Les plantes interagissent avec les individus qui les entourent, tout comme les êtres humains. Si, par exemple, les personnes qui les entourent sont sensibles aux infections, leur propre risque d’être infecté augmente. Si elles sont résistantes, le risque diminue. Il en va de même pour les plantes : Lorsque différents types génétiques de la même espèce sont plantés ensemble, certaines combinaisons sont plus résistantes aux parasites et aux maladies. Cet effet positif sur la biodiversité est appelé résistance associative.
L’un des défis des sociétés modernes est de concilier la sécurité alimentaire avec la protection de l’environnement et de la biodiversité. Les ravageurs et les maladies menacent les récoltes, raison pour laquelle l’agriculture utilise des produits phytosanitaires chimiques. Or, les pesticides peuvent réduire la diversité des espèces d’insectes. ’C’est là que la résistance associative pourrait être une méthode de culture permettant d’assurer la production alimentaire tout en préservant la biodiversité’, explique Kentaro Shimizu, directeur de l’Institut de biologie évolutive et des sciences environnementales de l’Université de Zurich (UZH).
Mais quelles combinaisons de plantes avec des génotypes différents - les dotations génétiques individuelles - devraient être plantées dans des peuplements mixtes afin de repousser les ravageurs et les maladies ? Si l’on veut par exemple choisir deux génotypes parmi 199 au total, il existe 19’701 combinaisons possibles. A l’aide d’un modèle physique, des chercheurs ont développé une nouvelle méthode permettant de prédire les interactions possibles entre les individus au niveau génétique.
Pendant deux ans, les chercheurs ont mené des essais à grande échelle sur le campus Irchel de l’UZH ainsi qu’au Japon. Les séquences génomiques des 199 génotypes de la plante Arabidopsis thaliana collectés dans le monde entier étaient déjà disponibles. Les chercheurs ont mélangé au hasard plus de 30 individus de chacun des 199 génotypes et ont planté un total de 6’400 individus. Pour compter 52’707 insectes sur 6’400 plantes, le chercheur principal Yasuhiro Sato a passé les mois d’été dans le jardin de recherche de l’Irchel. Son immense ensemble de données, collectées grâce au jardin de recherche de l’université sur le campus d’Irchel, a été la clé de cette étude’, explique le professeur Shimizu de l’UZH.
Jusqu’à présent, il n’existait aucune méthode d’analyse permettant d’étudier les interactions au niveau du génome - l’ensemble de l’information génétique - entre des individus végétaux voisins. L’équipe du Dr Sato a donc développé une nouvelle méthode informatique : une étude d’association à l’échelle du génome appelée ’Neighbor GWAS’. Celle-ci est basée sur un modèle de physique utilisé pour analyser les interactions entre les aimants. L’équipe a ainsi analysé comment l’infestation par les ravageurs est influencée par la combinaison d’individus juxtaposés ayant des génotypes différents. Parallèlement, les chercheurs ont pris en compte les résultats des essais sur le terrain.
L’analyse a montré que de nombreux gènes sont impliqués dans les interactions avec les individus environnants. Grâce à l’apprentissage automatique, les phytologues ont pu utiliser le modèle pour prédire les dommages causés aux herbivores et identifier les combinaisons avantageuses de paires de génotypes possédant une résistance associée.
Pendant deux ans, un autre essai à grande échelle a été mené sur le terrain et environ 2000 individus de plantes ont été plantés par paires avec les génotypes pour lesquels trois niveaux de résistance associative ont été prédits. Les résultats de l’essai en plein champ ont montré que - par rapport à la plantation d’un seul génotype - le mélange de deux génotypes réduisait les dommages causés par les herbivores de 24,8 pour cent et de 22,7 pour cent respectivement pour les niveaux de résistance associative les plus élevés et les deuxièmes plus élevés.
Cette étude est une étape importante dans la recherche sur les interactions entre les individus des plantes. Elle montre l’importance de la biodiversité : premièrement, la diversité génétique des plantes cultivées peut elle-même réduire les attaques de ravageurs. Deuxièmement, la diminution des pesticides dans l’agriculture contribue à préserver la biodiversité, y compris les insectes’, résume Kentaro Shimizu.
Des méta-études, auxquelles Bernhard Schmid a participé, montrent que les rendements du blé et du riz, par exemple, sont de 4 à 16% plus élevés lorsque les génotypes sont mélangés au hasard. Selon Shimizu, la nouvelle méthode pourrait, grâce aux informations génomiques disponibles pour ces espèces, optimiser le choix des mélanges de génotypes en prédisant les résistances associées et ainsi augmenter encore plus les rendements de ces espèces végétales importantes pour l’agriculture, tout en réduisant l’utilisation de pesticides.
Le projet a été soutenu par le Pôle de recherche universitaire ’Changement global et biodiversité’ de l’UZH, le Fonds national suisse (FNS) et la Japan Science and Technology Agency, en collaboration avec l’Université de Ryukoku, l’Université de Hokkaido, l’Université de Keio et l’Université de la ville de Yokohama au Japon.
