Comment les vagues de chaleur créent une crise pollinique (vidéo)

Le changement climatique devrait entraîner des vagues de chaleur plus extrêmes et même quelques heures de températures élevées suffisent pour endommager le pollen de manière irréparable (Crédit : Getty Images)

De nombreuses cultures dont nous dépendons doivent être pollinisées pour produire de la nourriture, mais une chaleur extrême peut détruire le pollen. C’est un problème dans un monde confronté au changement climatique, les scientifiques cherchent donc une solution.

En juin dernier, Aaron Flansburg a senti le pic de température et savait ce que cela signifiait pour sa récolte de canola. Fermier de cinquième génération dans l’État de Washington, au nord-ouest des États-Unis, Flansburg synchronise ses semis de canola pour qu’ils fleurissent pendant les semaines fraîches du début de l’été.

 Mais l’année dernière, ses champs ont été frappés par une chaleur de 42 C juste au moment où les fleurs se sont ouvertes. 

« C’est pratiquement inouï pour notre région d’avoir une température comme celle-là en juin », dit-il.

Les fleurs jaunes ont étouffé, la reproduction a stagné et de nombreuses graines qui auraient été pressées pour l’huile de canola ne se sont jamais formées. Flansburg a produit environ 272 à 363 kg par acre. L’année précédente, dans des conditions météorologiques idéales, il avait atteint 1 225 kg) par acre. 

De nombreux facteurs ont probablement contribué à cette mauvaise récolte – la chaleur et la sécheresse ont persisté tout au long de la saison de croissance. Mais un point devient d’une clarté alarmante pour les scientifiques : la chaleur est un tueur de pollen.

Même avec une eau adéquate, la chaleur peut endommager le pollen et empêcher la fertilisation du canola  et de nombreuses autres cultures, notamment  le maïs ,  les arachides et  le riz . Pour cette raison, de nombreux agriculteurs souhaitent que les cultures fleurissent avant que la température n’augmente.

Mais à mesure que le changement climatique augmente le nombre de jours où les températures atteignent plus de 32 ° C dans les régions du monde et que les périodes de chaleur extrême de plusieurs jours  deviennent plus courantes , il peut devenir difficile, voire impossible, de choisir le bon moment.

Face à un avenir plus chaud, les chercheurs cherchent des moyens d’aider le pollen à combattre la chaleur. 

Ils découvrent des gènes qui pourraient conduire à des variétés plus tolérantes à la chaleur et à des cultivars de reproduction capables de survivre à l’hiver et de fleurir avant que la chaleur ne frappe. 

Ils sondent les limites précises du pollen et récoltent même du pollen à grande échelle pour le pulvériser directement sur les cultures lorsque le temps s’améliore. 

L’enjeu est une grande partie de notre alimentation. Chaque graine, grain et fruit que nous mangeons est un produit direct de la pollinisation, explique la biochimiste Gloria Muday de l’Université Wake Forest de Caroline du Nord. 

« Le paramètre critique est la température maximale pendant la reproduction », dit-elle.

La création de graines commence lorsqu’un grain de pollen quitte l’anthère de l’organe reproducteur mâle d’une plante (l’étamine), atterrit sur le stigmate collant d’un organe reproducteur femelle (le pistil) et commence à faire pousser un tube. 

Ce tube est formé d’une seule cellule qui se développe à travers le stigmate et le long d’une tige appelée style jusqu’à ce qu’elle atteigne finalement l’ovaire, où elle délivre le matériel génétique du grain de pollen.

La croissance du tube pollinique est l’un des exemples les plus rapides de croissance cellulaire dans le monde végétal, déclare Mark Westgate, professeur émérite d’agronomie à l’Iowa State University.

 « Il pousse jusqu’à un centimètre par heure, ce qui est incroyablement rapide », dit-il.

Grandir à un tel clip demande de l’énergie. Mais à des températures commençant autour de 32C pour de nombreuses cultures, les protéines qui alimentent le métabolisme d’un grain de pollen commencent à se décomposer, dit Westgate.

En fait, la chaleur entrave non seulement la croissance des tubes, mais  également d’autres étapes du développement du pollen . Le résultat : un grain de pollen peut ne jamais se former, ou peut éclater, ne pas produire de tube ou produire un tube qui explose. 

Tous les cultivars ne sont pas également sensibles à la chaleur. En effet, les chercheurs travaillent toujours sur les mécanismes moléculaires qui permettent au pollen de certains cultivars de survivre tandis que le pollen d’autres meurent.

Par exemple, la fertilisation est notoirement sensible à la chaleur dans de nombreux cultivars de tomates – une culture qui en 2021 couvrait 1 109 km2 de champs ouverts rien qu’aux États-Unis. S’il fait trop chaud, dit Randall Patterson, président de la North Carolina Tomato Growers Association, « le pollen brûlera ».

