Le riz joue un rôle crucial en tant qu'aliment de base, nourrissant plus de la moitié de la population mondiale. La demande mondiale s’accélère, tirée par la croissance démographique, l’évolution des préférences alimentaires et la hausse des revenus dans le monde entier. Cela survient alors que les rendements sont de plus en plus menacés par les effets négatifs des le changement climatique. Il est donc urgent d’augmenter considérablement les rendements du riz.

Fait encourageant, une étude récente a découvert un processus d'amélioration du rendement qui pourrait augmenter le rendement du riz de plus de 50 %.

Tian-Gen Chang, chercheur scientifique au sein du groupe de biologie des systèmes végétaux (dirigé par le professeur Xinguang Zhu) au Centre d'excellence en science moléculaire des plantes, Académie chinoise des sciences et collègues développé le modèle d'interaction carbone-azote de la plante entière (WACNI) pour simuler la croissance des plants de riz, de la floraison à la récolte, offrant de nouvelles perspectives sur le remplissage des grains – une phase clé dans le développement du riz.

Les généticiens et sélectionneurs du riz ont déjà tenté d’améliorer le rendement du riz en augmentant le nombre d’épis et d’épillets. Cependant, l’augmentation potentielle de la production résultant de ces variations n’est pas toujours pleinement réalisée car de nombreuses céréales restent souvent vides. Les auteurs ont donc orienté leurs efforts vers l’optimisation du remplissage des grains, ce qui promettait de changer la donne en matière d’amélioration du rendement.

Le modèle WACNI différait des modèles rizicoles précédents car il simulait la croissance et la sénescence des plantes en utilisant une approche ascendante plutôt que des règles de croissance prédéfinies. « Nous avons développé un modèle cinétique pour le métabolisme de base du carbone et de l’azote se produisant dans une plante. Par conséquent, les bilans carbone et azote, ainsi que les dynamiques physiologiques majeures lors du remplissage des grains, découlent naturellement de cette approche de modélisation bottom-up. Fait intéressant, le 'in silico Le riz créé par notre modèle a prédit avec succès la formation du rendement en grains sous diverses perturbations environnementales, agronomiques et génétiques », a expliqué Chang.

Considérez WACNI comme une usine de riz virtuelle. Dans ce monde numérique, les scientifiques ont pu modifier 28 facteurs clés, comme la vitesse à laquelle les racines absorbent l'azote, la vitesse à laquelle les sucres sont exportés des feuilles et la vitesse à laquelle les grains utilisent les sucres et poussent, pour voir comment ils affectent la croissance des plantes et le rendement final des grains. de l'usine virtuelle. Ensuite, ils ont lancé un « algorithme génétique » pour trouver les combinaisons supérieures de ces facteurs pour un remplissage maximal des grains.

Un algorithme génétique est une méthode informatique inspirée des principes de la sélection naturelle et de la génétique. En appliquant de manière itérative les étapes de sélection, de reproduction et d’évaluation, l’algorithme génétique explore l’espace des paramètres, affinant progressivement les valeurs des paramètres pour trouver les combinaisons qui ont abouti au rendement en grains le plus élevé. Ces valeurs de paramètres servent de caractéristiques déterminantes aux « idéotypes d’élite » pour le riz à très haut rendement.

Traits physiologiques clés de ces élites in silico Les idéotypes ont été calculés, révélant une augmentation potentielle du rendement de 54 % par rapport aux variétés standards. Cette amélioration a été obtenue en optimisant l'allocation des ressources entre les organes végétaux et l'activité enzymatique dans divers processus métaboliques, bien qu'avec une réduction de 37 % de la teneur finale en azote du grain.

Notamment, les idéotypes de l’élite, qu’ils possédaient une capacité photosynthétique supérieure ou inférieure ou qu’ils aient une saison de remplissage des grains plus ou moins longue, partageaient certaines caractéristiques communes. Parmi ceux-ci, le plus remarquable est un taux de remplissage des grains stable de la floraison à la récolte. Une analyse plus approfondie a montré que le « remplissage stable des grains » peut servir de marqueur d’une relation source-puits équilibrée pendant la saison de remplissage des grains, ce qui est crucial pour un rendement élevé.

Mais fais ça in silico les prédictions correspondent-elles aux résultats du monde réel ? Pour confirmer que les caractéristiques simulées se traduisent par des gains de rendement réels, les chercheurs ont cultivé deux des cultivars de riz à très haut rendement les plus récents dans l'une des régions les plus idéales pour la culture du riz, atteignant finalement un rendement record (21 tonnes par hectare). de riz brut à 14% d'humidité). Ils ont suivi les caractéristiques de ces cultivars pendant la phase de remplissage des grains. En comparant les traits physiologiques mesurés sur le terrain avec les prédictions du modèle au cours de cette phase, ils ont observé un alignement significatif. Les deux in silico et le riz à très haut rendement présentait une absorption accrue d'azote par les racines après la floraison, une diminution de la teneur en glucides non structurels de la tige au moment de la récolte, une réduction progressive de la surface des feuilles après la floraison, une teneur en azote des grains constamment faible et, plus particulièrement, un grain remarquablement stable. taux de remplissage de la floraison à la récolte.

Est-il possible d’améliorer le rendement de cultivars de riz typiques en modifiant les facteurs clés identifiés par le modèle qui régulent le remplissage des grains ? Lorsque l’équipe a appliqué son modèle optimisé de remplissage des grains à un cultivar de riz typique selon des pratiques de culture standard, elle a découvert qu’il pouvait améliorer le rendement en grains d’environ 30 à 40 %. Cette augmentation significative a été obtenue uniquement grâce à l’optimisation des activités enzymatiques, sans qu’il soit nécessaire de modifier la taille des organes végétaux au stade de la floraison. Grâce aux progrès de la génétique et des technologies d’édition du génome, de telles améliorations pourraient potentiellement être obtenues grâce au génie génétique ciblé dans un avenir proche.

Un paramètre sur lequel on se concentre généralement pour augmenter le rendement est l’augmentation de la photosynthèse. Les auteurs soutiennent que si cela est réalisé, la coordination de la relation source-puits doit également être améliorée pour garantir que l’augmentation des glucides puisse être utilisée.

Chang conclut : « Notre cadre informatique innovant pour le remplissage des grains de riz met en évidence le rôle central de la coordination de la relation source-puits pendant le remplissage des grains. Cela devrait être un objectif clé de la sélection végétale, parallèlement à l’augmentation de la photosynthèse des feuilles. Les marqueurs moléculaires et physiologiques identifiés dans cette étude pourraient guider le développement de futures variétés de riz à haut rendement.

LIRE L'ARTICLE:

Tian-Gen Chang, Zhong-Wei Wei, Zai Shi, Yi Xiao, Honglong Zhao, Shuo-Qi Chang, Mingnan Qu, Qingfeng Song, Faming Chen, Fenfen Miao, Xin-Guang Zhu, Relier la photosynthèse et la formation du rendement des cultures avec un modèle mécaniste d'interaction carbone-azote de la plante entière, in silico Plants, Volume 5, Numéro 2, 2023, diad011, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diad011

Le code source utilisé pour cette étude, ainsi que les commandes opérationnelles et le guide de l'utilisateur, sont disponibles gratuitement pour une utilisation non commerciale sur https://github.com/rootchang/WACNI-rice.git.