Les méthodes conventionnelles d'application des produits agrochimiques en agriculture, telles que la pulvérisation des cultures, sont confrontées à un sérieux problème d'inefficacité. On estime qu'une proportion significative, entre 30 et 50 pour cent, des pesticides, herbicides ou nutriments appliqués n'atteint pas du tout les plantes cibles. Au lieu de cela, ils sont dispersés dans l'air, se déposent sur le sol ou sont emportés par la pluie, ce qui entraîne une pollution de l'environnement, des dommages potentiels aux organismes non ciblés, y compris les insectes utiles et les micro-organismes du sol, et représente une perte financière considérable pour les agriculteurs. Ce gaspillage réduit non seulement l'efficacité de la protection des cultures et de la fertilisation, mais crée également des risques écologiques en contaminant les cours d'eau et les eaux souterraines.

À la recherche de solutions plus précises et durables, une équipe de chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) et leurs collaborateurs de Singapour ont développé une technologie innovante qui promet de révolutionner la manière dont les substances nécessaires sont fournies aux plantes. Leur approche utilise de minuscules aiguilles, appelées microaiguilles, fabriquées à partir de protéines de soie. Ces microaiguilles permettent l'injection directe et ciblée de produits agrochimiques, de vitamines et d'autres composés directement dans les tissus végétaux, contournant ainsi les problèmes liés à l'application externe.

Précision révolutionnaire grâce aux microaiguilles en soie

Les résultats de cette recherche, publiés dans la prestigieuse revue scientifique Nature Nanotechnology fin avril 2024, représentent une avancée significative dans la technologie agricole. La méthode développée permet la production de microaiguilles creuses en soie en grandes quantités, ce qui est crucial pour une application potentielle dans l'agriculture commerciale. Ces structures creuses peuvent transporter des quantités considérablement plus importantes de substances actives par rapport aux microaiguilles pleines antérieures, ouvrant ainsi la possibilité d'une application plus efficace.

Benedetto Marelli, professeur associé de génie civil et environnemental au MIT et responsable de la recherche, souligne la nécessité d'accroître l'efficacité en agriculture. "Les produits agrochimiques sont importants pour soutenir notre système alimentaire, mais ils sont aussi coûteux et ont des conséquences environnementales négatives. Il existe donc un grand besoin de les administrer avec précision", explique Marelli. La technologie des microaiguilles, initialement développée à des fins médicales telles que l'administration de vaccins aux humains, a maintenant été adaptée pour une utilisation sur les plantes, offrant une solution aux problèmes de longue date d'inefficacité et d'impact environnemental des méthodes traditionnelles.

La recherche a été dirigée par Yunteng Cao, actuellement chercheur postdoctoral à l'Université de Yale, et Doyoon Kim, ancien chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Marelli. Le projet impliquait également une collaboration avec le groupe de recherche interdisciplinaire Disruptive and Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP) de la Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART), le centre de recherche du MIT à Singapour. Le groupe DiSTAP se concentre précisément sur le développement de technologies avancées pour résoudre les problèmes clés de la production alimentaire mondiale.

Fabrication simple, grand potentiel

L'un des aspects clés de cette innovation est le processus étonnamment simple de fabrication des microaiguilles creuses. Contrairement à de nombreux procédés nanotechnologiques qui nécessitent des salles blanches coûteuses et des équipements spécialisés, Cao et Kim ont développé une méthode qui peut être réalisée dans des conditions beaucoup moins contrôlées.

Le processus commence par la combinaison de la protéine fibroïne de soie (la protéine structurelle clé de la soie) avec une solution saline à l'intérieur de minuscules moules de forme conique. Au fur et à mesure que l'eau de la solution s'évapore, la soie se solidifie à l'intérieur du moule, prenant sa forme. Simultanément, le sel forme des structures cristallines à l'intérieur de la future aiguille. Une fois la soie complètement durcie, le sel est éliminé par lavage, laissant derrière lui un intérieur creux ou, selon la concentration en sel et la séparation de phases, un réseau de pores minuscules à l'intérieur de l'aiguille. Cette cavité ou porosité est cruciale pour la capacité de la microaiguille à transporter et à délivrer des substances liquides.

"C'est un processus de fabrication assez simple. Il peut être réalisé en dehors d'une salle blanche - vous pourriez le faire dans votre cuisine si vous le vouliez", souligne Kim. "Il ne nécessite aucune machine coûteuse." Cette simplicité de production ouvre la voie à une plus grande disponibilité et à des coûts de mise en œuvre potentiellement inférieurs pour la technologie à l'avenir.

Traiter les plantes et enrichir les cultures

Pour démontrer l'efficacité de leur technologie, les chercheurs ont mené une série d'expériences sur des plants de tomates. L'un des objectifs était le traitement de la chlorose, une maladie causée par une carence en fer chez les plantes. La chlorose se manifeste par un jaunissement des feuilles en raison de l'incapacité de la plante à produire suffisamment de chlorophylle, ce qui peut réduire considérablement les rendements. Le problème est souvent prononcé dans les sols à pH élevé (sols alcalins, comme ceux riches en calcaire) ou dans les sols argileux lourds et mal drainés, où le fer, bien que présent, n'est pas sous une forme assimilable par les plantes. Le traitement traditionnel par pulvérisation de sulfate de fer ou de chélates est souvent inefficace et de courte durée, car la substance est difficilement absorbée par les feuilles ou est rapidement lessivée.

