La science au service de la lutte contre la faim dans le monde : Recherche sur les neutrons dans les plantes

Il y a 200 ans, le problème de la population mondiale dépassant notre capacité à nous nourrir a été identifié. En 1798, Thomas Malthus a affirmé que les réserves alimentaires mondiales ne suffiraient bientôt plus à nourrir l’ensemble de l’humanité. La théorie malthusienne ne s’est pas encore vérifiée, puisque la science et la technologie ont permis une forte croissance de la production alimentaire. Pourtant, il n’avait pas tout à fait tort.

Les Nations unies prévoient que la population mondiale atteindra – au minimum – neuf milliards de personnes d’ici à 2050. De nouvelles préoccupations, comme le changement climatique, affectent également l’approvisionnement alimentaire. Ce n’est pas non plus une inquiétude pour l’avenir, car aujourd’hui, l’Organisation des Nations unies pour l’alimentation et l’agriculture (FAO) estime que 795 millions de personnes sont sous-alimentées.

C’est dans le contexte de ce problème majeur que deux chercheurs originaires du grenier à blé du Canada se sont retrouvés à côté du réacteur NRU des laboratoires de Chalk River avec quelques plants de pois dans des canettes de bière. Dr. Emil Hallin, de l’Institut mondial de la sécurité alimentaire (GIFS) de l’Université de Saskatchewan, et Dr. Paul Arnison, consultant en biotechnologie, se sont adressés aux Laboratoires nucléaires canadiens (LNC) dans le but de démontrer l’efficacité de l’imagerie des plantes à l’aide de faisceaux de neutrons. Le moment, l’endroit et les personnes sont mûrs – dès maintenant – pour établir l’imagerie neutronique comme une technique peu invasive qui peut fournir des informations sans précédent sur la croissance des plantes, en particulier en ce qui concerne deux domaines clés : l’architecture des racines et le mouvement de l’eau.

« La science de l’imagerie neutronique des plantes peut être considérée comme un outil essentiel pour l’amélioration des cultures », déclare le Dr. Hallin. « Dans le passé, il était difficile d’établir le phénotype de l’architecture des racines dans un sol non perturbé, de sorte qu’il était difficile d’améliorer les performances des cultures dans cette moitié de la plante. La visualisation des racines poussant dans le sol naturel et des cycles de l’eau et des nutriments qu’elles engendrent est essentielle pour créer des plantes et tirer parti des pratiques agricoles qui permettent aux plantes d’utiliser efficacement l’eau et les nutriments présents dans le sol ». En fait, la conception d’une plante dotée d’un phénotype qui la rend plus résistante à la sécheresse, plus apte à acquérir des nutriments et plus saine sur le plan nutritionnel aidera l’humanité à faire face aux exigences d’une population croissante.

L’imagerie neutronique permet aux scientifiques de jeter un coup d’œil dans le monde souterrain, qui reste encore très mystérieux pour les sélectionneurs de plantes et les biotechnologistes.

« Pour produire plus de nourriture, nous devons tout simplement en savoir plus sur les plantes », a déclaré le Dr. Arnison a déclaré : « Et ce que nous connaissons le moins, c’est ce qui est sous terre. »

Contrairement aux photons (lumière), les neutrons pénètrent facilement à travers la matrice du sol, mais sont dispersés par des éléments plus légers tels que l’hydrogène. Dans les plantes, la molécule d’hydrogène la plus abondante est l’eau. Ainsi, une image neutronique montre les régions de concentration d’eau et permet de visualiser les racines, qui contiennent généralement plus d’eau que la matrice du sol.

Une autre caractéristique excellente est que les neutrons n’endommagent pas les plantes. L’imagerie neutronique est donc une technique révolutionnaire et peu invasive qui vise à visualiser rapidement l’architecture des racines des plantes in situ (dans le sol).

Dr. Emil et Dr. Arnison considèrent l’imagerie neutronique comme un outil parfaitement complémentaire de l’imagerie photonique réalisée au Centre canadien de rayonnement synchrotron à Saskatoon et à la ligne de faisceaux de bêtatrons à rayons X de haute énergie au Centre de rayonnement laser avancé près de Montréal. Les neutrons permettent de visualiser facilement l’écoulement de l’eau et les vaisseaux d’une plante au niveau cellulaire. Ensemble, les rayons X et les neutrons peuvent donner accès à un profil plus complet des systèmes autrement cachés d’une plante.

Une école de pensée sur la façon de faire face à une demande croissante de nourriture et à la diminution des ressources pour produire cette nourriture est que l’agriculture doit se mettre au défi de faire plus avec moins. L’étude de l’architecture des racines, le réseau souterrain complexe qui permet à une plante d’absorber les nutriments et l’eau, aidera la prochaine génération de sélectionneurs à mettre au point des plantes dont le phénotype permettra de mieux utiliser une quantité limitée d’engrais et d’eau.

Actuellement, le problème est qu’une grande partie des engrais appliqués est gaspillée sous forme de ruissellement dans les eaux souterraines. Ainsi, l’étude des plantes qui sont plus efficaces dans l’acquisition des nutriments pourrait conduire au développement de cultures qui nécessitent moins d’engrais et auxquelles l’engrais pourrait être fourni de manière plus ciblée. De même, l’étude de la dynamique de l’eau permet de développer des plantes afin d’optimiser leur efficacité hydrique.

