Comment la Chine crée de nouveaux aliments dans l'espace

Tereza Pultarova, BBC Future

L'envoi de graines pour de courts voyages dans l'espace aide les scientifiques à développer de nouvelles variétés de cultures qui peuvent prospérer dans un climat changeant et contribuer à nourrir la population mondiale croissante.

A première vue, ils sont identiques à tous les autres épis de blé qui se balancent au vent dans le monde entier. Mais les vastes champs de cultures du nord-est de la Chine ne sont pas des plantes ordinaires - ils ont été créés dans l'espace.

Il s'agit d'une variété connue sous le nom de Luyuan 502, qui est la deuxième variété de blé la plus cultivée en Chine.

Les plantes ont été sélectionnées à partir de graines placées en orbite à 340 km au-dessus de la surface de la Terre.

Dans cet environnement unique de faible gravité et en dehors du bouclier magnétique protecteur de notre planète, elles ont subi de subtiles modifications de l'ADN qui leur ont conféré de nouvelles qualités, les rendant plus tolérantes à la sécheresse et capables de mieux résister à certaines maladies.

Ils sont un exemple du nombre croissant de nouvelles variétés de cultures alimentaires importantes qui sont sélectionnées dans les vaisseaux et les stations spatiales en orbite autour de notre planète.

Elles y sont soumises à la microgravité et sont bombardées par des rayons cosmiques, qui déclenchent des mutations chez les plantes - un processus connu sous le nom de mutagenèse spatiale.

Si certaines de ces mutations empêchent les plantes de pousser, d'autres peuvent être avantageuses.

Certaines deviennent plus rustiques et capables de résister à des conditions de croissance plus extrêmes, tandis que d'autres produisent plus de nourriture à partir d'une seule plante, poussent plus vite ou nécessitent moins d'eau.

Une fois ramenées sur Terre, les graines de ces plantes sélectionnées dans l'espace font l'objet d'un examen minutieux et d'une sélection plus poussée afin de créer des versions viables de cultures populaires.

Dans un monde confronté à une pression croissante sur l'agriculture en raison du changement climatique et de la vulnérabilité des chaînes d'approvisionnement, qui ont souligné la nécessité de cultiver les plantes plus près de l'endroit où elles sont consommées, certains chercheurs pensent désormais que la sélection spatiale, également appelée mutagenèse spatiale, pourrait les aider à adapter les cultures à ces nouveaux défis.

"La mutagenèse spatiale produit de belles mutations", déclare Liu Luxiang, le principal expert chinois en mutagenèse spatiale et directeur du Centre national de mutagenèse spatiale pour l'amélioration des cultures à l'Institut des sciences des cultures de l'Académie chinoise des sciences agricoles à Pékin.

Luyuan 502, par exemple, a un rendement supérieur de 11 % à celui de la variété de blé standard cultivée en Chine, une meilleure tolérance à la sécheresse et une plus forte résistance aux parasites du blé les plus courants, selon l'Agence internationale de l'énergie atomique, qui coordonne la coopération internationale dans l'utilisation de techniques basées sur l'irradiation pour la création de nouveaux types de cultures.

"[Luyuan 502] est une véritable réussite", déclare Liu. "Elle a un potentiel de rendement et une adaptabilité très élevés. Elle peut être cultivée dans de nombreuses régions aux conditions différentes."

C'est cette adaptabilité qui fait de la Luyuan 502 un tel succès auprès des agriculteurs à travers les paysages agricoles très diversifiés et le climat varié de la Chine.

Selon M. Liu, il s'agit de l'une des plus de 200 variétés de cultures ayant subi des mutations spatiales créées en Chine au cours des 30 dernières années.

Outre le blé, les scientifiques chinois ont produit des variétés spatiales de riz, de maïs, de soja, de luzerne, de sésame, de coton, de pastèques, de tomates, de poivrons et d'autres types de légumes.

La Chine expérimente la mutagenèse spatiale depuis 1987 et est le seul pays au monde à utiliser régulièrement cette technique.

Depuis lors, elle a mené des dizaines de missions pour transporter des semences de cultures en orbite.

