Des chercheurs du MIT ont mis au point un moyen de protéger les graines du stress du manque d'eau pendant leur phase cruciale de germination, et même de fournir aux plantes une nutrition supplémentaire.
Crédit :Felice Frankel
Un nouveau processus d'enrobage des graines pourrait faciliter l'agriculture sur les terres arides marginales en permettant aux graines de retenir toute l'eau disponible.
Alors que le monde continue de se réchauffer, de nombreuses régions arides qui ont déjà des conditions marginales pour l'agriculture seront de plus en plus sous pression, ce qui pourrait entraîner de graves pénuries alimentaires. Aujourd'hui, des chercheurs du MIT ont mis au point un procédé prometteur pour protéger les graines du stress du manque d'eau pendant leur phase cruciale de germination, et même fournir aux plantes une nutrition supplémentaire en même temps.
Le processus, qui fait l'objet de tests continus en collaboration avec des chercheurs au Maroc, est simple et peu coûteux, et pourrait être largement déployé dans les régions arides, selon les chercheurs. Les résultats sont rapportés dans la revue Nature Food , dans un article du professeur de génie civil et environnemental du MIT Benedetto Marelli, du doctorant du MIT Augustine Zvinavashe '16 et de huit autres personnes au MIT et à l'Université polytechnique du Roi Mohammed VI au Maroc.
L'enrobage à deux couches développé par l'équipe est le résultat direct d'années de recherche de Marelli et de ses collaborateurs dans le développement d'enrobages de semences pour conférer divers avantages. Une version précédente permettait aux graines de résister à une salinité élevée du sol, mais la nouvelle version vise à lutter contre les pénuries d'eau.
"Nous voulions créer un revêtement spécifique pour lutter contre la sécheresse", explique Marelli. "Parce qu'il existe des preuves claires que le changement climatique va avoir un impact sur le bassin de la région méditerranéenne", dit-il, "nous devons développer de nouvelles technologies qui peuvent aider à atténuer ces changements dans les modèles climatiques qui vont rendre moins d'eau disponible à l'agriculture.”
Le nouveau revêtement, inspiré des revêtements naturels présents sur certaines graines telles que le chia et le basilic, est conçu pour protéger les graines du dessèchement. Il fournit un revêtement semblable à un gel qui retient avec ténacité toute humidité qui se présente et en enveloppe la graine.
Une deuxième couche interne du revêtement contient des micro-organismes préservés appelés rhizobactéries et certains nutriments pour les aider à se développer. Lorsqu'ils sont exposés au sol et à l'eau, les microbes fixeront l'azote dans le sol, fournissant au semis en croissance un engrais nutritif pour l'aider.
"Notre idée était de fournir de multiples fonctions à l'enrobage des semences", explique Marelli, "non seulement en ciblant cette chemise d'eau, mais également en ciblant les rhizobactéries. C'est la vraie valeur ajoutée de notre enrobage de semences, car ce sont des micro-organismes autoréplicatifs qui peuvent fixer l'azote pour les plantes, afin qu'ils puissent diminuer la quantité d'engrais azotés apportés et enrichir le sol. »
Selon les chercheurs, les premiers tests utilisant de la terre provenant de fermes expérimentales marocaines ont montré des résultats encourageants, et maintenant des tests sur le terrain des semences sont en cours.
En fin de compte, si les revêtements prouvent leur valeur par des tests supplémentaires, les revêtements sont suffisamment simples pour pouvoir être appliqués au niveau local, même dans des endroits éloignés du monde en développement. « Cela peut être fait localement », dit Zvinavashe. "C'est l'une des choses auxquelles nous pensions lorsque nous avons conçu cela. Vous pouvez tremper la première couche, puis la deuxième couche, vous pouvez la vaporiser. Ce sont des processus très simples que les agriculteurs pourraient faire eux-mêmes. En général, cependant, Zvinavashe dit qu'il serait plus économique de faire les revêtements de manière centralisée, dans des installations qui peuvent plus facilement conserver et stabiliser les bactéries fixatrices d'azote.
Les matériaux nécessaires pour les revêtements sont facilement disponibles et souvent déjà utilisés dans l'industrie alimentaire, dit Marelli. Les matériaux sont également entièrement biodégradables, et certains des composés eux-mêmes peuvent en fait être dérivés de déchets alimentaires, permettant la possibilité éventuelle de systèmes en boucle fermée qui recyclent en permanence leurs propres déchets.
Bien que le processus ajouterait une petite quantité au coût des semences elles-mêmes, dit Marelli, il peut également générer des économies en réduisant le besoin d'eau et d'engrais. Le solde net des coûts et des avantages reste à déterminer par des recherches supplémentaires.
Bien que les premiers tests utilisant des haricots communs aient montré des résultats prometteurs par une variété de mesures, y compris la masse racinaire, la hauteur de la tige, la teneur en chlorophylle et d'autres mesures, l'équipe n'a pas encore cultivé une récolte complète à partir de graines avec le nouveau revêtement jusqu'à récolte, qui sera le test ultime de sa valeur. En supposant que cela améliore les rendements des récoltes dans des conditions arides, la prochaine étape consistera à étendre la recherche à une variété d'autres semences de cultures importantes, selon les chercheurs.
« Le système est si simple qu'il peut être appliqué à n'importe quelle semence », dit Marelli. "Et nous pouvons concevoir l'enrobage des semences pour répondre à différents modèles climatiques." Il pourrait même être possible d'adapter les revêtements aux précipitations prévues d'une saison de croissance particulière, dit-il.
"C'est un travail très important", déclare Jason C. White, directeur de la Connecticut Agricultural Experiment Station et professeur d'épidémiologie à l'Université de Yale, qui n'a pas été associé à cette étude. « Le maintien de la sécurité alimentaire mondiale dans les décennies à venir sera l'un des défis les plus importants auxquels nous serons confrontés en tant qu'espèce. … Cette approche correspond à la description d'un outil important dans cet effort; durable, réactif et efficace.”
White déclare :« Les technologies d'enrobage des semences ne sont pas nouvelles, mais presque toutes les approches existantes manquent de polyvalence ou de réactivité. Le nouveau travail, dit-il, est "à la fois nouveau et innovant" et "ouvre vraiment une nouvelle voie de travail pour les revêtements de semences réactifs afin de favoriser la tolérance à une gamme de facteurs de stress biotiques et abiotiques".
Référence :"La conception programmable de la fonction d'enrobage des semences induit une tolérance au stress hydrique dans les régions semi-arides" par Augustine T. Zvinavashe, Julie Laurent, Manal Mhada, Hui Sun, Henri Manu Effa Fouda, Doyoon Kim, Salma Mouhib, Lamfeddal Kouisni et Benedetto Marelli, 8 juillet 2021, Nourriture Nature .
DOI :10.1038/s43016-021-00315-8
L'équipe comprenait Julie Laurent, Salma Mouhib, Hui Sun, Henri Manu Effa Fouda, Doyoon Kim, Manal Mhada et Lamfeddal Kouisni, au MIT et à l'Université polytechnique Roi Mohammad VI à Ben-Guerir, au Maroc. Le travail a été en partie soutenu par OCP S.A., le programme de recherche de l'Université Mohammed VI Polytechnique–MIT, l'Office of Naval Research des États-Unis, la National Science Foundation et la chaire de développement de carrière Paul M. Cook du MIT.
