Changement climatique : l'Université Hébraïque de Jérusalem développe un bio-capteur pour détecter le stress des plantes

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L’Université Hébraïque de Jérusalem développe un bio-capteur pour détecter les premiers signes de stress des plantes et prévenir les échecs de culture dus aux changements climatiques mondiaux dans le but d’augmenter la productivité agricole et de limiter les déchets. Une équipe de chercheurs de la faculté d’agriculture, d’alimentation et d’environnement de l’Université Hébraïque de Jérusalem (UHJ) a développé une méthode pour détecter les signes de stress avant que la plante ne soit endommagée. Les plantes sont exposées à tous les types de conditions météorologiques et à d’autres facteurs externes qui causent des dommages et ont un impact sur la capacité des plantes à subir la photosynthèse et à produire des fruits. Si les agriculteurs pouvaient recevoir un signal d’alerte précoce indiquant que leurs plantes ne se portent pas bien, cela les aiderait à prendre des mesures pour protéger leurs produits, éviter des pertes importantes et préserver les sources alimentaires nationales.

Dans une nouvelle recherche menée par Matanel Hipsch sous la direction du Dr Shilo Rosenwaser du Département des sciences végétales de l’UHJ, les scientifiques ont introduit des biocapteurs moléculaires dans les pommes de terre qui permettent une surveillance en temps réel des signaux de stress dans les plantes. L’objectif de l’étude était de développer une technique innovante permettant une détection précoce du stress et de la sous-nutrition sans endommager la plante elle-même. Les chercheurs ont choisi de se concentrer sur l’humble pomme de terre, en tant que culture vivrière majeure qui représente 40% des exportations israéliennes et est cruciale pour la sécurité alimentaire mondiale.

Connue sous son nom latin, Solanum tuberosum, la pomme de terre fournit des nutriments essentiels tels que des fibres alimentaires, des vitamines, des minéraux, des protéines et des antioxydants. En utilisant le génie génétique, l’équipe a introduit un nouveau gène codé pour une protéine fluorescente qui rapporte le niveau d’espèces réactives de l’oxygène, des molécules hautement réactives dont l’accumulation signifie des réponses au stress. Le biocapteur a été ciblé dans le chloroplaste, l’organite de la cellule responsable de la photosynthèse, le processus chimique qui transfère la lumière dans l’énergie pour alimenter la croissance de la centrale.

Les chercheurs ont pu ensuite surveiller la lumière émise par les biocapteurs et déterminer la phase initiale des réponses au stress des plantes. «En utilisant une caméra fluorescente avec une sensibilité extrêmement élevée, nous avons pu surveiller les signaux de fluorescence émis par les biocapteurs et avons remarqué l’accumulation d’espèces réactives de l’oxygène pendant les premières phases de réponses aux conditions de stress telles que la sécheresse, les températures extrêmes et la forte luminosité« , a expliqué Rosenwaser. Les chercheurs pensent que l’application des biocapteurs peut être étendue à d’autres cultures clés, un effort qui aidera à endiguer la vague d’insécurité alimentaire et les mauvaises récoltes dues aux changements climatiques dans le monde.

Publication dans Plant Physiology 6 avril 2021

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In an effort to increase agricultural productivity and limit waste, a team of researchers from the Hebrew University of Jerusalem (HU)’s Robert H. Smith Faculty of Agriculture, Food and Environment developed a method to detect signs of stress before the plant is damaged.

Plants are exposed to all types of weather and other external factors that cause harm and impact plants’ ability to undergo photosynthesis and produce fruit.  If farmers could get an early warning sign that their plants weren’t doing well, this would help them take measures to protect their produce, prevent significant losses and safeguard national food sources.

In new research published in Plant Physiology by Matanel Hipsch under the direction of Dr. Shilo Rosenwaser at HU’s Department of Plant Sciences, scientists have introduced molecular bio-sensors within potatoes that allow for real-time monitoring of stress signals within the plants.

The study’s objective was to develop an innovative technique that allowed for early detection of stress and under-nutrition without damaging the plant itself.  The researchers chose to focus on the humble potato, as a major food crop that comprises 40% of Israel’s exports and is crucial for worldwide food security. Known by its Latin name, Solanum tuberosum, the potato provides ‎essential nutrients such as dietary fiber, vitamins, minerals, protein, and antioxidants.

By employing genetic engineering, the team introduced a new gene coded to a fluorescent protein that reports the level of reactive oxygen specieses—highly reactive molecules that their accumulation signifies stress responses. The biosensor was targeted into the chloroplast, theorganelle within the cell responsible for photosynthesis, the chemical process that transfers light into the energy to power plant growth. The researchers were then able to monitor the light emitted from the biosensors and determine the initial phase of plant stress responses.

“By using a fluorescent camera with extremely high sensitivity, we were able to monitor the fluorescence signals emitted from the biosensors and noticed the accumulation of reactive oxygen species during the early phase responses to stress conditions such as drought, extreme temperature, and high light,” explained Rosenwaser.

Researchers believe the application of biosensors can be expanded to other key crops—an effort that will help stem the tide of food insecurity and crop failures due to climate changes worldwide.

Publication in Plant Physiology April 6th 2021

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