Les scientifiques chinois ont mis en circulation la première plante cultivée dans l'espace - un type de poivron appelé Yujiao 1 - en 1990.

Selon M. Liu, par rapport aux variétés de poivrons classiques cultivées en Chine, Yujiao 1 produit des fruits beaucoup plus gros et résiste mieux aux maladies.

L'émergence de la Chine en tant que puissance spatiale mondiale au cours des dernières décennies lui a permis d'envoyer des milliers de graines en orbite.

En 2006, le pays a expédié en orbite le plus gros lot jamais envoyé - plus de 250 kg de graines et de micro-organismes de 152 espèces - à bord du satellite Shijian 8.

En mai de cette année, 12 000 graines, dont plusieurs types d'herbe, d'avoine, de luzerne et de champignons, sont revenues d'un séjour de six mois dans la station spatiale chinoise Tianhe dans le cadre de la mission Shenzhou 13 avec équipage.

Les Chinois ont même envoyé un lot de graines de riz pour un aller-retour lunaire avec la mission Chang'e-5 qui a posé un atterrisseur sur la surface de la Lune en novembre 2020.

Selon les informations chinoises, ces graines de riz lunaire ont produit avec succès des grains en laboratoire après leur retour sur Terre.

"Nous bénéficions du solide programme spatial de la Chine", déclare Liu. "Nous pouvons utiliser des satellites récupérables, des plateformes à haute altitude mais aussi des engins spatiaux habités pour envoyer nos graines dans l'espace jusqu'à deux fois par an et utiliser ces utilitaires spatiaux pour améliorer les cultures."

Les semences sont envoyées pour des voyages qui durent de quatre jours seulement à plusieurs mois.

Dans cet environnement inhabituel, les graines et les plantes peuvent subir un certain nombre de changements.

Tout d'abord, les rayonnements solaires et cosmiques à haute énergie peuvent endommager le matériel génétique des graines elles-mêmes, entraînant des mutations ou des aberrations chromosomiques qui sont transmises aux générations futures.

L'environnement à faible gravité pourrait également entraîner d'autres changements.

Les plantes qui germent et sont cultivées en microgravité présentent des changements dans la forme des cellules et l'organisation des structures à l'intérieur des cellules elles-mêmes.

Dans la plupart des cas, les scientifiques chinois envoient les graines dans l'espace et les font germer au sol une fois de retour sur Terre.

Les plantules sont ensuite examinées pour détecter les caractéristiques utiles qui offrent un avantage par rapport aux variétés de cultures plus traditionnelles.

Les scientifiques recherchent les mutations qui permettent d'obtenir des fruits plus gros, des besoins en eau moindres, de meilleurs profils nutritifs, une résistance aux températures élevées et basses ou une résistance aux maladies.

Dans certains cas, des mutations rares peuvent conduire à des percées dans le rendement ou la résistance des cultures.

Sur Terre, nous sommes protégés des rayons à haute énergie par le champ magnétique et l'atmosphère épaisse de la Terre, mais en orbite, les vaisseaux spatiaux et les satellites sont constamment exposés à ces rayonnements.

Les plantes les plus prometteuses font l'objet d'une sélection supplémentaire, jusqu'à ce que les chercheurs parviennent à une variante sensiblement améliorée, capable de répondre aux besoins des agriculteurs.

La Chine, bien qu'elle soit actuellement à la pointe de la mutagenèse spatiale, n'a pas été la première nation à expérimenter le croisement spatial.

La technique remonte à certaines des premières expériences menées par des scientifiques américains et soviétiques à l'aide de cellules de carotte lancées en orbite à bord du satellite soviétique Kosmos 782.

L'approche repose sur les mêmes principes que la mutagenèse nucléaire, qui existe depuis la fin des années 1920.

La mutagenèse nucléaire accélère les processus de mutation naturels dans l'ADN des organismes vivants en les exposant à des radiations.

Mais alors que la mutagénèse nucléaire utilise des rayons gamma, des rayons X et des faisceaux ioniques provenant de sources terrestres, la mutagénèse spatiale repose sur le bombardement par les rayons cosmiques qui peuplent l'espace autour de notre planète.