En utilisant leurs microaiguilles creuses en soie, l'équipe a appliqué avec succès du fer directement dans les tiges de tomates souffrant de chlorose. Les résultats ont montré que cette méthode permet une administration durable et prolongée de fer directement dans le système vasculaire de la plante, sans causer de dommages significatifs. Le co-auteur de l'étude, Daisuke Urano, phytologue de DiSTAP, a confirmé que des évaluations détaillées ont montré des effets négatifs minimes des injections de microaiguilles, sans conséquences observées à court ou à long terme sur la santé de la plante.

Une autre expérience significative a porté sur la biofortification - le processus d'augmentation de la valeur nutritionnelle des cultures pendant leur croissance. Alors que les efforts précédents se sont principalement concentrés sur des minéraux comme le zinc ou le fer, l'ajout de vitamines, en particulier celles qui ne se trouvent pas naturellement dans les plantes, représentait un défi plus important. La vitamine B12, essentielle à la santé humaine et principalement présente dans les produits d'origine animale, fait souvent défaut dans les régimes végétaliens et végétariens.

Les chercheurs ont utilisé des microaiguilles pour injecter de la vitamine B12 dans les tiges de plants de tomates en croissance. Les analyses ont confirmé par la suite que la vitamine était transportée avec succès dans toute la plante et s'accumulait dans les fruits de la tomate avant la récolte. Cette découverte ouvre de toutes nouvelles possibilités pour enrichir différents types de fruits et légumes en vitamines pendant la culture, les rendant ainsi plus précieux sur le plan nutritionnel. "Ce nouveau mécanisme d'administration ouvre de nombreuses applications potentielles, nous voulions donc faire quelque chose que personne n'avait fait auparavant", explique Marelli.

Surveillance de la santé des plantes en temps réel

Outre l'administration de substances, les microaiguilles en soie se sont également révélées utiles pour surveiller l'état de santé des plantes. Les techniques de surveillance avancées actuelles, telles que l'analyse de la couleur des feuilles (colorimétrie) ou l'analyse hyperspectrale, ne peuvent souvent détecter les problèmes que lorsque la croissance des plantes est déjà compromise. D'autres méthodes, comme l'échantillonnage de la sève des plantes, peuvent être invasives et chronophages.

L'équipe de recherche a exploré la possibilité d'utiliser des microaiguilles pour détecter les métaux lourds dans les plantes. Ils ont cultivé des tomates dans des solutions hydroponiques contaminées par du cadmium, un métal toxique souvent présent dans les sols proches des zones industrielles et minières. Après avoir injecté des microaiguilles dans les tiges des tomates, il s'est avéré que les aiguilles absorbaient le cadmium de la sève de la plante en seulement 15 minutes. Cela suggère que les microaiguilles pourraient être utilisées comme outil de diagnostic rapide pour détecter les contaminants.

De plus, les microaiguilles permettent de collecter de petits échantillons de sève végétale pour une analyse chimique continue. L'équipe a démontré la possibilité de surveiller les niveaux de cadmium dans les tomates sur une période de 18 heures, ce qui indique le potentiel de développement de systèmes de surveillance en temps réel de la santé des plantes et des conditions environnementales. De tels systèmes pourraient fournir des signaux d'alerte précoce pour le stress causé par la sécheresse, une carence en nutriments ou la présence de toxines, permettant une intervention rapide.

Nouveaux horizons pour une agriculture durable

Bien que les microaiguilles aient été appliquées manuellement dans le cadre de l'étude, Marelli et son équipe envisagent un avenir où ce processus pourrait être automatisé. L'intégration avec les machines agricoles existantes, telles que les véhicules autonomes, les tracteurs ou même les drones (bien que l'application par drone présente encore des défis techniques), pourrait permettre une application sur de grandes surfaces agricoles.

Les chercheurs estiment que la technologie des microaiguilles en soie pourrait compléter les pratiques agricoles existantes, offrant une alternative ou un complément plus précis et plus respectueux de l'environnement à la pulvérisation. En réduisant la quantité de produits agrochimiques utilisés et en les appliquant de manière ciblée, le risque de pollution environnementale est réduit, de l'argent est économisé et l'efficacité des traitements et de la fertilisation est potentiellement accrue.

Il est important de noter que le potentiel de cette technologie s'étend au-delà de l'agriculture. "Cette nouvelle technique de fabrication de microaiguilles en polymère pourrait également bénéficier à la recherche sur l'administration transdermique et intradermique de médicaments et la surveillance de la santé chez l'homme", déclare Cao. Les propriétés de la soie en tant que matériau biocompatible et biodégradable la rendent attrayante pour diverses applications biomédicales.

Cependant, l'objectif principal reste actuellement la transformation de l'agriculture vers des pratiques plus durables. "Nous voulons maximiser la croissance des plantes sans nuire à la santé de l'exploitation agricole ou à la biodiversité des écosystèmes environnants", conclut Marelli. "Il ne devrait pas y avoir de compromis entre l'industrie agricole et l'environnement. Ils devraient travailler ensemble." Le développement de technologies de précision comme les microaiguilles en soie représente une étape cruciale vers la réalisation de cette vision, où la productivité et la responsabilité environnementale se soutiennent mutuellement.

Source : Massachusetts Institute of Technology