Des racines profondes ont aidé le maïs à conquérir la Méso-Amérique

Selon une étude menée par des chercheurs de l'Université Penn State, des racines plus profondes et plus efficaces sont apparues lors de la domestication du maïs dans la vallée de Tehuacán au Mexique.

La recherche a combiné des analyses génétiques d’échantillons archéologiques, des données paléoclimatiques et des simulations numériques de la croissance des racines pour comprendre comment le maïs s’est adapté aux environnements agricoles changeants au cours des 18 XNUMX dernières années.

La domestication influencée par l'environnement

O maïs (Zea mays) a été domestiquée à partir de téosinte il y a environ 9 XNUMX ans. Au cours de ce processus, les modifications des racines de la plante ont été fondamentales pour son adaptation.

Les scientifiques ont observé trois modifications principales : une augmentation du nombre de racines séminales (SRN), une réduction du nombre de racines nodales (NRN) et le développement d'un sclérenchyme cortical multisérié (MCS), une structure qui renforce les racines.

Grâce au modèle OpenSimRoot, les chercheurs ont simulé la croissance racinaire à différentes périodes historiques, en tenant compte des changements climatiques, de la composition des sols et des pratiques agricoles telles que l'irrigation. La modélisation a permis d'estimer quand et pourquoi ces changements se sont produits.

Changements environnementaux

Il y a 12 8 à XNUMX XNUMX ans, les niveaux de dioxyde de carbone ont augmenté, favorisant la sélection de racines présentant un NRN et un MCS plus faibles, favorisant ainsi une plus grande profondeur d'enracinement.

Il y a environ 6 XNUMX ans, avec l'introduction de l'irrigation dans la vallée de Tehuacán, la répartition de l'azote dans le sol s'est déplacée des couches superficielles vers les couches plus profondes. Ce processus a coïncidé avec l'apparition de sols dégradés par l'agriculture intensive et l'érosion.

Des simulations ont démontré que les racines présentant un NRN plus faible et un MCS plus élevé explorent mieux les sols plus profonds. La combinaison de ces deux caractéristiques a commencé à conférer des avantages compétitifs au maïs dès 8 XNUMX ans.

Augmentation des racines séminales

Bien que le poids des graines de maïs était déjà suffisant pour soutenir des racines séminales supplémentaires il y a 6 3.500 ans, les données génétiques indiquent que l'augmentation du SRN s'est produite il y a environ XNUMX XNUMX ans.

Cette période coïncide avec la croissance démographique de la région, une dépendance accrue à l'agriculture et la dégradation des sols. Les racines séminales, qui utilisent les réserves de graines pour se développer, sont avantageuses dans les sols pauvres en azote et en phosphore.

L'étude a analysé la fréquence des variants génétiques associés au SRN dans des échantillons de maïs anciens. Les gènes Zm00001d021572 et BIGE1, par exemple, présentaient des variations typiques du maïs moderne uniquement dans des échantillons datant de plus de 3.500 XNUMX ans.

Scénarios passés et futurs

L'équipe a simulé le développement racinaire de la téosinte, du maïs moderne et des hybrides intermédiaires dans différents environnements dans le passé et également dans des scénarios futurs.

Autrefois, la téosinte était la plante la plus performante entre 18 10 et 8 XNUMX ans. À partir de XNUMX XNUMX ans, le maïs à racines profondes est devenu plus efficace, notamment dans les environnements irrigués et les sols dégradés.

Dans le scénario futur, les racines du maïs ont tendance à pousser encore plus profondément, environ 30 cm, en réponse à la plus grande rareté de l’eau dans le sol.

Séquence évolutive confirmée

Les simulations ont indiqué la séquence probable suivante de l'évolution des racines : d'abord, la réduction du nombre de NRN et l'émergence de MCS (entre 12 8 et 6 3.500 ans), puis l'augmentation du poids des graines (environ XNUMX XNUMX ans), et enfin, l'augmentation du SRN (XNUMX XNUMX ans).

L'azote a été identifié comme le facteur environnemental le plus important pour la croissance des racines modernes. Les adaptations racinaires ont permis au maïs de mieux utiliser l'azote en profondeur, notamment dans les sols appauvris par les anciennes pratiques agricoles.

Contribution méthodologique

Il s'agit de l'une des premières études à utiliser la modélisation fonctionnelle et structurale tridimensionnelle pour reconstituer l'évolution des racines des plantes cultivées. Cette approche nous a permis de simuler des environnements anciens et de tester la performance de différentes combinaisons de racines aujourd'hui disparues chez les populations actuelles.

S'appuyant sur des données ADN anciennes, des profils de sol, des archives archéologiques et un climat reconstitué, l'ouvrage montre comment les innovations fondamentales ont émergé en réponse aux premiers changements agricoles et environnementaux en Méso-Amérique.

Plus d'informations sur doi.org/10.1111/nph.70245