Culture expérimentale d’arabette des dames visant à identifier les lignées les plus coopératives. 

C’est un des enseignements de la révolution verte qui, à partir des années 1950, a nourri la planète notamment en s’appuyant sur des lignées de céréales plus petites et plus robustes, permettant une densité accrue au service d’un meilleur rendement. Cette leçon parfois oubliée stipule que les plantes plus compétitives, capables de mobiliser plus de ressources pour leur photosynthèse personnelle, le font au détriment de leurs voisines, ce qui peut nuire à la productivité globale dans un contexte de monoculture. Une version botanique du concept plus large de « tragédie des communs », une situation où la course aux armements individuels pour accéder à un bien limité – en augmentant la masse des racines ou des feuilles, par exemple – dessert la communauté tout entière.

Depuis quelques années, cette thématique de la coopération entre plantes, explorée à la fin des années 1960, bénéficie d’un regain d’intérêt dans la communauté académique, sans avoir percé chez les semenciers industriels. Des travaux, publiés dans PLOS Biology le 29 novembre, changeront-ils la donne ? Samuel Wuest (université de Zurich et Agroscope, l’équivalent suisse de l’Inrae) et ses collègues proposent une « méthode simple » pour découvrir des gènes favorisant la coopération. « Dans la nature, la compétition est la force principale, rappelle le chercheur. L’évolution a déjà sélectionné les traits avantageux pour l’individu, mais pas ceux qui pourraient conférer des avantages collectifs en monoculture dense. » C’est ce qu’il se propose de réaliser.

L’élevage a pleinement intégré cette notion, car chez les animaux, les individus les plus costauds peuvent blesser ou tuer leurs congénères. Les sélectionneurs ont donc parfois écarté des lignées plus productives dont l’agressivité était exacerbée par la promiscuité. L’alternative étant parfois de couper le bec des poules et poulets portés sur le cannibalisme…

Chez les plantes, les effets contreproductifs de cette compétition sont perceptibles dans certains contextes. Lorsqu’on réutilise des semences dites « de ferme » mêlant plusieurs lignées d’une même céréale, par exemple : certaines plus exubérantes vont littéralement faire de l’ombre à leurs voisines – un phénomène décrit dès 1968 par Peter Jennings, l’un des pères de la révolution verte. Les sélectionneurs prennent en compte cette dimension, en recherchant des maïs moins ombreux, dont les feuilles poussent plus à la verticale.

Mais des traits moins apparents, comme la prolifération des racines, peuvent aussi avoir une influence : une étude publiée en 2019 a ainsi montré que lorsque deux pieds de blé tendre de lignées différentes sont cultivés dans un même pot, le rendement global est inférieur lorsque la terre disponible pour chacun est séparée par un filet perméable plutôt que par une barrière étanche. Une sourde compétition physico-chimique souterraine est à l’œuvre, affaiblissant le potentiel productif…

Identifier des gènes coopératifs

La méthode imaginée par Samuel Wuest et ses collègues vise donc à réduire ces phénomènes en identifiant des gènes coopératifs. Ils l’ont mise au point à l’aide de l’arabette des dames, plante modèle en biologie végétale. Ils ont soumis Arabidopsis thaliana à des expériences de compétition pour classer 98 lignées – ou génotypes – en fonction de leurs performances selon le voisin qui leur était imposé. La masse de feuillage servait de critère de performance. L’expérience comparait cette masse selon qu’un pot contenait deux plantules de la même lignée ou un individu des 98 lignées cohabitant avec un plant appartenant à dix génotypes tests servant de comparateurs.

L’analyse des résultats était inspirée de la théorie des jeux. Selon celle-ci, écrivent les auteurs, « le génotype le plus coopératif performera mieux avec un voisin également coopératif, mais perdra face à un compétiteur égoïste, hautement compétitif ». Tandis que ce dernier aura les résultats les moins bons face à un de ses pareils. Leur protocole permettait de classer les lignées selon deux dimensions : leur vigueur propre en monoculture, et leur position sur un axe coopération/égoïsme en situation de compétition.

La génomique a mis en évidence l’importance d’une région du chromosome 3 pour la coopération. Pour vérifier que cet allèle (version d’un gène) était bien impliqué dans la coopération, les différentes lignées ont ensuite été cultivées à des densités croissantes en monoculture. Ses porteurs ont effectivement présenté une productivité supérieure de 15 % en moyenne, alors que leur biomasse était inférieure de 4 % dans des situations de compétition. Autre dimension mesurée, les racines : les porteuses de l’allèle coopératif poussaient proportionnellement moins dans leur partie souterraine qu’aérienne.

Un cas de sérendipité

Enfin, les chercheurs suisses ont eu une surprise, lorsque le mildiou s’est invité fortuitement dans leur expérience : « les individus les plus compétiteurs étaient plus sensibles à la maladie », raconte Samuel Wuest, tandis que les collaboratifs résistaient. « Un cas de sérendipité », de découverte inattendue. Et, pour en rajouter dans les mots rares, de pléiotropie, c’est-à-dire de capacité pour un même gène à agir sur plusieurs caractéristiques.

Cette dernière observation pose la question de la définition même du caractère collaboratif de la plante, dépendante des conditions d’expérimentation. Pour Samuel Wuest, « le rendement reste une boîte noire, c’est une génétique très complexe, comme la taille chez les humains. On le perçoit de façon phénoménologique, mais il est difficile de savoir si notre interprétation est correcte, ce qui peut être frustrant ».

C’est une réserve partagée par Germain Montazeaud, qui travaille lui aussi sur ces questions de coopération chez les végétaux à l’université de Lausanne, et prépare une collaboration avec Samuel Wuest. « C’est un article stimulant, j’espère qu’il va être lu par les sélectionneurs de semences », dit-il. Il y a deux ans, alors en thèse à Montpellier, il avait cosigné une étude qui proposait une autre méthode de sélection de plantes coopératives, basé sur un modèle théorique assez différent dans son principe. La littérature scientifique sur la coopération chez les insectes sociaux, très riche, va lui servir de source d’inspiration pour la suite. « On est vraiment sur un front de science, mais la méthode proposée par les collègues suisses à l’avantage d’être utilisable “clés en main” par les sélectionneurs. »

Jay Biernaskie du département de génétique des cultures, au John Innes Centre de Norwich, au Royaume-Uni, a proposé il y a quelques mois une autre stratégie de sélection de plantes coopératives. Il estime aussi que, en principe, « la méthode pourrait être mise en œuvre par les semenciers ». Mais évaluer les performances individuelles d’une plante serait « bien plus laborieux » dans des essais en champ de grande échelle, note-t-il : « les sélectionneurs vont plus probablement continuer d’évaluer la productivité de groupes de lignées pures », ce qui est facile avec des moissonneuses, « même si le résultat est moins efficace ».

Pour lui, « l’idée la plus précieuse de cet article est peut-être d’encourager les sélectionneurs à continuer à chercher de nouveaux traits et gènes dans les populations sauvages. Certains peuvent être relativement rares dans la nature, avoir évolué pour une certaine fonction (par exemple de petits systèmes racinaires adaptés à un sol particulier), mais peuvent être cooptés comme un trait “coopératif” dans nos environnements de culture artificiels à haute densité ».

Samuel Wuest n’est pas non plus certain que les industriels soient mûrs pour adopter son approche. Il va la tester à Agroscope sur des espèces cultivées, d’abord sur la quatrième céréale au niveau mondial, le soja : « Il n’a pas progressé en densité au même degré que le riz, le blé ou le maïs », souligne-t-il. Sa révolution verte reste en partie à écrire.

Hervé Morin