Un revêtement antibactérien pulvérisable offre une nouvelle protection aux plantes contre les maladies et la sécheresse.
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Des ingénieurs de l'Université de Californie à San Diego ont mis au point un revêtement polymère pulvérisable qui pourrait aider les plantes à résister aux infections bactériennes et à survivre à la sécheresse. Cette avancée, publiée dans la revue ACS Materials Letters , pourrait contribuer à renforcer la sécurité alimentaire mondiale face à l'intensification des pressions environnementales qui accentuent le développement des maladies chez les plantes.
Les infections bactériennes constituent une menace croissante pour l'agriculture, contribuant à d'importantes pertes de récoltes à l'échelle mondiale. Ces infections, causées par des bactéries Gram-négatives et Gram-positives, provoquent des maladies dévastatrices des plantes telles que le flétrissement, le mildiou, la tache et le chancre. La hausse des températures favorise également l'expansion des agents pathogènes vers de nouvelles régions. Par conséquent, les cultures sont de plus en plus exposées à diverses infections.
Pour relever ce défi, des chercheurs des laboratoires de Jon Pokorski et Nicole Steinmetz, tous deux professeurs au département de génie chimique et nano de la famille Aiiso Yufeng Li de l'école d'ingénierie Jacobs de l'UC San Diego, et membres du centre de recherche en sciences et ingénierie des matériaux (MRSEC) de l'UC San Diego, ont uni leurs forces pour développer un revêtement antibactérien pouvant être pulvérisé directement sur les feuilles des plantes.
Le revêtement est composé d'un polymère synthétique spécialement conçu, dont la structure contient des groupements chimiques chargés positivement, dotés de propriétés antibactériennes. Ces groupements chargés positivement perturbent les membranes cellulaires bactériennes, ce qui le rend efficace contre un large éventail de microbes pathogènes.
La création de ce revêtement par pulvérisation — et son caractère respectueux des plantes — a été rendue possible grâce à la modification d'une méthode de synthèse de polymères courante afin qu'elle fonctionne dans des conditions douces et aqueuses.
« Généralement, les polymères sont synthétisés à l'aide de solvants organiques toxiques pour les plantes », explique Luis Palomino, doctorant en génie chimique et nanotechnologique au sein du laboratoire de Pokorski et co-premier auteur de l'étude. « Notre approche originale consiste à synthétiser le polymère dans un milieu tampon aqueux. Cela nous a permis de mettre au point une formulation à pulvériser plus biocompatible avec les plantes. Il nous suffit de dissoudre le polymère à la concentration adéquate dans l'eau et de le pulvériser. »
Grâce à cette méthode modifiée, les chercheurs ont produit un polymère, le polynorbornène, perméable aux gaz. Cette propriété est essentielle pour permettre aux feuilles de la plante de continuer à respirer et à croître normalement.
Patrick Opdensteinen, chercheur postdoctoral à l'école d'ingénierie Jacobs de l'UC San Diego et co-premier auteur de l'étude, infecte une feuille de plante avec des bactéries.
Le revêtement a été pulvérisé sur les feuilles de Nicotiana benthamiana , une plante modèle couramment utilisée en laboratoire et en agriculture moléculaire végétale (production de molécules à haute valeur ajoutée par les plantes). Il a protégé les plantes vivantes contre l'infection par Agrobacterium . Testé sur des feuilles individuelles en boîtes de Petri, le revêtement a inhibé la croissance de bactéries Gram-négatives et Gram-positives, telles qu'Escherichia coli et Staphylococcus aureus .
Une découverte surprenante a été que « la couverture complète des feuilles n'était pas nécessaire pour obtenir une protection », a déclaré Patrick Opdensteinen, co-premier auteur de l'étude et chercheur postdoctoral au sein du laboratoire de Steinmetz. « Il suffit de pulvériser une petite partie de la feuille pour conférer une immunité bactérienne à toute la plante. C'est un résultat vraiment formidable. »
Les chercheurs pensent que cette protection de la plante entière pourrait résulter d'une réponse systémique au stress. Les feuilles traitées ont brièvement présenté une légère augmentation du peroxyde d'hydrogène, une molécule de signalisation naturelle produite par les plantes en réponse au stress. Cette réponse a diminué avec le temps et les plantes sont restées saines tout au long de l'étude. Les chercheurs émettent l'hypothèse que ce bref signal de stress pourrait activer une réponse de défense plus large au sein de la plante.
Un autre résultat a montré que les plantes traitées présentaient également une meilleure tolérance à la sécheresse. Après quatre jours de privation d'eau, les plantes pulvérisées sont restées plus vigoureuses et ont moins flétri que les plantes non traitées. Les chercheurs supposent que le revêtement polymère pourrait agir comme une barrière physique réduisant la perte d'eau, tout en induisant des mécanismes de réponse au stress au niveau moléculaire qui augmentent la résistance à la sécheresse.
Les travaux en cours permettront d'approfondir les mécanismes sous-jacents à la résistance bactérienne et à la sécheresse de la plante entière. L'équipe s'attachera également à améliorer la biodégradabilité et à évaluer la toxicité en vue d'une application future sur le terrain.
« Nous espérons utiliser cette technologie sur le terrain au bénéfice de l'agriculture, et il s'agit d'une première étape », a déclaré Opdensteinen. « Le potentiel pour la protection des plantes est considérable. »