L’imagerie neutronique des plantes comporte une mise en garde. Pour que l’imagerie donne des images claires et utiles, la source de neutrons doit être suffisamment puissante pour permettre une imagerie rapide et toutes les lignes de faisceaux de neutrons ne disposent pas d’une puissance suffisante. Le Centre canadien de faisceaux de neutrons (CCFN) situé au NRU dispose de six lignes de faisceaux puissantes et peut fournir des images suffisamment rapidement pour être utiles. En revanche, dans d’autres endroits dotés d’une source de neutrons, les images peuvent être traitées trop lentement et la plante, puisqu’elle est vivante, changera au cours de l’acquisition de l’image, ce qui rendra l’imagerie inutilisable. Le CNL dispose également d’installations uniques en leur genre qui permettent d’effectuer des recherches sur le deutérium, qui, associé à l’imagerie neutronique, permet de montrer la dynamique de l’eau dans une plante. Le deutérium, lorsqu’il est introduit, déplace l’eau ordinaire et celle-ci apparaît plus claire, ce qui permet aux chercheurs d’obtenir des images retraçant la manière dont l’eau se déplace dans une plante.

« Explosion », c’est le mot que le Dr. Arnison a utilisé pour décrire l’utilisation de l’imagerie végétale au cours des dernières années. La génomique a atteint un niveau de sophistication tel que l’imagerie peut s’avérer vitale. Selon Paul, les multinationales de la biotechnologie investissent déjà massivement dans diverses technologies d’imagerie et la science progresse rapidement. Selon lui, ce n’est qu’une question de temps avant que les industries au-delà de la biotechnologie, comme la sylviculture, ne se tournent vers l’imagerie végétale pour trouver des réponses.

Alors que l’Australie et l’Europe sont à la pointe de l’imagerie végétale, l’imagerie neutronique n’a été réalisée sur des plantes qu’au Canada et aux États-Unis. En tant que cinquième exportateur agricole mondial, il semble que le Canada ait la possibilité de se tailler une place dans le domaine en plein essor de l’imagerie végétale, avec des recherches comme celles d’Emil et de Paul qui ouvrent la voie à l’imagerie neutronique, en particulier.

Tout comme l’imagerie neutronique complète les autres techniques d’imagerie des plantes, la formation d’Emil en physique nucléaire complète la formation de Paul en biochimie des plantes dans ce domaine de recherche. Les deux hommes possèdent une riche expérience dans les domaines de la science nucléaire et de la biotechnologie.

Dr. Hallin a visité l’URN pour la première fois il y a un an, après avoir obtenu une subvention dans le cadre de la création du Centre de recherche sur le phénotypage et l’imagerie des plantes (P2IRC), qui est géré par le GIFS à l’Université de la Saskatchewan. Le P2IRC fait partie du programme de recherche « Designing Crops for Global Food Security » géré par le GIFS.

La subvention provient du Fonds d’excellence en recherche du Canada (CFREF), qui n’a accordé que cinq subventions en 2015, année inaugurale du concours de subventions. Les 37,2 millions de dollars sur sept ans visent à soutenir la recherche qui, selon les termes du GIFS, « transformera la sélection des cultures et apportera des solutions innovantes à la sécurité alimentaire nationale et mondiale ».

Le maintien et le développement des capacités de recherche du Canada présentent de nombreux avantages, mais le développement des capacités nationales d’imagerie végétale est un domaine dans lequel le Canada pourrait particulièrement exceller, grâce aux ressources existantes, et améliorer les connaissances de la communauté scientifique dans un domaine qui profiterait à certaines de nos plus grandes industries, telles que l’agriculture et la sylviculture. En outre, comme les restrictions à l’importation et à l’exportation de plantes empêchent de transférer facilement la végétation d’un pays à l’autre, les recherches sur l’imagerie végétale menées dans des laboratoires européens ou américains ne permettraient pas d’accroître les connaissances spécifiques au Canada dans ce domaine.

À l’avenir, l’imagerie des racines pourrait jouer un rôle important dans l’étude des maladies des racines et de la prédation. De nombreuses graines plantées ne germent pas et ne survivent pas. Elles peuvent être attaquées par un champignon ou mangées par une larve d’insecte. L’imagerie neutronique permet d’observer les maladies et les prédateurs dans le sol sans perturber les conditions de croissance.

De nombreuses cultures, en particulier celles qui peuvent fixer l’azote atmosphérique, entretiennent des relations symbiotiques complexes avec les racines des plantes. La capacité de certains microbes à coloniser les racines et à contribuer à l’absorption des nutriments et à la fixation de l’azote pourrait être contrôlée à distance par imagerie neutronique.

Il est clair qu’il reste de nombreux mystères que l’imagerie végétale a la capacité de percer. Grâce à la rapidité des chercheurs internationaux, l’imagerie végétale est un outil de plus en plus important pour atteindre le noble objectif d’une plus grande sécurité alimentaire mondiale.

Et le mystère de la canette de bière vide? L’aluminium est transparent aux neutrons ; les canettes de bière réutilisées constituaient une solution simple.

Cet article de recherche a été republié avec l’autorisation de l’Institut canadien de diffusion des neutrons.