Source: Cirad Lettre d'information No 9

Sous l’effet des contraintes nutritives ou climatiques, les plantes adaptent leur morphologie. Dans le cas du riz, un outil de modélisation, développé par le Cirad dans le cadre du projet Oryzon, permet désormais de simuler cette adaptation et de mieux la comprendre.

Lorsqu’un climat est trop sec ou trop chaud, et inversement, les plantes sont soumises à un stress, mais elles sont capables de s’adapter. Les chercheurs évaluent alors leur résistance à ce stress. Cette résistance peut également amener les plantes à modifier, tout au long de leur développement, leur morphologie voire leur architecture. Cette plasticité est d’une importance capitale pour la productivité des cultures dans des milieux variables et hétérogènes ; c’est donc en soi un objectif de sélection variétale. Mais jusqu’à présent, elle n’était pas prise en compte dans les études. L’outil de modélisation développé par le projet Oryzon, qui vient de s’achever, permet désormais, dans le cas du riz, de combler cette lacune.

Il offre la possibilité de simuler les processus de création et le dimensionnement de nouveaux organes du riz en fonction de la disponibilité des nutriments assimilés au sein de la plante. Cette disponibilité s’exprime par la concentration de certains sucres. Contrôlée par l’activité d’enzymes, cette concentration joue le rôle de signal, et donc de régulateur, au niveau des zones initiant de nouveaux organes. La plante ajuste ainsi sa morphologie : son système racinaire, la taille et le nombre de ses feuilles. L'ensemble de ces paramètres conditionne l'accès aux ressources nutritives, la résistance au stress environnemental, ou encore la compétition face aux adventices.

Pour arriver à ce résultat, de nombreuses observations ont été accumulées, en milieu contrôlé, sur des variétés et des mutants contrastés de riz, soumis à différentes contraintes : carence en phosphore, périodes d’ombrage, sécheresse… La morphogenèse de la plante et de ses organes, leur teneur en sucres, l’activité d’enzymes clefs ont été mesurées. Un mécanisme majeur de plasticité a notamment été mis en évidence : en réponse à une carence en phosphore, la croissance racinaire est stimulée – certainement pour améliorer l’accès au phosphore – au travers d’une cascade d’inhibitions de la croissance de la partie aérienne. La demande en carbone des organes aériens étant ainsi réduite, les nutriments assimilés excédentaires sont mis en réserve et la croissance racinaire est accélérée. A l’inverse, sous l’effet d’un faible rayonnement, la croissance du système racinaire est inhibée à la faveur d’une élongation des feuilles et des tiges – certainement pour chercher de la lumière – alors que l’organogenèse est ralentie.

La modélisation de ces adaptations pourrait, en outre, mener au développement de marqueurs moléculaires puissants pour la création variétale, et ainsi éviter le passage obligé par des organismes génétiquement modifiés.

The morphological adaptability of rice has at last been modelled

If a climate is too hot or too dry, or the opposite, plants are exposed to stress, but they are capable of adapting. Researchers can thus assess their resistance to stress, which may also lead plants to change their morphology and even their architecture, at any stage of their development.

This plasticity is of crucial importance for crop productivity in variable, heterogeneous environments; it is thus a target for varietal breeding operations. However, to date, it has not been studied in detail. The modelling tool developed by the Oryzon project, which has just been completed, can now be used for this purpose in the case of rice.

It offers the possibility of simulating how new organs develop in rice plants, depending on assimilated nurtient availability within the plant. That availability is reflected in the levels of certain sugars. Sugar concentration is governed by enzyme activity, and acts as a signal, and thus as a regulator, in the zones that give rise to new organs. Plants thus adjust their morphology (root system and leaf size and number). It is these parameters that govern access to nutrient stocks, environmental stress resistance and competition with weeds.

To achieve this result, numerous observations were carried out, in controlled environments, on a range of rice varieties and mutants subjected to various constraints: phosphorus deficiency, shade periods, drought, etc. The morphogenesis of the rice plants and their organs, sugar content and key enzyme activity were measured. One major plasticity mechanism was demonstrated: in response to a phosphorus deficiency, root growth is stimulated–no doubt to improve access to the available phosphorus–through repeated inhibition of aerial system growth. This reduces carbon demand from the aerial organs, surplus assimilated nutritients are set aside and root growth is accelerated. Conversely, in the event of low sunshine levels, root system growth is inhibited in favour of leaf and stem elongation–no doubt in the search for light–while organogenesis is slowed down.

Modelling these adaptation processes could also serve to develop powerful molecular markers for use in varietal creation, avoiding the need for genetically modified organisms.