La contamination du sol pourrait-elle être bénéfique pour les arbres?

Des saules dans un champ

Des saules dans un champ

Crédit : Université de Montréal

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La décontamination des terrains pollués, qui s'étendent souvent sur un nombre élevé d'hectares, est coûteuse et peut elle-même avoir un important impact environnemental.

La simple capacité à s'adapter à certaines formes de pollution du sol pourrait s'avérer avantageuse pour les arbres dans l'environnement naturel, affirment des biologistes spécialistes des végétaux de l'Université de Montréal. Leurs conclusions ont été publiées cette semaine dans BMC Plant Biology.

Il y a quelque 30 000 sites au Canada et 342 000 sites en Europe contaminés aux métaux lourds ou aux sous-produits du pétrole. Grâce à un processus appelé phytoremédiation, des végétaux ayant une forte résistance aux produits chimiques peuvent être utilisés pour dépolluer des terrains de ce type. Après avoir comparé la réponse moléculaire de saules plantés dans un sol contaminé à celle d'autres saules poussant dans un sol non contaminé, l'équipe de chercheurs a constaté que plusieurs gènes végétaux s'exprimaient différemment selon le type de sol utilisé. «Un résultat est toutefois plus fascinant que les autres : nous avons aussi découvert que l'information génétique (ARN) d'autres organismes, comme des champignons, des bactéries et des insectes, s'exprimait elle aussi différemment dans le tissu végétal. Fait particulièrement intéressant, 99 % de l'ARN des tétranyques, un phytoravageur courant, était présent en plus grande quantité sur les arbres poussant dans un sol non contaminé, explique Nicolas Brereton, co-premier auteur de l'étude. Ainsi, les arbres se trouvant dans le sol contaminé pourraient avoir réagi en perfectionnant leurs mécanismes de défense, ce qui les rend moins vulnérables aux attaques des herbivores.»

La décontamination des terrains pollués, qui s'étendent souvent sur un nombre élevé d'hectares, est coûteuse et peut elle-même avoir un important impact environnemental. «Les végétaux employés pour la phytoremédiation doivent présenter une très haute résistance à la pollution et un rendement en biomasse élevé. Cette deuxième caractéristique apporte une valeur accrue au processus de phytoremédiation; elle s'ajoute à l'avantage direct de l'assainissement du terrain», ajoute M. Brereton. Le taillis à courte révolution du saule permet de tirer profit d'un des arbres ayant le rendement le plus élevé et pouvant produire une très grande quantité de bois, en très peu de temps, dans les régions tempérées. De plus, il n'exige que peu de fertilisation par l'azote. «En générant un rendement élevé de biomasse, nous pouvons utiliser par exemple le bois pour des procédés comme la production d'énergie à partir de la biomasse lignocellulosique. Nous appelons “culture à valeur ajoutée” l'intégration de ces deux avantages complémentaires.»

Un tel échange d'information cadre avec l'objectif d'un nouveau champ d'études en biologie ayant crû rapidement depuis l'apparition de la technologie moderne de séquençage de prochaine génération : la biologie des systèmes liée au «métaorganisme». L'équipe de chercheurs, dirigée par Michel Labrecque, Frédéric Pitre et Simon Joly, s'est penchée sur tous les organismes en interaction, les étudiant en tant qu'entité unique et dynamique, afin d'en comprendre la complexité naturelle. «Comme le démontre l'une des découvertes majeures qui a retenu notre attention, en extrayant l'information génétique de n'importe quel tissu végétal, par exemple l'ARN, nous trouvons toujours aussi l'information génétique de champignons, de bactéries et même d'animaux comme des insectes et des arachnides. Dans ce cas, en se défendant contre les agents de contamination, qui représentent un stress abiotique, l'arbre améliore sa résistance aux tétranyques, qui créent un stress biotique, indique Emmanuel Gonzalez, co-premier auteur de l'étude. L'élément important à retenir, c'est que les gènes ont été transférés entre les multiples organismes en interaction. Nous appelons ce phénomène “métatranscriptomique”, “méta” renvoyant au métaorganisme et “transcriptomique”, à l'activation des gènes. Nous sommes en mesure d'obtenir un tel portrait génétique global depuis très peu de temps. Même si la tolérance croisée est connue chez les arbres, ce phénomène n'a pas encore été documenté dans le contexte de la phytoremédiation et encore moins à l'aide d'une telle technologie de séquençage de pointe de prochaine génération.»

Les chercheurs ont mené leurs premières expériences dans des serres. Toutefois, ils travaillent actuellement à reproduire les travaux sur des arbres matures ayant poussé dans de véritables sites contaminés. «Nous avons constaté des interactions similaires avec les arachnides et les insectes. Le nombre d'organismes en interaction, en particulier les champignons, est très élevé, souvent de l'ordre des centaines, dans le tissu végétal lorsque la culture se fait à l'extérieur du laboratoire», ajoute M. Gonzalez.

À l'attention des médias

Citations supplémentaires

«Le séquençage de nouvelle génération, la technologie ayant mené à la cartographie du génome humain, a élargi les perspectives et nous permet d'entrevoir la génétique fondamentale de notre environnement naturel. Certaines des techniques informatisées utilisées sont hautement complexes. Nous avons cherché à nous assurer que toutes les boîtes noires sont grandement ouvertes et à appliquer à toutes les étapes de l'analyse un mode de pensée très classique en biologie. Ainsi, nous pouvons profiter d'une fenêtre ouverte sur la richesse et la complexité surprenante de la biosphère.»

- Emmanuel Gonzalez, Ph.D., Université de Montréal

«Il est bien établi que ces saules à la croissance rapide peuvent résister à la contamination et assainir le sol. Toutefois, nous ne comprenons pas très bien comment ils arrivent à accomplir de telles prouesses. Selon la recherche, chacun des saules réagirait en misant potentiellement sur des centaines d'autres organismes, par exemple des bactéries, des champignons et des insectes (regroupés sous le terme “métaorganisme”.) Certains de ces organismes sont bénéfiques pour la culture, tandis que d'autres sont dommageables. En interagissant avec toutes les formes de vie présente, par exemple sur une seule feuille, les arbres peuvent s'épanouir dans un environnement difficile en s'en remettant aux mécanismes naturels pour composer avec le stress chimique. Ces mécanismes peuvent aussi les aider à se défendre contre les attaques des insectes herbivores. Le fait de résister à la contamination leur procure un deuxième avantage unique. Nous commençons à envisager l'idée selon laquelle tous les tissus, dans chacun des organismes, représentent un milieu écologique unique; c'est ce que les données laissent croire à l'heure actuelle. Il est difficile de déchiffrer un milieu aussi complexe, mais les résultats peuvent être spectaculaires.»

- Nicolas Brereton, Ph.D., Université de Montréal

À propos de cette étude

Emmanuel Gonzalez, Nicholas J. B. Brereton, Julie Marleau, Werther Guidi Nissim, Michel Labrecque, Frédéric E. Pitre et Simon Joly ont publié «Meta-transcriptomics indicates biotic cross-tolerance in willow trees cultivated on petroleum hydrocarbon contaminated soil» dans BMC Plant Biology le 12 octobre 2015. (doi:10.1186/s12870-015-0636-9)

Emmanuel Gonzalez, Ph.D., et Nicholas J. B. Brereton, Ph.D., sont affiliés à l'Institut de recherche en biologie végétale de l'Université de Montréal et à Transcriptomic Solutions, une entreprise détachée.

L'étude a été financée dans le cadre du projet GenoRem (Génome Canada et Génome Québec).

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