À partir de 2015, Rodale Institute a commencé des études en serre pour déterminer si les cultures peuvent être cultivées pour tolérer les mauvaises herbes. Ces études évalueront le potentiel de l'exposition aux mauvaises herbes pour induire des cultures tolérantes aux mauvaises herbes en se basant sur la reconnaissance que la compétition pour la lumière joue un rôle clé dans la performance des plantes.
On suppose que la performance de la descendance (ou de la progéniture) des plantes d'essai exposées au même stress biotique (stress résultant des dommages causés aux plantes par d'autres organismes vivants tels que les mauvaises herbes) est supérieure à celle des plantes parentales. L'expérience est conçue comme un plan de bloc factoriel complètement aléatoire un par trois répliqué trois fois. Les plants d'avoine sont plantés dans des conteneurs entourés de ray-grass annuel ou d'amarante à racine rouge, avec des plants d'avoine ou du sol comme contrôle (figure 1).
Les plants de plantes de culture d'essai sont éclaircis à une plante par contenant. Les données agronomiques sur la hauteur de la plante, le nombre de feuilles de chaque plante et les mesures de la surface foliaire sont collectées chaque semaine auprès des plantes d'essai. Les mauvaises herbes sont régulièrement coupées pour limiter la réponse d'évitement de l'ombre aux changements du spectre lumineux plutôt qu'à l'ombrage réel. À la maturité de la plante, la biomasse des cultures et le rendement en grains sont mesurés. Les graines de la descendance F2 et F3 de plantes cultivées exposées à deux espèces de mauvaises herbes différentes seront testées pour leur résistance aux mauvaises herbes par rapport à la génération parentale F1. Des tests seront réalisés dans les domaines de la serre et de la recherche à Rodale Institute et d'autres institutions collaboratrices telles que l'Université du Wyoming.
Base scientifique de l'étude
La capacité des plantes à répondre aux pathogènes pathogènes en acquérant une résistance systémique lorsqu'elles sont exposées à ces pathogènes a été largement étudiée (Casal, 2012; Slaughter et al., 2012). Des recherches antérieures avec Arabidopsis (un membre de la famille de la moutarde) ont établi que de telles défenses acquises peuvent être encore plus prononcées dans la descendance que la population de plantes parentales (Slaughter et al., 2012), comme pour vacciner un parent et voir l'immunité dans leur enfants (Coombs, 2012). La capacité des mauvaises herbes à induire de la même manière des espèces végétales résistantes aux mauvaises herbes n'a pas encore été établie.
Il est bien connu que les plantes peuvent sentir quand d'autres plantes sont près d'elles, une réponse appelée «éviter l'ombre» (Holmes et Smith, 1977).
La réponse d'évitement de l'ombre est attribuée à la capacité des plantes à discerner les changements du spectre lumineux dans la canopée d'une population d'espèces végétales poussant ensemble. Étant donné que les plantes absorbent la lumière rouge pour la photosynthèse, la partie proche infrarouge du spectre lumineux qui n'est pas nécessaire pour la photosynthèse est réfléchie. Les plantes détectent ces changements dans le spectre lumineux, comme une proportion accrue de lumière proche infrarouge dans la lumière réfléchie, en déclenchant une réponse d'évitement de l'ombre (Slaughter et al., 2012).
Cet évitement peut être considéré comme une réponse préventive des plantes à une concurrence imminente dépendante des ressources (Casal, 2012). La réponse active des mécanismes physiologiques au sein de la plante qui augmentent sa forme physique dans un environnement compétitif, comme une augmentation de l'élongation de la tige, une ramification réduite et une production précoce de graines (Franklin et Whitelam, 2005).
La réponse d'évitement de l'ombre, cependant, peut entraîner un coût d'opportunité si elle est exprimée dans un environnement non concurrentiel (Casal, 2012). Par exemple, la productivité des cultures exprimant des réponses d'évitement de l'ombre aux mauvaises herbes plus tôt dans la saison peut décliner même lorsque les mauvaises herbes sont enlevées plus tard après que les cultures sont déjà «préparées» à répondre à la concurrence.
Cette étude vise à déterminer si: 1) ces réponses sont héréditaires et 2) peuvent rendre la descendance plus tolérante aux mauvaises herbes sans compromettre leur productivité, de la même manière que la réponse de résistance systémique acquise des plantes aux pathogènes.
Résultats préliminaires
Cette étude est menée en partenariat avec le Dr Andrew Kniss, professeur agrégé de la science des mauvaises herbes à l'Université du Wyoming à Laramie. Le Dr Kniss a récemment partagé avec nous des résultats préliminaires très intéressants de leur expérience.
Dans leur étude, le blé (ils utilisent du blé au lieu de l'avoine) a été cultivé dans des conteneurs soit entourés de graminées, soit entouré de terre dans la génération parentale (F1) comme décrit ci-dessus. Les graines de blé de la génération parentale (F1) ont été conservées et plantées dans des conteneurs entourés de mauvaises herbes ou de sol de manière à ce qu'elles aient toutes les combinaisons possibles d'environnements mauvaises herbes / sol pour la 1ère génération et la 2ème génération (sol puis sol; sol puis mauvaises herbes; mauvaises herbes puis terre; mauvaises herbes puis mauvaises herbes).
Le Dr Kniss a recueilli et analysé des données sur le pourcentage d'épis de blé de deuxième génération (F2 ou descendance) au début du processus de dénudage. Les données ont montré que 63% et 75% de la descendance de blé étaient respectivement exposés aux mauvaises herbes ou au sol dont les parents étaient exposés aux mauvaises herbes (tableau 3). La descendance de blé dont les parents n'ont pas été exposés aux mauvaises herbes avait 0 et 13% d'épi lorsqu'ils étaient exposés aux mauvaises herbes et au sol respectivement (tableau 3).
Ces résultats suggèrent fortement que la date d'épi dans la culture de rapport de deuxième génération (blé) a été significativement influencée par l'environnement de croissance de la génération précédente par rapport à l'environnement de croissance actuel (tableau 2) - la preuve la plus solide que nous ayons montrée jusqu'à présent que la réponse d'évitement de l'ombre à l'exposition aux mauvaises herbes est héréditaire!
En raison de l'espace de serre limité et des semences provenant d'une étude précédente, nos recherches à Rodale Institute n'a pas encore été développé pour explorer toutes les combinaisons possibles de nos traitements compagnons avoine / mauvaises herbes. Jusqu'à présent, les générations descendantes ont été exposées au même environnement que les générations parentales. Les résultats préliminaires de ces expériences n'étaient pas statistiquement significatifs entre les traitements.
Cependant, les résultats ont montré une tendance indiquant que les plants d'avoine de deuxième génération exposés aux mauvaises herbes annuelles de ray-grass étaient plus hauts que les témoins (avoine-avoine ou avoine-sol) (figure 4). Il n'y avait pas de différence statistique ou numérique dans la hauteur des plants entre les trois traitements dans les plants d'avoine de première génération (figure 3). Ces résultats sont conformes à ceux du Wyoming car ils suggèrent également que la génération de descendants peut avoir hérité et amplifié leur réponse d'évitement de l'ombre à la présence de mauvaises herbes.
Avec plus d'espace de serre sécurisé, la prochaine phase de cette expérience impliquera tous les traitements factoriels possibles de l'avoine / mauvaises herbes accompagnant les graines d'avoine de deuxième et troisième générations. Nous passerons ensuite aux tests sur le terrain.
Emmanuel Omondi, Ph.D. est le scientifique associé et directeur de la Essai des systèmes agricoles at Rodale Institute.