Patterson chronomètre ses plantations de tomates pour fleurir pendant la plus longue période de nuits en dessous de 21C et de jours en dessous de 32C. En règle générale, il dispose d’une fenêtre de trois à cinq semaines au cours de laquelle le temps coopère pour chacune de ses deux saisons de croissance annuelles. 

Muday étudie le pollen d’un plant de tomate mutant qui peut contenir des indices pour garder cette fenêtre ouverte. En 2018, son équipe a rapporté que les antioxydants connus sous le nom de flavonols jouent un rôle important dans la suppression des molécules hautement réactives contenant de l’oxygène , appelées espèces réactives de l’oxygène (ROS), qui autrement augmenteraient à des niveaux destructeurs à des températures élevées.

L’espoir est que les sélectionneurs pourraient ensuite incorporer ces gènes dans de nouvelles tomates plus résistantes

Muday fait maintenant partie d’une équipe multi-universitaire visant à découvrir les mécanismes moléculaires et les gènes sous-jacents qui pourraient aider le pollen de tomate à résister à une vague de chaleur. L’espoir est que les sélectionneurs pourraient ensuite incorporer ces gènes dans de nouvelles tomates plus résistantes. 

Les connaissances de son étude initiale ont déjà aidé Muday à développer une tomate qui produit des niveaux particulièrement élevés de flavonols. 

« Ils semblent être très bons pour faire face au stress à haute température », dit-elle.

En fin de compte, Muday s’attend à ce qu’ils découvrent que le chemin de la chaleur à la mort du pollen implique de nombreux acteurs au-delà des flavonols et des ROS, et donc potentiellement de nombreuses cibles pour les correctifs. 

Pendant ce temps, les sélectionneurs de  tomates  et d’autres cultures travaillent déjà à développer des cultivars capables de mieux supporter la chaleur. 

« Si les agriculteurs du nord-ouest du Pacifique, des États montagneux ou des hautes plaines vont cultiver des pois et que le climat va être plus chaud, alors nous devons avoir des pois avec une plus grande tolérance à la chaleur », déclare le sélectionneur de légumineuses et planteur la généticienne Rebecca McGee du Service de recherche agricole du Département américain de l’agriculture à Pullman, Washington.

Les légumineuses – ainsi nommées d’après le latin  « puls »  signifiant soupe épaisse – comprennent les haricots secs, les pois, les lentilles et les pois chiches. Ces plantes ne demandent pas beaucoup d’humidité. 

Mais si les températures deviennent trop chaudes, le pollen avorte, explique Todd Scholz, vice-président de la recherche pour le USA Dry Pea and Lentil Council. La même vague de chaleur qui a frappé la récolte de Flansburg l’an dernier a décimé les plants de légumineuses. Les récoltes de lentilles et de pois secs ont chuté à environ la moitié de la production moyenne, tandis que les pois chiches ont chuté de plus de 60 %.

McGee sélectionne certains de ses pois et lentilles pour qu’ils soient plus résistants aux températures élevées. Mais avec d’autres projets, elle adopte une approche différente et quelque peu contre-intuitive : sélectionner des cultures qui peuvent résister au froid.

Dans le nord des États-Unis, les producteurs plantent généralement des légumineuses au printemps. McGee sélectionne des pois, des lentilles et des pois chiches qui sont plutôt semés en automne. 

L’idée est que ces cultivars survivront à l’hiver et commenceront ensuite à fleurir au début de l’été, ce qui leur donnera une chance de polliniser avec succès avant une vague de chaleur.

L’année dernière, McGee a distribué aux producteurs de semences une quantité limitée des trois premiers cultivars de pois de qualité alimentaire semés en automne pour sa région. 

Elle dit qu’ils fleurissent environ deux semaines plus tôt que la plupart des pois semés au printemps – et avec un rendement double. Bien sûr, ces cultures ne sont pas garanties de fleurir avant l’arrivée de fortes chaleurs, dit McGee, « mais vous n’avez pas à vous inquiéter autant ».

À la Michigan State University, Jenna Walters étudie comment la température affecte le pollen – et les pollinisateurs – dans une culture fruitière. Le week-end du Memorial Day de 2018, la température dans le sud-ouest du Michigan s’est attardée à 35 ° C tandis que les abeilles bourdonnaient entre des grappes de fleurs blanches délicates sur des myrtilles. 

Au moment de la récolte, de nombreux fruits étaient plus petits que d’habitude ou ne s’étaient pas du tout formés. Dans un État qui produit en moyenne environ 45 359 tonnes de myrtilles par an, les producteurs n’ont récolté que 29 937 tonnes.

Walters – un doctorant titulaire d’un double diplôme en entomologie et écologie, évolution et comportement – ​​étudie ce qui s’est exactement passé. 

Elle a commencé par identifier la limite de chaleur d’un grain de pollen de myrtille – en exposant le pollen dans des boîtes de Pétri à une gamme de températures et en surveillant le pollen pendant 24 heures. 

