Comment les humains ont sélectionné par inadvertance le riz « envahissant »

Des chercheurs de l’Université du Massachusetts à Amherst ont découvert que l’adaptation anatomique qui aide les variétés de riz nuisibles à proliférer ne se limite pas, comme on le croyait auparavant, uniquement à ces variétés nuisibles. La recherche, publiée récemment dans la revue Journal de botanique expérimentalemontre que malgré 10 000 ans de culture humaine, un tissu cellulaire qui permet aux plants de riz de laisser tomber facilement leurs graines reste une caractéristique de presque toutes les variétés cultivées de cette céréale, bien qu’à un degré moindre et avec beaucoup plus de variations.

La prolifération continue du riz adventice, un type de riz qui est un ravageur dans les champs cultivés, suggère que la façon dont nous cultivons le riz sélectionne également par inadvertance un comportement adventice ; cela est particulièrement démontré par le fait que le riz cultivé se dédomestique continuellement en variétés adventices.

« Depuis quelques décennies, nous, les biologistes, nous racontons une histoire sur la manière dont le riz a été domestiqué », explique Ana Caicedo, professeur de biologie à l’UMass Amherst et auteure principale de l’étude. « Mais lorsque nous avons commencé à examiner de très près un large éventail de variétés de riz différentes, il s’est avéré que cette vieille histoire était bien trop simpliste et obscurcissait ce qui se passait réellement. »

L’histoire commence bien avant l’arrivée des humains, lorsque l’ancêtre sauvage du riz cultivé a développé la capacité de « briser », c’est-à-dire de laisser tomber et de disperser facilement ses graines plutôt que de les conserver.

« L’éclatement », ou la chute facile des graines, est une stratégie de reproduction élégante sur le plan de l’évolution, permettant à une plante de se propager largement et rapidement, et est possible grâce à la formation de la « zone d’abscission » : un type spécial de tissu situé à la base de chaque grain de riz – la partie que nous mangeons – qui relie le grain à la plante.

Entrez les humains.

Si l’égrenage est bénéfique pour les plantes sauvages, il constitue un inconvénient pour la récolte des céréales, car la plupart des graines seraient perdues avant d’être récoltées par un humain affamé. Au fil des millénaires, les humains ont sélectionné différentes variétés de riz cultivées, chacune ayant sa propre histoire de domestication, qui s’accrochent plus étroitement à leurs grains que leurs ancêtres sauvages. On a longtemps pensé que la zone d’abscission, et donc l’égrenage, avaient été éliminées du riz cultivé.

Cependant, le riz cultivé a également évolué vers des variétés de riz sauvage qui s’égrenent et qui connaissent un tel succès qu’elles constituent l’un des principaux facteurs limitant la production de riz cultivé dans le monde. En fait, le riz sauvage est en réalité constitué de nombreux groupes différents qui se sont dédomestiqués ou ont évolué indépendamment de diverses variétés cultivées.

« La zone d’abscission est depuis longtemps reconnue comme un facteur critique influençant l’éclatement du riz, mais elle n’a pas été examinée en profondeur », explique Xiang Li, co-auteur principal de l’article qui a réalisé cette recherche dans le cadre de ses études supérieures à l’UMass Amherst.

« Nous devions étudier davantage de variétés de riz pour découvrir le modèle de ce tissu spécialisé dans différentes variétés de riz. Cette étude anatomique améliorera notre compréhension de l’évolution du riz et jettera les bases d’un examen plus approfondi de la génétique sous-jacente. »

Li, Caicedo et leur équipe, dont le co-auteur principal Daniel Lowey, qui était étudiant de premier cycle à l’UMass Amherst lorsqu’il a contribué à diriger cette recherche, ont collecté des images microscopiques de 86 échantillons provenant des cinq principaux groupes de riz cultivés ainsi que de riz adventice dédomestiqué provenant de plusieurs endroits, notamment la péninsule ibérique, l’Asie du Sud, l’Asie du Nord-Est et les États-Unis.

Ils ont découvert que si un groupe de riz cultivé, le riz japonica tempéré, a presque complètement perdu sa zone d’abscission, la plupart des autres groupes cultivés ont conservé la leur à un degré ou à un autre. Mais il existe des différences entre ces zones d’abscission.

« Nous avons pu observer des différences claires entre les zones d’abscission du riz que nous avons examiné, mais nous ne pouvions pas nous fier uniquement à la perception », explique Lowey. « Pour chiffrer nos observations, nous avons développé un ensemble de trois mesures innovantes permettant de quantifier numériquement les aspects des zones d’abscission qui nous intéressaient le plus. »

L’équipe a également découvert que la longueur relative de la zone d’abscission, et non la simple présence ou absence de tissu, était la variable qui permettait de prédire au mieux les variétés qui s’égrenaient facilement et celles qui étaient plus résistantes. Alors que les groupes cultivés présentaient des zones d’abscission dont la longueur variait considérablement, ce qui entraînait des différences dans le degré de perte d’égrenage, chacune des variétés de mauvaises herbes, quel que soit l’endroit d’où elles provenaient, convergeait vers une zone plus longue.

« Ce que cela nous apprend », explique Caicedo, « c’est qu’à chaque fois que le riz sauvage évolue, il « choisit » une longue zone d’abscission comme meilleure adaptation reproductive évolutive. » Inversement, à chaque fois que des variétés de riz ont été domestiquées, leurs zones d’abscission ont été modifiées différemment pour entraîner différents degrés de perte d’égrenage.

Le fait que tant de groupes de riz différents, ayant évolué indépendamment, aient convergé vers la même adaptation (une longue zone d’abscission et une facilité d’égrenage) malgré 10 000 ans d’efforts humains pour maintenir le riz sous une forme domestiquée et non égrenante signifie que la façon dont les humains gèrent les rizières cultivées sélectionne par inadvertance ces deux caractéristiques. Cela suggère également que la seule façon d’obtenir un égrenage élevé est d’avoir une longue zone d’abscission.

Cela signifie également que notre compréhension de la longue histoire des humains et du riz doit être actualisée. En particulier, les scientifiques pensaient auparavant que le riz cultivé avait perdu sa zone d’abscission et que le degré de rugosité à la base d’un grain de riz pouvait indiquer si une zone d’abscission avait été présente, et donc si ce grain de riz s’était brisé ou non.

Cependant, Caicedo affirme que « l’on ne peut pas simplement regarder la surface d’un grain de riz, qu’il s’agisse d’un grain actuel ou d’un échantillon archéologique datant de plusieurs milliers d’années, et dire s’il a été cultivé ou non ou s’il s’est brisé, car presque tous présentent un certain degré de formation d’une zone d’abscission ».

Li ajoute : « Un aspect passionnant de notre recherche est qu’elle pose les bases de l’examen de la génétique sous-jacente. Nous savons maintenant que nous devons déterminer les gènes qui contrôlent la longueur des zones d’abscission dans différents groupes de riz. Nous serons alors en mesure de comprendre quand et comment tous ces changements dans la zone d’abscission sont apparus, et comment ils ont façonné l’histoire de la domestication et de la dédomestication du riz. »