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Agriculture

Une atmosphère riche en CO₂ peut (aussi) être bénéfique aux plantes

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Si le CO2 (dioxyde de carbone) constitue l’un des principaux gaz à effet de serre émis par les activités humaines à l’origine du réchauffement climatique, c’est aussi une source essentielle d’alimentation pour les plantes ; ces dernières le transforment en effet en sucre par la photosynthèse.

Ces sucres sont utilisés pour leur croissance et leur reproduction, à travers la synthèse de différents types de ressources (grain, huile, fruits, tige).

Depuis le début de la domestication des plantes jusqu’à aujourd’hui, l’homme a cherché à valoriser au mieux ces ressources pour subvenir à ses besoins alimentaires ou énergétiques.

Aussi, sans minimiser les dommages indirects que causera le CO2 sur les productions agricoles, au travers du dérèglement climatique et des fréquences accrues d’épisodes météorologiques extrêmes (fortes chaleurs, vents violents, sécheresse, inondation), celui-ci pourrait aussi avoir des effets bénéfiques sur les niveaux de productions.

Sélectionner des plantes cultivées à même de valoriser le CO2 atmosphérique augmenté – désigné eCO2 – pourrait être un levier majeur pour subvenir aux besoins alimentaires et énergétiques des générations futures et compenser en partie les réductions de rendements liées aux aléas.

Stockage du carbone

Depuis quatre ans à Montpellier, notre équipe de recherche étudie la réaction de variétés de riz dans des serres expérimentales (Abiophen), permettant de simuler des scénarios climatiques futurs et notamment des conditions de eCO2.

Nos premiers travaux ont mis à jour des potentiels d’adaptation différents : des variétés voient leur photosynthèse et leur rendement augmenter davantage que d’autres (de 3 à 30 %). Ce phénomène s’explique par des capacités variables des plantes à valoriser le sucre produit par la photosynthèse pour la croissance de leurs organes.

Présentation de la serre Abiophen et de l’expérimentation visant à comparer la croissance et le rendement de 5 variétés de riz sous des concentrations de CO₂ atmosphériques ambiantes (400ppm) et élevées (800pm). (Vincent Bonneaud pour LeCirad, le 19 septembre 2019).

Certaines espèces, et au sein de ces espèces certaines variétés, arrivent donc à s’adapter à l’eCO2 en formant de nouveaux organes. Elles sont notamment capables d’émettre d’autres ramifications ou tiges, chacune d’elles portant des feuilles et, si ces tiges deviennent fertiles, des fleurs puis des graines.

D’autres n’y parviennent pas et voient dans ces mêmes conditions leur rendement stagner. Ces dernières sont en effet limitées dans leur capacité à augmenter l’appétit de leurs organes en croissance face à une plus grande disponibilité de produits de la photosynthèse résultant du eCO2.

Mesures de photosynthèse sur une feuille de riz à l’aide d’un analyseur d’échange gazeux.
Denis Fabre

Cette limitation conduit à une accumulation des sucres dans le phloème, système vasculaire distribuant les produits de la photosynthèse dans la plante depuis les feuilles vers les organes en croissance ; cette accumulation peut aller jusqu’à un engorgement des feuilles elles-mêmes, qui se voient dans l’impossibilité d’exporter les sucres qu’elles créent.

Cet engorgement de la feuille est à l’origine d’une voie de signalisation chimique qui a pour conséquence d’inhiber la photosynthèse.

Notre étude sur cinq variétés de riz – comparées sous conditions de CO2 ambiant (400ppm) et eCO2 (800ppm) – montre ainsi une relation positive entre la capacité d’une variété à exporter des sucres de la feuille vers ses organes en croissance, et l’augmentation de la photosynthèse ou de la production de biomasse ou de grain en réponse au eCO2.

Sélection variétale

En réduisant le nombre potentiel de tiges ou en raccourcissant leur taille, pour privilégier la production de grain au détriment de la biomasse végétative, la sélection variétale a durant la révolution verte considérablement réduit les capacités de stockage de carbone des variétés améliorées, et par là, leur faculté à répondre positivement au eCO2.

Évolution de la concentration en CO₂ atmosphérique durant les 20 000 dernières années. La période actuelle (Holocène) a été caractérisée par des concentrations de 260–280ppm (niveaux préindustriels) et a donné lieu au développement de la civilisation et à la domestication des plantes. L’augmentation récente en CO₂ atmosphérique jusqu’à plus de 400ppm est d’origine anthropogénique..
Dingkuhn et coll., 2020 ; adapté de www.co2.earth

C’est notamment le cas des cultures céréalières, comme le blé et le riz, ressources alimentaires majeures à l’échelle mondiale. Si les variétés améliorées à l’issue de la révolution verte demeurent aujourd’hui les plus productives, elles pourraient voir leur rendement plafonner davantage que d’autres dans un futur proche.

Se pose alors la question de l’existence dans la diversité génétique existante au sein de ces espèces – et notamment dans des variétés moins domestiquées, voire sauvages – de capacités accrues de réponse au eCO2.

Combinées aux potentiels de rendement des variétés améliorées, celles-ci s’avéreront un des leviers majeurs pour que l’agriculture réponde à la demande alimentaire mondiale de demain.

Meilleurs rendements

À l’heure où l’agriculture se doit d’adopter des pratiques de plus en plus durables pour l’environnement et la biodiversité, l’enjeu ne s’arrête pas à la sécurité alimentaire.

La sélection variétale pourrait ainsi cibler la conception de variétés capables de mieux valoriser le CO2 atmosphérique au profit non seulement de la production de grains, mais aussi de la croissance du système racinaire ou des tiges et des feuilles (qui peuvent constituer des résidus de récoltes retournant au sol).

De telles variétés permettront de combiner des potentiels de rendements améliorés avec un certain nombre de services écosystémiques, comme la séquestration du carbone dans le sol et le maintien de sa fertilité. Leur croissance racinaire améliorée pourrait aussi les doter d’une meilleure capacité d’accès aux ressources du sol (eau, nutriments) et donc d’aptitudes à produire dans des milieux de cultures plus défavorables.

Panicule de riz à maturité sous les lampes LED (light emitting diode) de la serre Abiophen.
Vincent Bonneaud

De telles variétés pourront aussi représenter des opportunités pour augmenter les rendements de cultures dites de « double usage », combinant par exemple la production de biomasse (tiges, feuilles) dédiée à la transformation en bioénergie et celle de grains dédiée à l’alimentation humaine ou animale.

Agriculture et changement climatique

Les outils de modélisation agronomique sont plus que jamais convoqués, couplés à des modèles de prédiction climatique, pour estimer les futurs effets du changement climatique sur les productions agricoles ; et aussi pour identifier les conséquences des pratiques agricoles (variétés, conduites de cultures…) sur les émissions de gaz à effet de serre, et par là, sur le changement climatique.

Il devient essentiel que de tels modèles prennent davantage en compte les processus physiologiques contrôlant la réponse des plantes aux variables du changement climatique ; pour être à même d’anticiper quelles pratiques culturales et quelles variétés sont à concevoir pour déployer une agriculture répondant aux attentes sociétales et environnementales, aujourd’hui et demain.



Denis Fabre, Chercheur en écophysiologie (PhD), Cirad

Cet article est republié à partir de The Conversation sous licence Creative Commons.

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