Sur Terre, nous sommes protégés de ces rayons à haute énergie par le champ magnétique de la Terre et son épaisse atmosphère, mais en orbite, les vaisseaux spatiaux et les satellites sont constamment exposés à ces rayonnements, qui proviennent principalement du Soleil.

La mutagenèse spatiale et nucléaire peut contribuer à réduire de moitié le temps de développement de nouvelles variétés de cultures, selon Shoba Sivasankar, qui dirige le groupe conjoint de génétique et d'amélioration des plantes de l'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA) et de l'Organisation des Nations unies pour l'alimentation et l'agriculture (FAO).

Les laboratoires nucléaires de l'AIEA, situés à Seibersdorf, à 35 km au sud-est de Vienne, en Autriche, constituent la plaque tournante mondiale et le centre de formation pour la mutagenèse nucléaire.

Les pays coopérants qui ne possèdent pas leurs propres installations nucléaires envoient leurs graines, leurs boutures de plantes ou leurs jeunes plants à l'équipe de Sivasankar pour irradiation.

"L'irradiation des graines ne prend que quelques minutes, mais elle nécessite des connaissances et une expertise suffisantes", explique M. Sivasankar.

"Chaque variété a une tolérance différente. Donnez aux graines une dose trop élevée, gardez-les trop longtemps dans l'irradiateur, et vous les détruisez. Elles ne germeront pas. Si vous ne leur donnez pas assez de rayonnement, vous ne générerez pas assez de mutations et vous vous retrouverez avec une génération qui ressemblerait à ses prédécesseurs."

La Division mixte FAO/AIEA des applications nucléaires dans l'alimentation et l'agriculture, dont fait partie le groupe "Sélection et génétique des plantes", a été fondée en 1964.

À la fin des années 1920, des expériences utilisant les rayons X pour induire des mutations dans le blé, le maïs, le riz, l'avoine et l'orge, ont suscité l'intérêt des botanistes du monde entier.

Dans les années 1950, la plupart des pays développés avaient leurs programmes de sélection nucléaire et expérimentaient non seulement les rayons X, mais aussi les rayons UV et les rayons gamma.

"À l'époque, de nombreux efforts ont été déployés en Europe et en Amérique du Nord", explique Sivasankar.

"De nombreuses nouvelles variétés créées à l'aide de la mutagenèse nucléaire ont été diffusées. Mais au cours des deux ou trois dernières décennies, beaucoup de ces pays ont abandonné cette technique. Les États-Unis, en particulier, se sont tournés vers les technologies transgéniques qui permettent d'insérer des morceaux d'ADN étranger dans le génome des plantes en laboratoire." La mutagénèse nucléaire n'a cependant pas disparu. Les pays de la région Asie-Pacifique ont maintenu l'élan, avec à leur tête une Chine de plus en plus confiante. Ils continuent de remplir la base de données de l'AIEA sur les variétés végétales mutantes, qui compte aujourd'hui 3 300 variétés végétales nouvellement développées. Selon M. Sivasankar, si pour certains des pays asiatiques les plus pauvres, le coût élevé des technologies transgéniques a pu être la principale motivation pour s'en tenir à la mutagenèse nucléaire, il existe des raisons plus pratiques de continuer à utiliser cette technique abandonnée par l'Occident. "Par exemple, le secteur de l'agriculture industrielle américaine donne la priorité à une poignée de traits tels que la résistance aux insectes et aux herbicides", explique M. Sivasankar. "Les technologies transgéniques fonctionnent assez bien pour cela. Mais dans les pays asiatiques, la situation est très différente." Les sélectionneurs asiatiques produisent des semences pour de nombreux petits agriculteurs qui travaillent dans des environnements extrêmement variés. Modifier un ou deux traits seulement ne serait pas suffisant. "Ils ont besoin de traits plus complexes, dont beaucoup sont liés à la situation climatique, comme la tolérance à la chaleur et à la sécheresse ou la capacité à pousser dans des sols pauvres en nutriments ou salins", explique Sivasankar. "Cela, à mon avis, ne peut pas être réalisé avec des technologies transgéniques".

