Les agriculteurs dépendent des rendements agricoles pour obtenir des bénéfices économiques, mais la contamination du sol ou de l’eau par des métaux lourds comme l’arsenic menace la production agricole et la santé humaine. Cependant, certaines plantes présentent une tolérance à la contamination par les métaux lourds, offrant ainsi des interventions potentielles pour améliorer l’agriculture.
Klaus Schläppi et son équipe ont découvert que les métabolites benzoxazinoïdes produits par les plants de maïs protègent les cultures de la toxicité de l’arsenic.
Véronique Caggia
« Il y a eu cette observation selon laquelle le maïs accumule moins d’arsenic que d’autres espèces végétales », a déclaré Klaus Schläppi, biologiste végétal à l’Université de Bâle. « La question était de savoir pourquoi. »
Il y a quatre ans, alors que Schläppi étudiait à l’Université de Berne, lui et son équipe se sont tournés vers un groupe de métabolites produits par le maïs, appelés benzoxazinoïdes, qui agissent comme insecticides et lier fer à usage végétal et aluminium pour réduire sa toxicité pour les plantes.1-3 Dans un article récent, Schläppi et son groupe ont démontré que les benzoxazinoïdes lient également l’arsenic, améliorant ainsi la croissance des plantes dans un sol contaminé. L’équipe a publié les résultats dans Actes de l’Académie nationale des sciences.4 Les résultats offrent des solutions potentielles aux agriculteurs des régions contaminées par l’arsenic.
« Nous savions déjà que (les benzoxazinoïdes) affectent l’absorption de divers ions métalliques, et donc la découverte que cela inclut également l’arsenic est intéressante », a déclaré Georg Janderun écologiste chimique du Boyce Thompson Institute qui n’était pas affilié à l’étude.
Pour évaluer si les benzoxazinoïdes protégeaient le maïs de la contamination par l’arsenic, l’équipe a cultivé des plantes de type sauvage et des plantes mutées qui ne pouvaient pas produire de benzoxazinoïdes dans des pots avec ou sans sol contenant de l’arsenic. En présence d’arsenic, les plantes de type sauvage sont restées plus courtes que celles cultivées dans un sol sans arsenic ; une carence en benzoxazinoïde a encore réduit la croissance des plantes dans un sol contaminé. Les plantes déficientes en benzoxazinoïdes avaient également une biomasse totale inférieure en présence d’arsenic par rapport aux plantes normales. Cependant, la supplémentation en métabolites par de l’eau enrichie a amélioré la croissance des plantes déficientes en benzoxazinoïdes.
Dans le cadre d’expériences en serre, l’équipe a cultivé du maïs dans des pots et a échantillonné l’eau avec des seringues.
Veronica Cagg
Ensuite, l’équipe a quantifié l’arsenic dans les racines et les feuilles des plantes et a découvert que, même si les feuilles des deux types de plantes présentaient des niveaux d’arsenic relativement faibles, les racines déficientes en benzoxazinoïde présentaient une plus grande accumulation d’arsenic que les plantes de type sauvage. L’arsenic existe sous différents composés en fonction de son état d’oxydation. Lorsque les chercheurs ont étudié la présence d’espèces d’arsenic communes, ils ont observé que les benzoxazinoïdes modifiaient les espèces d’arsenic présentes dans le sol.
« La façon dont les benzoxazinoïdes modifient les espèces d’arsenic sera une question ultérieure à résoudre », a déclaré Schläppi. Jander considère également le sort de l’arsenic comme la question de suivi la plus importante. « Sommes-nous toujours confrontés à une réserve d’arsenic qui pourrait affecter d’autres choses ? Il a demandé.
Dans une extension du monde réel, l’équipe de Schläppi a identifié deux champs dans une région agricole de Suisse, l’un avec des niveaux d’arsenic plus élevés que l’autre, pour y cultiver leurs cultures. Semblable à leurs expériences en pot, l’arsenic a réduit la hauteur et la masse des plantes dans les deux génotypes, mais l’effet était plus prononcé chez les plantes déficientes en benzoxazinoïde.
Enfin, les chercheurs ont étudié les effets générationnels des métabolites du sol sur la croissance des plantes. Alors que l’arsenic ralentissait la croissance des plantes, les plantes cultivées dans des champs qui abritaient auparavant des cultures de type sauvage sont devenues plus hautes et plus grosses que celles cultivées dans des champs qui cultivaient des plantes déficientes en benzoxazinoïdes.
« Cela va être différent selon les types de sol avec différents types d’ions métalliques présents ou différents types de matière organique qui pourraient lier l’arsenic », a souligné Jander. Cependant, il a estimé que dans l’ensemble, les résultats étaient intéressants et ajoutaient une nouvelle fonction des métabolites au domaine. « Ils n’ont pas toutes les réponses, mais ils montrent assez clairement que les benzoxazinoïdes affectent l’absorption de l’arsenic », a déclaré Jander.
Les références
- Maag D, et al. Induction hautement localisée et persistante de facteurs de résistance herbivore dépendants de Bx1 dans le maïs. Plante J. 2016;88(6):976-991
- Zhou S, et al. Au-delà de la défense : fonctions multiples des benzoxazinoïdes dans le métabolisme du maïs. Physiol des cellules végétales. 2018;59(8):1528-1537
- Poschenreider C, et al. Un rôle des hydroxamates cycliques dans la résistance à l’aluminium du maïs ? J Inorg Biochem. 2005;99(9):1830-1836
- Caggìa V, et al. Les métabolites spécialisés exsudés par les racines réduisent la toxicité de l’arsenic dans le maïs. Proc Nat Acad Sci. 2024;121(13):e2314261121
