Les cultures pourraient faire face à un double problème d'insectes et d'un réchauffement climatique

Les cultures pourraient faire face à un double problème d'insectes et d'un réchauffement climatique Dans la chaleur, les plants de tomates ne peuvent pas lutter contre la chenille du tabac affamée, Manduca sexta. De www.shutterstock.com

Depuis des millénaires, les insectes et les plantes dont ils se nourrissent sont engagés dans une bataille de co-évolution: manger ou ne pas être mangé. Jusqu'à récemment, les deux parties antagonistes ont maintenu une sorte d'impasse. Avec le changement climatique, cependant, des températures plus chaudes pourraient faire pencher la balance en faveur des insectes et représenter un danger pour les cultures et les agriculteurs qui en ont soin.

Notre équipe de recherche à la Michigan State University Institut de résilience des plantes regardé ce qui s'est passé par temps chaud quand chenilles de vers à cornes ont attaqué un plant de tomate. La tomate a perdu. Nous avons vu un compromis surprenant de la part de la plante pendant la canicule: elle s'est défendue contre les chenilles mais cet effort l'a empêchée de faire face aux effets néfastes de la chaleur. Cela a provoqué une surchauffe de la plante, ce qui a renforcé la main des chenilles.

Une étude réalisée par des chercheurs en 2018 a prédit que chaque degré de réchauffement climatique augmenter la perte de récolte des insectes de 10% à 25% parce que les populations d'insectes et leur appétit montent en température chaude. D'autres variables liées au climat, notamment les sécheresses ou les inondations prolongées, sont susceptibles d'aggraver ces pertes.

Mais bien que les scientifiques aient identifié ces différents défis à la production alimentaire, ils ne savent toujours pas beaucoup comment la combinaison de chaleur et d'insectes affectera les systèmes de défense intégrés des plantes.

Les plantes détectent et réagissent constamment aux changements de leur environnement, y compris la présence d'insectes phytophages.

Comment les plantes combattent les insectes ravageurs

Contrairement aux animaux, les plantes ne peuvent pas courir ni se cacher des prédateurs. Au lieu de cela, les plantes produisent un arsenal de produits chimiques toxiques qui repoussent les attaques d'insectes et d'autres consommateurs de plantes.

La production de ces composés est coûteuse et freine souvent leur croissance, de sorte que les plantes ne déploient cet arsenal de défense chimique que lorsqu'elles sont endommagées par un insecte à mâcher. Ce processus est déclenché par l'hormone des plaies végétales, le jasmonate, qui contrôle étroitement la biosynthèse, la distribution et le stockage des composés de défense chimique qui repoussent les insectes.

Depuis plus de 20 ans, nous étudions comment le jasmonate protège les plantes des insectes herbivores. Ce n'est que récemment que nous avons commencé à réfléchir à la manière dont la hausse des températures mondiales influence ce mécanisme commun de défense des plantes.

La chaleur et la chenille affamée

Dans notre étude, nous plants de tomates en difficulté avec chenilles de hornworm dans des conditions de température normales: 82 degrés F jours (environ 28 degrés C) et 64 degrés F nuits (environ 18 degrés C). Nous avons également simulé des vagues de chaleur, avec des températures s'élevant à 100 F (38 C) pendant la journée et tombant à 82 F (28 C) la nuit pendant plusieurs jours.

Les usines ont réagi aux températures plus chaudes en intensifiant la production de jasmonate et, en conséquence, en augmentant la production de divers composés de défense. Même ainsi, les insectes mangeaient les plantes sans relâche dans la chaleur.

Pendant ce temps, une étude parallèle de notre équipe a révélé que des augmentations modérées de la température accéléré le métabolisme des insectes de sorte qu'ils mangeaient plus vite et faisaient plus de dégâts aux plantes. Bien que les plants de tomates se soient battus avec leur réponse chimique, ils n'ont pas pu neutraliser le puissant stimulus alimentaire déclenché par la chaleur des insectes.

Les modèles peuvent sous-estimer les pertes de récolte dues au changement climatique, car ils ne tiennent pas compte de la réaction des plantes infestées à l'augmentation des températures.

Insectes + chaleur = double trouble

Les plantes utilisent deux stratégies pour se refroidir lorsque les températures deviennent trop élevées. Ils ouvriront leurs minuscules pores de feuilles, appelés stomates, libérant de l'eau qui les refroidit tout comme la transpiration refroidit les humains. Les plantes combattent également le stress thermique en soulevant leurs feuilles du sol chaud, peut-être à la recherche d'une brise fraîche.

Nous avons découvert de manière inattendue dans notre travail que les plants de tomates mis au défi par les chenilles à la température plus chaude n'ont pas fait ces choses, et n'ont donc pas refroidi leurs feuilles.

Dans nos expériences de suivi, nous avons constaté que lorsque les chenilles mangeaient ses feuilles et que la plante activait l'hormone jasmonate, cela bloquait l'ouverture des minuscules stomates et empêchait également les feuilles de se soulever pour se refroidir. L'usine n'a pas pu déployer sa réponse de refroidissement, et en même temps la photosynthèse (produire de la nourriture à partir de la lumière du soleil et du dioxyde de carbone) a été réduite.

Ces circonstances ralentissent efficacement la croissance de la plante. Ainsi, bien que les plants de tomates puissent bien résister aux attaques d'insectes ou à une température élevée, si ces deux stress surviennent en même temps, cela signifie un double problème. Le résultat est une défoliation rapide par des chenilles affamées et une surchauffe des feuilles.

Étudier les plantes dans des environnements réels

Pourquoi l'attaque des insectes empêche les plantes de se refroidir reste un mystère. Cependant, lorsque les plantes ferment leurs stomates lors d'une attaque d'insectes, elles conservent l'eau en l'empêchant de s'évaporer des feuilles blessées. Nous pensons que cette réponse peut bénéficier à la plante en cas de pénurie d'eau, ce qui est souvent le cas lors des vagues de chaleur.

Nous prévoyons de répondre à cette question en étudiant les plantes cultivées dans les conditions difficiles de l'environnement naturel, plutôt que dans des conditions de laboratoire hautement contrôlées. Nous pensons que de telles études sont nécessaires pour développer des cultures capables de résister à la chaleur et au stress des plaies.

Faire des plantes plus résistantes

De nombreux experts estiment que la productivité agricole doit doubler au cours des 30 prochaines années pour répondre aux exigences population en croissance rapide. Les trajectoires de rendement actuelles des principales cultures, combinées aux effets incertains d'un environnement mondial en évolution, suggèrent que le monde sera bien en deçà de cette demande en utilisant des pratiques agricoles conventionnelles.

Le Royaume-Uni La Royal Society et d'autres organisations scientifiques ont appelé à une Seconde révolution verte qui permettra l'intensification durable de l'agriculture par le développement de cultures plus résistantes face à des conditions environnementales de plus en plus difficiles.

Les avancées technologiques récentes, de la génomique et de l'édition des gènes aux approches informatiques et de la science des données, offrent aux chercheurs des opportunités sans précédent pour atteindre cet objectif. Pour parvenir à une meilleure compréhension des interactions complexes de la chaleur et des attaques d'insectes, nous espérons que nos recherches pourront éclairer de nouvelles stratégies pour accroître la résilience des plantes dans un monde en réchauffement.

A propos de l'auteur

Gregg Howe, professeur de biochimie et de biologie moléculaire, Michigan State University et Nathan Havko, boursier postdoctoral en recherche sur les plantes, Michigan State University

Cet article est republié de La Conversation sous une licence Creative Commons. Lis le article original.

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