Selon Liu et son équipe, le monde doit augmenter sa production de céréales vitales de 70 % s'il veut nourrir les deux milliards de personnes supplémentaires qui devraient vivre sur la planète d'ici à 2050.

La Chine considère l'effort d'amélioration du patrimoine génétique de ses cultures agricoles comme une nécessité.

Selon Liu et son équipe, le monde doit augmenter de 70 % sa production de céréales essentielles s'il veut nourrir les deux milliards de personnes supplémentaires qui devraient vivre sur la planète d'ici 2050.

La population croissante de la région Asie-Pacifique est celle qui risque le plus de souffrir de pénuries alimentaires, affirment-ils.

Selon l'AIEA, grâce à la mutagenèse nucléaire et spatiale, la Chine a développé et introduit à elle seule plus de 800 nouvelles variétés, améliorant toutes les caractéristiques essentielles par rapport aux cultures d'origine.

Mais une question demeure : quel est l'avantage d'envoyer des semences dans l'espace alors que la même chose peut être faite dans des laboratoires au sol ?

M. Liu admet que l'envoi de graines dans l'espace coûte plus cher que de les placer dans des irradiateurs au sol.

Pourtant, les voyages dans l'espace semblent présenter des avantages évidents et produisent fréquemment des résultats plus intéressants.

"Nous constatons en fait une plus grande fréquence de mutations utiles par la mutagenèse spatiale que par les rayons gamma", déclare Liu.

"Dans l'espace, l'intensité du rayonnement est considérablement plus faible, mais les graines y sont exposées pendant une période beaucoup plus longue. Ce que nous appelons la transmission linéaire de l'énergie des particules et l'effet biologique global sont plus élevés dans l'espace, et le taux d'endommagement des graines est beaucoup plus faible que celui des graines irradiées en laboratoire."

Dans un irradiateur, les graines reçoivent de fortes doses d'ionisation - de 50 à 400 grays - sur une période de quelques secondes, explique Liu.

En revanche, les graines qui effectuent un voyage d'une semaine dans l'espace ne sont exposées qu'à deux milligrays.

En conséquence, jusqu'à 50 % des graines ne survivent pas au traitement au sol, alors que la quasi-totalité des graines transportées dans l'espace germent généralement, ajoute-t-il.

"Toutes ces techniques sont très utiles et nous aident à résoudre des problèmes très concrets", déclare Liu. "Les occasions de faire voler des graines dans l'espace sont trop rares. Nous ne pouvons pas nous reposer uniquement sur cela."

Il semble maintenant qu'il y ait un regain d'intérêt de la part d'autres parties du monde pour la culture de nourriture dans l'espace.

En novembre 2020, la société américaine de services spatiaux commerciaux NanoRacks a annoncé son intention d'exploiter des serres en orbite.

Leur objectif ? Développer de nouvelles variétés de cultures qui seraient mieux adaptées pour nourrir le monde face à l'aggravation du changement climatique.

Pour cette entreprise, la société, connue pour envoyer de petits satellites depuis la Station spatiale internationale, s'est associée aux Émirats arabes unis, un pays disposant de peu de terres arables, ce qui signifie qu'il doit importer une grande partie de la nourriture dont il a besoin.

Cependant, toutes les graines ne reviennent pas de l'espace sous forme de super plantes naissantes.

Un lot de graines de laitue envoyé à la Station spatiale internationale par des scientifiques européens en 2020 a poussé plus lentement après son retour sur Terre, par rapport aux plantes restées au sol.

Une grande partie des recherches actuellement menées sur la culture d'aliments dans l'espace vise à aider les astronautes à se nourrir pendant leurs missions.

Les astronautes de l'ISS, par exemple, récoltent de la laitue romaine depuis 2015 et la mangent, et une étude publiée en 2020 a révélé qu'elle pouvait être consommée sans danger et qu'elle pouvait constituer une source précieuse de nutriments lors de longues missions.

Mais si la culture d'aliments pour les astronautes pourrait s'avérer précieuse alors que les agences spatiales du monde entier se fixent pour objectif de ramener des humains sur la Lune et de visiter d'autres planètes comme Mars, la nourriture spatiale sera peut-être encore plus utile pour ceux d'entre nous qui restent ici sur Terre.