Dans le monde de l'agriculture, où l'on est constamment à la recherche d'innovations susceptibles d'augmenter les rendements et d'assurer la sécurité alimentaire, les scientifiques ont porté leur attention sur un groupe d'éléments dont le potentiel est resté entouré de mystère pendant des décennies. Il s'agit des lanthanides, une classe de métaux des terres rares qui, dans certaines parties du monde, notamment en Chine, sont depuis longtemps ajoutés aux engrais dans le but de stimuler la croissance des plantes. Malgré leur utilisation généralisée sur des millions d'hectares de terres arables, les mécanismes fondamentaux de leur action sur les plantes sont restés largement inconnus. Le manque de compréhension de la manière dont les plantes absorbent ces éléments et de leur influence sur des processus biologiques clés, comme la photosynthèse, a constitué un obstacle majeur à leur utilisation optimisée et consciente. Cependant, une récente découverte scientifique réalisée par des chercheurs du prestigieux Massachusetts Institute of Technology (MIT) jette un éclairage entièrement nouveau sur cette problématique, ouvrant la voie à de nouvelles stratégies pour renforcer la résilience des cultures et améliorer la croissance des semis.

Révéler l'interaction moléculaire : Les lanthanides au cœur de la chlorophylle

Une équipe de chercheurs, dirigée par le professeur associé Benedetto Marelli et le chercheur postdoctoral Giorgio Rizzo, a mené une étude exhaustive dont les résultats ont été publiés dans la prestigieuse revue scientifique Journal of the American Chemical Society. Leurs travaux fournissent les premières preuves concrètes de la manière dont les lanthanides agissent au sein des cellules végétales. La découverte clé réside dans leur interaction avec la chlorophylle, le pigment indispensable à la photosynthèse – le processus par lequel les plantes transforment la lumière du soleil en énergie chimique. Au centre même de la molécule de chlorophylle se trouve un ion magnésium, dont la perte entraîne la dégradation du pigment et une réduction de sa capacité à absorber la lumière. Les scientifiques du MIT ont découvert que les lanthanides peuvent occuper la place laissée vacante par le magnésium. Ce processus, qu'ils ont baptisé "reverdissement" (re-greening), permet aux molécules de chlorophylle de restaurer partiellement leurs propriétés optiques et leur stabilité. Il a été établi que les lanthanides forment ce que l'on appelle des "complexes sandwich" avec la chlorophylle, où l'ion lanthanide se lie au cycle porphyrinique, remplaçant le magnésium et renforçant ainsi la structure du pigment. Cette connaissance est d'une importance fondamentale car elle explique pourquoi et comment ces éléments peuvent avoir un effet positif sur la santé de la plante au niveau moléculaire.

Un super-pouvoir inattendu : Protection contre les rayons UV nocifs

L'un des résultats les plus significatifs et totalement inattendus de cette étude est la découverte que les lanthanides peuvent augmenter considérablement la résistance des plantes aux rayonnements ultraviolets (UV). À l'ère du changement climatique, où les cultures agricoles sont de plus en plus exposées à des conditions météorologiques extrêmes, y compris des périodes prolongées de rayonnement solaire intense, cette découverte a un potentiel énorme. La chlorophylle est un pigment extrêmement sensible qui, en dehors de la structure cellulaire protégée, se dégrade rapidement. Cependant, l'équipe de recherche a montré que la chlorophylle, lorsqu'elle est complexée avec un lanthanide en son centre, devient étonnamment stable, même après son extraction des cellules végétales. Cette stabilité accrue offre aux plantes une sorte de bouclier naturel contre le stress UV. Les méthodes actuelles de protection des cultures contre les rayons UV reposent souvent sur l'application d'agrochimiques pulvérisés sur les feuilles. De tels produits peuvent être toxiques, contribuer à la pollution par les microplastiques et nécessiter de multiples applications au cours de la saison. Le traitement aux lanthanides offre une approche complémentaire, et potentiellement plus respectueuse de l'environnement, réduisant le besoin de produits de protection conventionnels.

De la semence à la récolte : Une nouvelle méthode d'application plus efficace

Un défi de longue date dans l'utilisation des lanthanides a été de trouver le bon équilibre – de faibles concentrations stimulent la croissance, tandis que des concentrations élevées peuvent être toxiques. Le problème est encore compliqué par le fait que l'on ne sait pas exactement comment les plantes absorbent ces éléments du sol. Les chercheurs du MIT ont contourné ce problème en appliquant une technologie innovante de traitement des semences qu'ils avaient développée auparavant. En appliquant une dose unique et extrêmement faible de lanthanides à l'échelle nanométrique directement sur la semence, ils ont obtenu des effets positifs significatifs. Cette méthode garantit que les éléments bénéfiques sont disponibles pour la plante dès le début de son développement. Les analyses ont montré que les lanthanides s'accumulent principalement dans les racines de la plante, mais qu'une quantité plus faible, mais significative, est également transportée vers les feuilles. Là, elle est incorporée dans les molécules de chlorophylle nouvellement formées, contribuant ainsi directement à la santé et à la résilience de la plante. L'efficacité de cette approche a été confirmée sur une série de cultures agricoles clés, notamment les pois chiches, l'orge, le maïs et le soja, ce qui indique la large applicabilité de cette technologie.

Le potentiel économique et écologique d'un métal mis au rebut

L'étude a également des implications importantes pour le marché mondial des métaux des terres rares. Les chercheurs ont découvert que les éléments les plus grands du groupe des lanthanides, comme le lanthane (La), sont plus efficaces pour renforcer les pigments de chlorophylle. Le lanthane, ironiquement, est considéré comme un sous-produit de faible valeur dans le processus d'extraction des terres rares et représente souvent un fardeau pour la chaîne d'approvisionnement car il doit être séparé des éléments plus recherchés et plus chers comme le néodyme ou le dysprosium. La création d'une nouvelle demande massive pour le lanthane dans l'agriculture pourrait fondamentalement changer l'économie de l'extraction des terres rares. Cela améliorerait non seulement la stabilité de l'ensemble de la chaîne d'approvisionnement, mais encouragerait également le recyclage et l'utilisation d'éléments qui étaient jusqu'à présent considérés comme moins utiles. "Cette étude montre ce que nous pourrions faire avec ces métaux de moindre valeur", souligne le professeur Marelli, en insistant sur le fait que la recherche s'est concentrée précisément sur le lanthane en tant qu'ion lanthanide le plus abondant et le moins cher.

Avenir de la recherche et de l'application en agriculture

Cette recherche ne représente que la première, mais cruciale, étape vers une compréhension complète et une utilisation consciente des lanthanides dans la production agricole. L'équipe du MIT prévoit d'étendre ses recherches à des essais sur le terrain et à des études en serre afin de tester les effets sur la résistance aux UV sur différents types de cultures et dans des conditions agricoles réelles. L'objectif à long terme est de développer des directives précises pour les agriculteurs qui leur permettront d'exploiter les avantages de ces éléments de la manière la plus efficace et la plus sûre possible, principalement grâce à des méthodes avancées de traitement des semences. Outre l'agriculture, l'équipe a l'intention d'étudier comment les lanthanides interagissent avec d'autres molécules biologiques, y compris les protéines du corps humain, ce qui ouvre la possibilité d'applications entièrement nouvelles en biomédecine et dans d'autres domaines. Comme le souligne Giorgio Rizzo, les lanthanides sont déjà utilisés en agronomie, mais cette étude fournit la base scientifique pour leur application plus intelligente et l'introduction de nouvelles méthodes d'application supérieures.