que les plantes elles-mêmes ont développés au cours de dizaines de millions d’années de sélection naturelle. « Nous devons nous incliner devant la nature et faire un clin d’œil à la façon dont les sélectionneurs travaillent avec ce que la nature a fourni », déclare M. Lippman. « L’outil d’édition génétique est un moyen pour nous de marcher côte à côte avec ce que la nature nous a déjà donné, et de l’aider ».

L’identification et l’amélioration des cultures orphelines ne sont qu’une partie de l’effort visant à changer l’orientation de l’agriculture mondiale. L’agrobusiness est une industrie d’un milliard de dollars rien qu’aux États-Unis, et les exploitations agricoles d’entreprise sont peu incitées à procéder à la mise au point de nouvelles variétés à forte intensité de main-d’œuvre alors que leurs bénéfices dépendent presque entièrement de quelques cultures seulement. En fait, les champs américains sont aujourd’hui moins diversifiés qu’ils ne l’ont jamais été, car les entreprises se concentrent sur la culture du maïs et du soja ; ensemble, ces deux cultures représentent à elles seules 180 millions d’hectares de plantation dans ce pays, selon le ministère américain de l’agriculture. Se détourner des cultures traditionnelles pour développer d’obscures nouvelles variétés « n’est pas une chose sur laquelle les entreprises privées se jetteront si elles n’y trouvent pas d’incitation financière », déclare M. Lippman.

Aubrey Streit Krug, directeur des études sur l’écosphère au Land Institute du Kansas, estime qu’il existe un lien entre l’adaptation au climat, l’économie et la culture, et que le changement réel devra tenir compte de tous ces facteurs. « Sur le plan agronomique, nous devons savoir comment cultiver ces plantes, comment les cultiver correctement pour obtenir un rendement élevé, comment nous établir des relations avec elles et les gérer », dit-elle. Les agriculteurs devront apprendre à cultiver et à gérer les nouvelles cultures et les consommateurs devront avoir envie de les manger. Les rayons des supermarchés sont aujourd’hui très différents de ce qu’ils étaient il y a quelques décennies, avec le quinoa et le chou frisé à côté du riz blanc et de la laitue iceberg, nous savons donc que de telles transformations sont possibles.

L’outil d’édition génétique est un moyen pour nous de marcher côte à côte avec ce que la nature nous a déjà donné, et de l’aider à avancer.

Lee DeHaan, collègue de Krug et responsable scientifique du programme de domestication de l’herbe de blé (Kernza) à l’Institut de la Terre, s’étend sur ce point. « La technologie d’édition du génome ne fera rien en soi. Elle doit vivre dans le contexte de tous ces autres trucs – la sélection végétale traditionnelle et tous les autres travaux qui doivent être effectués pour développer de nouvelles cultures, y compris la science alimentaire et l’agronomie et les changements sociétaux », dit-il. Il n’y a aucune raison que les agriculteurs de toutes les échelles, des petites parcelles aux grandes entreprises agricoles, ne puissent pas adopter ces changements, tant qu’ils y sont incités.

Selon M. Lippman, l’incitation qui pourrait changer la façon dont les entreprises agricoles fonctionnent est le fait que le changement climatique pourrait mettre en évidence les coûts de l’absence de changement. Des versions améliorées et surspécialisées de l’agriculture actuelle à grande échelle et monoculture pourraient rendre les exploitations agricoles de plus en plus vulnérables à une catastrophe de récolte. Nous ne pouvons pas prévoir comment le climat va changer localement, pour faire correspondre les nouvelles variétés de cultures transgéniques à ce nouveau climat, et nous ne pouvons pas prévoir de manière fiable comment les plantes transgéniques vont réagir à des conditions de croissance imprévues. Une seule mauvaise récolte coûteuse pourrait instantanément modifier les calculs économiques. Si Lippman et les autres évangélistes de la diversité des cultures réussissent, les agriculteurs auront déjà changé d’orientation pour s’assurer contre de telles éventualités, en adoptant à la fois des cultures orphelines et des versions plus robustes et moins spécialisées des produits de base actuels.

Dans un récent article de la revue Science, Lippman et Eshed examinent les différentes idées proposées pour nourrir l’humanité sur une planète plus chaude et plus peuplée. « Les deux principales stratégies sont l’amélioration et l’adaptation des principales cultures qui bénéficient déjà d’infrastructures à grande échelle développées autour d’elles, et la diversification de l’agriculture en développant de nouvelles cultures qui s’adapteraient mieux aux changements climatiques et répondraient aux besoins nutritionnels », écrivent les auteurs. Les modifications du génome qui se concentrent sur le système florigène – le même système génétique qui a conduit à de nombreuses améliorations des cultures dans l’histoire de l’agriculture – « pourraient être les plus rentables pour l’amélioration des cultures », concluent-ils.

Bien que le maïs doux d’aujourd’hui soit une amélioration par rapport à son ancêtre, les rayons des supermarchés de demain pourraient constituer une avancée considérable par rapport à ce que nous avons aujourd’hui. La viande, qui contribue de manière importante au changement climatique, sera probablement moins répandue. Les aliments fabriqués à partir de céréales et de légumineuses riches en protéines le seront probablement beaucoup plus. Des produits qui semblent aujourd’hui exotiques, comme le teff et les aubergines africaines, pourraient être devenus tout à fait banals. Mais le plus grand changement sera largement invisible : Les cultures futures seront mieux préparées à un monde en mutation.

En utilisant CRISPR et les outils d’édition génétique associés, ainsi que les variations génétiques naturelles encore inexploitées, les sélectionneurs inverseront le schéma séculaire du maïs, du riz, du blé et du soja, de plus en plus spécialisés et vulnérables. Les souches qui les remplaceront auront l’air superficiellement similaires, mais elles retrouveront la capacité d’adaptation de leurs lointains ancêtres, perdue depuis longtemps. Les (anciennes) cultures orphelines partageront un secret caché similaire. Elles seront elles aussi les bénéficiaires de l’édition de CRISPR – dans ce cas, utilisées pour créer des variantes plus grandes, plus savoureuses et plus nutritives en quelques générations seulement, plutôt que les dizaines ou les centaines requises par la sélection traditionnelle. Nous avons raté l’occasion d’arrêter le changement climatique, mais M. Lippman pense que nous pouvons encore gagner la course pour refaire l’agriculture et sauvegarder l’approvisionnement alimentaire de l’humanité.

 

Via Nautil.us.

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