Une variante génétique du maïs qui augmente la teneur en protéines

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Des cultures telles que le maïs ont besoin d’azote pour créer des protéines, et le rendement de nombreuses cultures modernes dépend des engrais azotés. Une variante de gène jusque-là inconnue trouvée dans une variété de maïs non domestiquée permet aux plantes d’utiliser l’azote plus efficacement et de produire plus de protéines que leurs homologues modernes.


Image : Maïs sauvage (à gauche) et maïs moderne (à droite). © CEMPS.


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Le téosinte, l’ancêtre sauvage du maïs, a trois fois la teneur en protéines des graines de la plupart des souches de maïs modernes. Des chercheurs du siège de l’Académie chinoise des sciences ont découvert les mécanismes responsables de la baisse de la teneur en protéines des graines dans les hybrides de maïs et les lignées consanguines. Leurs découvertes ouvrent de nouvelles voies pour maximiser la teneur et la qualité des protéines des graines pour la future sélection du maïs, avec des implications sur l’efficacité de l’utilisation de l’azote et la sécurité alimentaire. Les découvertes du chercheur ont été publiées le 17 novembre dans Nature.

“Il existe une pression économique et environnementale pour maintenir un maïs à haut rendement tout en réduisant le niveau d’azote appliqué au sol”, a déclaré l’auteur de l’étude WU Yongrui du CAS Center for Excellence in Molecular Plant Sciences de l’Académie chinoise des sciences. “Par conséquent, il est crucial d’identifier les facteurs génétiques qui augmentent l’efficacité de l’utilisation de l’azote”.

Au cours des millénaires, les phytogénéticiens ont modifié génétiquement des espèces végétales pour créer des graines contenant de plus grandes proportions de métabolites afin d’améliorer la valeur nutritionnelle et l’utilité. Comme le maïs est devenu une source majeure d’alimentation pour le bétail, les sélectionneurs de plantes ont donné la priorité à la teneur en amidon et au rendement, tandis que la teneur en protéines et la saveur sont devenues des préoccupations secondaires. L’utilisation d’engrais azotés a encore réduit l’importance de la teneur en azote des graines. Par conséquent, les hybrides de maïs modernes ne contiennent que 5 à 10 % de protéines ; en revanche, la téosinte a une teneur en protéines de 20 à 30 %, selon l’étude.

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Les scientifiques peuvent retracer le déclin de la teneur en protéines des graines de maïs, mais les mécanismes génétiques sont restés insaisissables. WU et une équipe du siège de l’Académie chinoise des sciences ont entrepris d’identifier les gènes responsables de l’écart de teneur en protéines entre le téosinte et le maïs en créant une séquence complète du génome du téosinte. En croisant le téosinte avec le maïs et en analysant la descendance, les chercheurs ont pu identifier le locus de caractères quantitatifs, ou les régions chromosomiques spécifiques liées aux caractères en question.

“Parce que le maïs moderne a été domestiqué à partir de téosinte, nous avons estimé que la caractérisation des gènes responsables du caractère riche en protéines dans le téosinte pourrait révéler un ensemble plus diversifié de locus de caractères quantitatifs que ceux trouvés dans les récentes populations de maïs consanguin”, a déclaré WU. “Les résultats pourraient également nous aider à comprendre les raisons de la diminution de la teneur en protéines des graines lors de la domestication du maïs”.

Les chercheurs se sont concentrés sur un locus de caractères quantitatifs significatif à haute teneur en protéines sur le chromosome 9. Le locus de caractères quantitatifs à haute teneur en protéines de téosinte 9 (THP9) a non seulement démontré l’effet le plus fort lors de la cartographie QTL, mais a également codé une enzyme appelée asparagine synthétase 4 (ASN4 ) qui joue un rôle important dans le métabolisme de l’azote. Des études antérieures sur le riz, le blé et l’orge ont montré que des changements dans l’expression de ces gènes modifient la croissance des plantes et leur teneur en azote.

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Alors que la variante (allèle) du gène THP9-téosinte (THP9-T) est fortement exprimée dans les racines et les feuilles de téosinte, ce n’est pas le cas du maïs consanguin correspondant, en raison d’un mauvais épissage des transcrits génétiques, a déclaré WU.

“Cela pourrait être l’un des facteurs qui entraînent des différences dans l’assimilation de l’azote”, a déclaré WU. “Les acides aminés sont des substrats essentiels pour la synthèse des protéines, et leurs niveaux dans la plante sont influencés par la disponibilité de l’azote du sol et l’efficacité d’utilisation de l’azote par la plante”.

Grâce à des essais sur le terrain, l’équipe a vérifié que l’allèle THP9-T pouvait augmenter l’efficacité d’utilisation de l’azote dans des conditions normales et faibles en azote. Une analyse plus approfondie a suggéré que le THP9-T a le potentiel d’améliorer la teneur en protéines des graines et des plants de maïs grâce à la sélection végétale.

«Nos recherches montrent la valeur possible des hybrides contenant l’allèle THP9-T, bien que des essais sur le terrain plus importants dans plusieurs emplacements géographiques soient nécessaires pour établir pleinement son potentiel d’amélioration de la teneur en protéines des graines et de l’efficacité de l’utilisation de l’azote dans la sélection du maïs», a déclaré WU.

Voir la publication

Huang, Y. et al. THP9 enhances seed protein content and nitrogen-use efficiency in maize. Nature (2022). doi : 10.1038/s41586-022-05441-2

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