L’équipe de recherche de l’Institut de génétique et de biologie du développement (IGDB) de l’Académie chinoise des sciences a publié une étude dans la revue Cell, révélant pour la première fois la structure tridimensionnelle ultramicroscopique des pores des vaisseaux du riz et identifiant un module de régulation clé, MYB61-PS1. Ce module influence l’efficacité du transport de l’eau et de l’azote du riz en contrôlant précisément la morphologie tridimensionnelle des pores des vaisseaux, ce qui améliore significativement le rendement en grains.

Les pores des vaisseaux sont de petites ouvertures dans la paroi cellulaire des faisceaux vasculaires des plantes, dont la géométrie affecte indirectement le rendement des cultures en influençant le transport de l’eau et la migration de l’azote. L’équipe de recherche a observé, à l’aide de la microscopie électronique à balayage, des variations importantes dans la taille des pores des vaisseaux dans les ressources génétiques du riz. Grâce à une analyse d’association à l’échelle du génome, ils ont identifié PS1 comme le gène principal du locus de caractère quantitatif (QTL) contrôlant la taille des pores. PS1 code une enzyme de désacétylation du xylane, et son mécanisme de régulation de la taille des pores a été validé par des expériences génétiques.

Pour analyser en profondeur la structure fine des pores façonnée par les allèles de PS1, les chercheurs ont reconstruit la structure tridimensionnelle complète des pores à l’échelle nanométrique à l’aide de la technologie de microscopie électronique à balayage par faisceau d’ions focalisés, révélant que la cavité des pores présente une courbure complexe, la partie la plus étroite (l’orifice des pores) étant déterminante pour l’efficacité du transport de l’eau. L’étude a montré que PS1 Hap2 (haplotype 2) forme un orifice de pore plus petit que PS1 Hap1 (haplotype 1), ce qui se traduit par une efficacité de transport de l’eau plus élevée.

Des tests fonctionnels supplémentaires ont montré que PS1 Hap2, en raison d’une variation d’acide aminé (V163A), présente une activité de désacétylation plus forte, produisant du xylane à faible degré d’acétylation. Ce xylane se lie plus étroitement à la cellulose, favorisant un arrangement dense des nanofibres de cellulose à la frontière des pores des vaisseaux, ce qui conduit à une structure de pores avec un orifice plus petit. Les expériences de traitement à l’azote ont révélé que les plants de riz porteurs de PS1 Hap2 présentaient une amélioration significative de l’efficacité du transport de l’azote sous différentes conditions, entraînant une augmentation du rendement en grains, confirmant ainsi son statut d’haplotype supérieur.

L’analyse du réseau d’haplotypes a révélé une différenciation marquée de PS1 entre les sous-espèces indica et japonica du riz : Hap2 est fréquemment utilisé dans les variétés modernes de riz indica, mais rarement dans l’élevage du riz japonica. L’introduction génétique de PS1 Hap2 dans les variétés japonica « Wuyujing 3 » et « Wujingjing » a significativement augmenté le rendement en grains, démontrant son grand potentiel pour l’amélioration variétale.

De manière inattendue, l’étude a découvert que le processus de régulation de la taille des pores par PS1 pour le transport de l’azote est contrôlé par MYB61 (gène QTL de l’efficacité d’utilisation de l’azote). La superposition des allèles supérieurs de MYB61 et de PS1 peut optimiser davantage la géométrie des pores des vaisseaux, augmentant ainsi le rendement du riz de manière plus significative.