Identifier un transporteur de silicium pour améliorer le rendement du riz

Le silicium (Si) est abondant dans les environnements terrestres et représente 0,1 à 10 % du poids sec d’une plante. Certaines espèces végétales présentent des niveaux élevés d’accumulation de Si, et la recherche a identifié une accumulation élevée de Si comme mécanisme de protection contre les facteurs de stress abiotiques (sécheresse, froid, chaleur) et biotiques (organismes vivants).

Oryza sativa (riz) peut stocker du Si à hauteur de 10 % du poids sec des pousses (tige, feuilles, fleurs), et le Si est vital pour une production céréalière stable. On pense que le degré élevé de dépôt de Si atténue les dommages causés par les ravageurs, les agents pathogènes et les déséquilibres nutritionnels. Dans le riz, l’absorption du Si est régie par deux types différents de transporteurs racinaires, mais la machinerie spécifique impliquée dans le dépôt de Si spécifique aux cellules dans les feuilles de riz reste un mystère.

Des chercheurs de l’Université d’Okayama, au Japon, ont découvert que le Silicon Efflux Transporter 4 (SIET4) facilite la localisation du Si dans les feuilles de riz. Leurs analyses fonctionnelles détaillant les effets des mutants par délétion SIET4 ont été publiées dans Communications naturelles.

Le Dr Jian Feng Ma, professeur à l’Institut des sciences et des ressources végétales de l’Université d’Okayama, a dirigé le projet. Le rapport a été co-écrit par le Dr Namiki Mitani-Ueno, le Dr Naoki Yamaji, le Dr Sheng Huang et le Dr Takaaki Miyaji, également de l’Université d’Okayama. “Mon groupe de recherche étudie depuis un certain temps déjà les mécanismes moléculaires qui sous-tendent la capacité du riz à accumuler une teneur élevée en Si”, explique le Dr Ma. “Cependant, même si nous avions identifié les transporteurs qui permettent l’absorption du Si par les racines et la translocation racine-pousse, nous n’avions pas encore déterminé comment le Si était déposé dans les feuilles.”

L’équipe a utilisé toute une série d’expériences pour comprendre le rôle de SIET4 dans l’accumulation de Si dans les feuilles. Celles-ci comprenaient la génération de mutants knock-out (où un gène cible est détruit) et la caractérisation fonctionnelle de SIET4 pour comparer les profils de transcription du riz de type sauvage (WT) et des mutants SIET4. L’équipe a également profilé l’activité de transport et la localisation cellulaire de SIET4.

“Nous avons confirmé que SIET4 codait pour un transporteur de Si et était exprimé de manière constitutive dans les feuilles de riz WT. De plus, le transporteur était confiné au côté distal des cellules épidermiques et bulliformes (aide à l’enroulement des feuilles pour éviter la perte d’eau) du limbe de la feuille”, dit le Dr Ma. Contrairement au riz WT, les plantes dépourvues de SIET4 présentaient une croissance inhibée et finissaient par mourir lorsqu’elles étaient cultivées en présence de Si dans une solution nutritive et dans le sol.

D’autres caractéristiques des mutants SIET4 étaient une diminution des racines et des pousses, un dépôt anormal de Si dans les cellules du mésophylle des feuilles et l’induction de nombreux gènes de réponse au stress. Cette découverte indique que l’accumulation inappropriée de Si dans des tissus non désignés était comparable à la réaction de la plante à un facteur de stress environnemental. Prises ensemble, les données de l’équipe ont montré que SIET4 était essentiel à la bonne exportation du Si des cellules foliaires vers la surface des feuilles et à la croissance saine de la plante.

Cela représente un changement de paradigme car on a longtemps cru que le Si était le seul élément trouvé en si grande abondance dans le sol qui n’endommageait pas une plante. Dans le cas du riz, ces résultats montrent que des processus complexes tels que l’accumulation de Si pour la feuille assurent la survie. Le rapport représente 10 années de recherche qui portent leurs fruits, mais le Dr Ma reste ferme dans sa détermination.

Il conclut : « Ce travail a le potentiel d’élargir notre compréhension de la façon dont les plantes accumulent une teneur élevée en Si. Nous espérons trouver des gènes comme SIET4 dans d’autres espèces végétales afin que nous puissions améliorer la productivité de nombreuses cultures plus importantes.