Ses résultats, non encore publiés, suggèrent qu’à des températures supérieures à 95 F (35 C), les tubes polliniques de bleuets ne poussent pas.

Walters a également simulé une vague de chaleur aiguë en exposant les grains de pollen à des températures de 37,5 C pendant quatre heures, puis en abaissant la température à 25 C pendant encore 20 heures. 

« Il n’y a pratiquement aucun retour », dit Walters. « Une exposition [à la chaleur] pendant seulement quatre heures est suffisante pour entraîner des dommages permanents. »

Elle confirme maintenant ces résultats dans de vrais buissons de myrtilles dans des chambres de croissance réglées à différentes températures. Si les résultats se maintiennent, dit-elle,35C pourrait inciter les producteurs à allumer périodiquement leurs systèmes de brumisation pour refroidir les champs. Mais ils devraient envisager des compromis.

« De nombreux agents pathogènes se propagent via une humidité élevée ou de l’eau, en particulier pendant cette période d’ouverture des fleurs », dit-elle. « Et lorsque les machines de brumisation sont allumées, la plupart des pollinisateurs ne sont pas susceptibles de venir visiter. »

« Il est possible que les buissons de bleuets surchauffés entraînent également une diminution du nombre de pollinisateurs de bleuets au fil du temps », dit Walters. 

Elle et ses collègues comparent le contenu nutritionnel du pollen stressé par la chaleur et non stressé, recherchant des différences dans les protéines, les glucides et d’autres facteurs qui pourraient être critiques pour la santé d’une abeille.

Une exposition [à la chaleur] pendant seulement quatre heures suffit à entraîner des dommages permanents – Jenna Walters

Cette année, elle remplira huit cages à parois grillagées de 1,8 m 3,7 m avec plus de deux douzaines de myrtilles en pot chacune, ainsi que quelques abeilles bleues femelles du verger, l’une des nombreuses espèces d’abeilles. qui pollinise les fleurs de bleuet. 

Pendant quatre heures par jour, pendant quatre ou cinq semaines, elle va s’asseoir à l’intérieur de ses cages et regarder les abeilles pondre des œufs et chercher du pollen sur des buissons qui, dans la moitié des cages, ont été exposés au stress thermique au début de leur floraison.

Le souci, dit Walters, est que si la chaleur détruit le pollen, le stress nutritionnel amènera les femelles à produire plus d’œufs mâles, qui nécessitent moins de pollen pour être produits. 

Mais les abeilles bleues mâles du verger sont moins utiles à un producteur de bleuets, puisque seules les femelles pollinisent et pondent des œufs pour démarrer la génération suivante. 

Pour compenser la perte de pollen, dit Walters, les producteurs pourraient envisager de planter des bandes de fleurs sauvages qui tolèrent mieux la chaleur et pourraient fournir aux pollinisateurs des nutriments supplémentaires.

Il existe également des correctifs technologiques. Westgate est le directeur scientifique de  PowerPollen , une société de technologie agricole basée dans l’Iowa qui se concentre sur l’amélioration de la pollinisation pour les producteurs de semences de maïs hybrides – une culture dans laquelle le pollen échoue à des températures supérieures à 40C.

À l’aide d’un dispositif de collecte à glands attaché à un tracteur, l’entreprise recueille de grandes quantités de pollen mûr dans les champs, puis stocke ces grains de pollen vivants dans un environnement contrôlé. 

PowerPollen revient pour appliquer ce pollen lorsque les conditions météorologiques favorisent la fertilisation – généralement au plus tard cinq jours après la collecte. 

La fenêtre semble petite, mais elle pourrait permettre aux agriculteurs d’esquiver une journée particulièrement chaude. L’entreprise travaille à prolonger ce délai et à appliquer sa technologie à d’autres cultures.

Pour certains, une solution plus simple peut être de changer complètement de culture.

 « Il y a des légumineuses qui poussent dans les climats tropicaux, il se peut donc que vous choisissiez un cultivar différent », explique Scholz, du Dry Pea and Lentil Council. 

Mais certaines légumineuses qui résistent à la chaleur, note-t-il, comme les fèves et les doliques aux yeux noirs, nécessitent plus d’humidité que les agriculteurs des terres arides du nord-ouest du Pacifique ne peuvent en fournir.

Flansburg, à Washington, ne veut pas changer. Il garde l’espoir que les efforts de sélection l’aideront à continuer à cultiver le canola et d’autres cultures que sa famille cultive depuis des générations. Pourtant, il s’inquiète pour l’avenir. 

« Il y a une image globale d’un climat changeant auquel nous allons devoir nous attaquer et faire face si nous voulons pouvoir continuer à nourrir les gens », dit-il. « Il y a juste une limite à la quantité de chaleur qu’une plante peut absorber. »

* Cet article a été produit en collaboration avec le  Food & Environment Reporting Network , une organisation de presse d’investigation à but non lucratif. Il a été initialement publié par  Yale e360 et est republié avec autorisation – lisez l’histoire originale  ici .

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