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Comment l’agriculture moderne a transformé une plante sauvage en mauvaise herbe problématique

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Le chanvre aquatique peut réduire considérablement les rendements de maïs et de soja, comme on le voit à droite dans un champ de maïs du comté d’Essex. Crédit : Julia Kreiner, Université de la Colombie-Britannique

De nouvelles recherches ont découvert que l’agriculture provoque des changements évolutifs rapides non seulement dans les fermes mais aussi chez les espèces sauvages dans les zones adjacentes.

Une équipe internationale de chercheurs du Université de la Colombie-Britannique a découvert comment l’expansion de l’agriculture moderne a transformé une plante indigène nord-américaine, la chanvre commun, en une mauvaise herbe agricole nuisible.

L’étude, publiée dans La science, a comparé 187 échantillons de chanvre aquatique provenant de fermes contemporaines et de zones humides adjacentes à plus de 100 échantillons historiques datant de 1820 qui étaient conservés dans des musées à travers l’Amérique du Nord. En analysant la composition génétique de la plante au cours des deux derniers siècles, les chercheurs ont pu observer l’évolution en action dans différents environnements, tout comme la façon dont l’étude des restes humains et néandertaliens anciens peut révéler des informations clés sur l’histoire humaine.

Un spécimen d’herbier de chanvre aquatique de 155 ans provenant de l’herbier du jardin botanique du Missouri. Crédit : Julia Kreiner, Université de la Colombie-Britannique

« Les variantes génétiques qui aident la plante à bien se comporter dans les environnements agricoles modernes ont atteint des fréquences élevées remarquablement rapidement depuis l’intensification agricole dans les années 1960 », a déclaré la première auteure, la Dre Julia Kreiner, chercheuse postdoctorale au département de botanique de l’UBC.

Les chercheurs ont découvert des centaines de gènes dans le génome de la mauvaise herbe qui contribuent à son succès dans les fermes, avec des mutations dans les gènes liés à la tolérance à la sécheresse, à la croissance rapide et à la résistance aux herbicides apparaissant fréquemment. « Les types de changements que nous imposons dans les environnements agricoles sont si importants qu’ils ont des conséquences sur les habitats voisins que nous pensons généralement être naturelles », a déclaré le Dr Kreiner.

L’auteur principal, le Dr Julia Kreiner, effectue des extractions d’ADN d’échantillons d’herbier historiques dans l’ancien laboratoire d’ADN de Tübingen, en Allemagne. Crédit : Julia Kreiner, Université de la Colombie-Britannique

Les résultats pourraient éclairer les efforts de conservation visant à préserver les zones naturelles dans des paysages dominés par l’agriculture. La réduction du flux de gènes hors des sites agricoles et le choix de populations naturelles plus isolées pour la protection pourraient aider à limiter l’influence évolutive des fermes.

La chanvre commun est originaire d’Amérique du Nord et n’a pas toujours été une plante problématique. Pourtant, ces dernières années, la mauvaise herbe est devenue presque impossible à éradiquer des fermes grâce à des adaptations génétiques, notamment la résistance aux herbicides.

« Alors que le chanvre aquatique pousse généralement près des lacs et des ruisseaux, les changements génétiques que nous observons permettent à la plante de survivre sur des terres plus sèches et de se développer rapidement pour surpasser les cultures », a déclaré la co-auteure, la Dre Sarah Otto, professeure à l’Université Killam à l’Université. de la Colombie-Britannique. « Le chanvre aquatique a essentiellement évolué pour devenir davantage une mauvaise herbe compte tenu de la force avec laquelle il a été sélectionné pour prospérer parallèlement aux activités agricoles humaines. »

Waterhemp se produisant dans les habitats naturels, la fusion sablonneuse d’un lac dans le sud de l’Illinois. Crédit : Julia Kreiner, Université de la Colombie-Britannique

Notamment, cinq des sept mutations résistantes aux herbicides trouvées dans les échantillons actuels étaient absentes des échantillons historiques. « Les fermes modernes imposent un filtre puissant pour déterminer quelles espèces de plantes et quelles mutations peuvent persister dans le temps », a déclaré le Dr Kreiner. « En séquençant les gènes de la plante, les herbicides se sont imposés comme l’un des filtres agricoles les plus puissants pour déterminer quelles plantes survivent et lesquelles meurent. »

Le chanvre porteur de l’une des sept mutations résistantes aux herbicides a produit en moyenne 1,2 fois plus de descendants survivants par an depuis 1960 par rapport aux plantes qui n’ont pas les mutations.

Des mutations résistantes aux herbicides ont également été découvertes dans les habitats naturels, bien qu’à une fréquence plus faible, ce qui soulève des questions sur les coûts de ces adaptations pour la vie végétale en milieu non agricole. « En l’absence d’applications d’herbicides, la résistance peut en fait être coûteuse pour une plante, de sorte que les changements qui se produisent dans les fermes ont un impact sur la condition physique de la plante dans la nature », a déclaré le Dr Kreiner.

Les pratiques agricoles ont également remodelé là où des variantes génétiques particulières se trouvent dans le paysage. Au cours des 60 dernières années, une variété de mauvaises herbes du sud-ouest a fait une progression croissante vers l’est à travers l’Amérique du Nord, diffusant ses gènes dans les populations locales en raison de son avantage concurrentiel dans les contextes agricoles.

« Ces résultats mettent en évidence l’énorme potentiel de l’étude des génomes historiques pour comprendre l’adaptation des plantes à court terme », déclare le Dr Stephen Wright, co-auteur et professeur d’écologie et de biologie évolutive à l’Université de Toronto. « L’élargissement de cette recherche à des échelles et à des espèces élargira notre compréhension de la façon dont l’agriculture et le changement climatique entraînent une évolution rapide des plantes. »

« Comprendre le sort de ces variantes et comment elles affectent les plantes dans les populations « sauvages » non agricoles est une prochaine étape importante pour notre travail », selon le professeur John Stinchcombe de l’Université de Toronto, co-auteur de l’étude.

Référence : « Adaptation rapide des mauvaises herbes et expansion de l’aire de répartition en réponse à l’agriculture au cours des deux derniers siècles » par Julia M. Kreiner, Sergio M. Latorre, Hernán A. Burbano, John R. Stinchcombe, Sarah P. Otto, Detlef Weigel et Stephen I Wright, le 8 décembre 2022, La science.
DOI : 10.1126/science.abo7293


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