Partout dans le monde, des scientifiques s'efforcent de produire des cultures plus résistantes aux stress environnementaux. Par exemple, les sélectionneurs cherchent à améliorer la capacité du maïs à prospérer dans des sols difficiles. Mais ce défi en soulève un autre : les racines, étant souterraines, sont complexes à étudier. De ce fait, bien qu'elles soient essentielles à la santé des plantes – elles leur fournissent nutriments, eau et soutien structurel –, elles sont souvent négligées dans les recherches sur le terrain.

Une nouvelle étudeL’étude de Lopez-Valdivia et ses collègues est la première à combler cette lacune en matière de connaissances en utilisant le maïs. races locales Des chercheurs de toute l'Amérique ont mené une étude combinant l'anatomie racinaire du maïs, les caractéristiques du sol et la modélisation informatique afin de simuler une croissance racinaire optimale dans différents environnements pédologiques. Ils ont ainsi pu identifier des adaptations spécifiques à certains stress du sol, ainsi que des adaptations plus générales convenant à de nombreux environnements pédologiques.

« Anatomie de la racine » phénotypes « Les gènes qui réduisent le coût métabolique de l'exploration du sol sont utiles dans de nombreux types de sols. Cela en fait des cibles de sélection intéressantes », explique le professeur Jonathan Lynch, auteur principal de l'article. « Cette étude vient s'ajouter à un ensemble croissant de preuves démontrant que les phénotypes racinaires sous contrôle génétique sont des cibles intéressantes pour la création de cultures plus résilientes, dont l'agriculture mondiale a un besoin urgent. »

Selon Lynch, l'utilisation des phénotypes racinaires dans la sélection végétale est restée marginale jusqu'à présent, non seulement en raison des difficultés liées à leur étude, mais aussi parce que les sélectionneurs craignent de « sélectionner des phénotypes utiles dans des sols ou des environnements spécifiques, mais qui ne le seraient pas dans de nombreux autres environnements. Ce type d'adaptation à grande échelle est important dans bien des cas. »

Ils se sont tournés vers les variétés locales pour trouver une large adaptation, car elles sont adaptées aux environnements à « faibles intrants », tels qu'une faible disponibilité en azote ou en phosphore, et sont souvent plus résistantes aux stress abiotiques que les cultivars d'élite sélectionnés pour une production à « forts intrants ».

Les chercheurs ont découvert que les racines du maïs se configurent naturellement pour éviter des coûts métaboliques élevés lors de l'exploration du sol, et ils concluent que les « architectures racinaires intermédiaires » devraient être ciblées dans les stratégies de sélection pour favoriser la croissance sur une gamme diversifiée de sols.

« Même les systèmes de production agricole à forte intensité d'intrants subissent un stress abiotique accru en raison des changements climatiques et bénéficieraient d'une réduction des besoins en intrants ; cette étude est donc stratégiquement pertinente pour la production mondiale de maïs », explique Lynch.  

Les chercheurs ont fondé leurs conclusions sur des images de racines provenant d'un panel diversifié de variétés locales de maïs (Zea mays L. subsp. maysDes images ont été prises de «racines nodalesLes racines adventives (également appelées « racines de couronne ») constituent le système racinaire principal du maïs. Elles émergent des nœuds de la tige situés au-dessus de la graine, mais sous la surface du sol, dans le collet des feuilles. De plus, une image des « racines séminales », issues de l'embryon de la graine, a également été prise pour chaque plante.

« Pour chaque nœud, nous avons mesuré l’angle, le nombre de racines nodales, la fréquence des ramifications latérales et le diamètre de la racine », écrivent Lopez-Valdivia et ses collègues. De plus, la deuxième racine nodale a été sélectionnée pour des études anatomiques plus détaillées.

Les chercheurs ont constaté que les plants de maïs présentant un nombre réduit de racines nodales et un angle de croissance prononcé se développaient mieux dans les régions où l'azote est limité. Les variétés locales de maïs, caractérisées par un nombre plus important de racines nodales et une structure superficielle, ont donné de bons résultats dans les sols pauvres en phosphore.

Quatre accessions de maïs provenant de chacun des environnements arides et humides les plus extrêmes des Amériques ont été étudiées. Les régions humides, caractérisées par une bonne disponibilité en azote mais une faible disponibilité en phosphore, comprenaient des variétés de maïs du Costa Rica et du Pérou. Les régions arides, caractérisées par une faible disponibilité en azote mais une forte disponibilité en phosphore, comprenaient l'Argentine, le Pérou et le Colorado (États-Unis).

Lopez-Valdivia et ses collègues ont étendu la portée de leurs travaux en réalisant une analyse structure-fonction de 96 variétés locales de maïs, simulant ainsi le succès de différentes architectures racinaires dans divers environnements à travers les Amériques (notamment les niveaux de précipitations, l'altitude et la disponibilité en azote et en phosphore). L'analyse de regroupement des variétés locales a permis de répartir les accessions de maïs en quatre groupes, associant clairement différents phénotypes racinaires à différents environnements pédologiques.

« Cela indique que les phénotypes anatomiques qui réduisent le coût métabolique des racines améliorent les performances des plantes quel que soit l’environnement, tandis que les phénotypes architecturaux des racines offrent une adaptation plus spécifique à l’environnement », écrivent Lopez-Valdivia et ses collègues.

LIRE L'ARTICLE: Lopez-Valdivia, I., Rangarajan, H., Vallebueno-Estrada, M. et Lynch, J.(2025) Une large adaptation environnementale est associée à des phénotypes anatomiques racinaires chez les variétés locales de maïs : une in silico étude. Annals of Botany. Disponible à l'adresse: https://doi.org/10.1093/aob/mcaf179.

Image de couverture : Préparation de variétés locales de maïs pour l’analyse des racines. Image courtoisie du professeur Jonathan Lynch de l’Université de… Laboratoire des racines à PennState.