À l’aide d’une paire de capteurs fabriqués à partir de nanotubes de carbone, des chercheurs du MIT et de l’Alliance Singapour-MIT pour la recherche et la technologie (SMART) ont découvert des signaux qui révèlent quand les plans subissent des stress tels que la chaleur, la lumière ou les attaques d’insectes ou de bactéries.
Les capteurs détectent deux molécules de signalisation que les plantes utilisent pour coordonner leur réponse au stress : le peroxyde d’hydrogène et l’acide salicylique (une molécule similaire à l’aspirine). Les chercheurs ont découvert que les plantes produisent ces molécules à des moments différents pour chaque type de stress, créant ainsi des modèles distinctifs qui pourraient servir de système d’alerte précoce.
Les agriculteurs pourraient utiliser ces capteurs pour surveiller les menaces potentielles pesant sur leurs cultures, leur permettant ainsi d’intervenir avant que les récoltes ne soient perdues, affirment les chercheurs.
« Ce que nous avons découvert, c’est que ces deux capteurs peuvent indiquer à l’utilisateur exactement quel type de stress la plante subit. À l’intérieur de l’usine, en temps réel, vous obtenez des changements chimiques qui augmentent et diminuent, et chacun sert d’empreinte digitale d’un stress différent », explique Michael Strano, professeur Carbon P. Dubbs de génie chimique au MIT et l’un des principaux chercheurs. auteurs de l’étude. Strano est également co-chercheur principal du groupe de recherche sur les technologies perturbatrices et durables pour la précision agricole de SMART.
Sarojam Rajani, chercheur principal principal au laboratoire des sciences de la vie Temasek à Singapour, est également l’un des auteurs principaux de l’étude. papierqui apparaît dans Communications naturelles. Les principaux auteurs de l’article sont Mervin Chun-Yi Ang, directeur scientifique associé chez SMART et Jolly Madathiparambil Saju, chercheur au Temasek Life Sciences Laboratory.
Ressentir le stress
Les plantes réagissent de différentes manières à différents types de stress. En 2020, le laboratoire de Strano a développé un capteur capable de détecter le peroxyde d’hydrogène, que les cellules végétales utilisent comme signal de détresse lorsqu’elles sont attaquées par des insectes ou subissent d’autres stress tels qu’une infection bactérienne ou une lumière excessive.
Ces capteurs sont constitués de minuscules nanotubes de carbone enveloppés de polymères. En modifiant la structure tridimensionnelle des polymères, les capteurs peuvent être adaptés pour détecter différentes molécules, émettant un signal fluorescent lorsque la cible est présente. Pour la nouvelle étude, les chercheurs ont utilisé cette approche pour développer un capteur capable de détecter l’acide salicylique, une molécule impliquée dans la régulation de nombreux aspects de la croissance, du développement et de la réponse au stress des plantes.
Pour intégrer les nanocapteurs dans les plantes, les chercheurs les dissolvent dans une solution, qui est ensuite appliquée sur la face inférieure d’une feuille de plante. Les capteurs peuvent pénétrer dans les feuilles par des pores appelés stomates et s’installer dans le mésophylle – la couche où se déroule l’essentiel de la photosynthèse. Lorsqu’un capteur est activé, le signal peut être facilement détecté à l’aide d’une caméra infrarouge.
Image : Avec l’aimable autorisation des chercheurs
Dans cette étude, les chercheurs ont appliqué les capteurs de peroxyde d’hydrogène et d’acide salicylique au pak choi, un légume vert à feuilles également connu sous le nom de bok choy ou chou chinois. Ensuite, ils ont exposé les plantes à quatre types de stress différents – chaleur, lumière intense, piqûres d’insectes et infection bactérienne – et ont découvert que les plantes généraient des réponses distinctes à chaque type de stress.
Chaque type de stress a conduit les plantes à produire du peroxyde d’hydrogène en quelques minutes, atteignant des niveaux maximaux en une heure, puis revenant à la normale. La chaleur, la lumière et l’infection bactérienne ont toutes provoqué la production d’acide salicylique dans les deux heures suivant le stimulus, mais à des moments distincts. Les piqûres d’insectes n’ont pas du tout stimulé la production d’acide salicylique.
Les résultats représentent un « langage » que les plantes utilisent pour coordonner leur réponse au stress, explique Strano. Les ondes de peroxyde d’hydrogène et d’acide salicylique déclenchent des réponses supplémentaires qui aident une plante à survivre quel que soit le type de stress auquel elle est confrontée.
Pour un stress tel qu’une piqûre d’insecte, cette réponse comprend la production de composés chimiques que les insectes n’aiment pas, les éloignant de la plante. L’acide salicylique et le peroxyde d’hydrogène peuvent également activer les voies de signalisation qui activent la production de protéines qui aident les plantes à réagir à la chaleur et à d’autres stress.
« Les plantes n’ont pas de cerveau, elles n’ont pas de système nerveux central, mais elles ont évolué pour envoyer différents mélanges de produits chimiques, et c’est ainsi qu’elles communiquent au reste de la plante qu’il fait trop chaud ou qu’il s’agit d’un insecte prédateur. attaque », dit Strano.
Alerte précoce
Cette technique est la première à pouvoir obtenir des informations en temps réel sur une plante, et la seule qui puisse être appliquée à presque toutes les plantes. La plupart des capteurs existants sont constitués de protéines fluorescentes qui doivent être génétiquement modifiées dans un type spécifique de plante, comme le tabac ou la plante expérimentale commune. Arabidopsis thalianaet ne peut pas être appliqué universellement.
Les chercheurs adaptent actuellement ces capteurs pour créer des plantes sentinelles qui pourraient être surveillées afin d’avertir les agriculteurs beaucoup plus tôt lorsque leurs cultures sont soumises à un stress. Lorsque les plantes n’ont pas assez d’eau, par exemple, elles commencent à brunir, mais à ce moment-là, il est généralement trop tard pour intervenir.
« Avec le changement climatique et l’augmentation de la population, il est indispensable de mieux comprendre comment les plantes réagissent et s’acclimatent au stress, et également de concevoir des plantes plus tolérantes au stress. L’œuvre révèle l’interaction entre H2Ô2l’une des espèces réactives de l’oxygène les plus importantes dans les plantes, et l’hormone acide salicylique, qui est largement impliquée dans les réponses au stress des plantes, contribuant ainsi à la compréhension mécaniste de la signalisation du stress par les plantes », explique Eleni Stavrinidou, professeure agrégée principale de bio-ingénierie. à l’Université de Linköping en Suède, qui n’a pas participé à la recherche.
Cette technologie pourrait également être utilisée pour développer des systèmes qui non seulement détecteraient quand les plantes sont en détresse, mais déclencheraient également une réponse telle qu’une modification de la température ou de la quantité de lumière dans une serre.
« Nous intégrons cette technologie dans les diagnostics qui peuvent fournir aux agriculteurs des informations en temps réel beaucoup plus rapidement que n’importe quel autre capteur, et suffisamment rapidement pour qu’ils puissent intervenir », explique Strano.
Les chercheurs développent également des capteurs qui pourraient être utilisés pour détecter d’autres molécules de signalisation végétales, dans l’espoir d’en apprendre davantage sur leurs réponses au stress et à d’autres stimuli.
La recherche a été soutenue par la National Research Foundation de Singapour dans le cadre de son programme Campus for Research Excellence And Technological Enterprise (CREATE) via SMART, et par l’Institut national de l’alimentation et de l’agriculture de l’USDA.
