La plante idéale pour la culture dans l'espace fournirait autant de nutriments avec le moins d'intrants possible. Ici, nous discutons de la façon dont la biotechnologie pourrait être utilisée pour produire un cultivar de pomme de terre adapté aux humains dans l'espace.
Si l'humanité doit un jour entreprendre des missions spatiales et une colonisation à long terme, la mise en place d'un système d'agriculture spatiale efficace serait essentielle à la survie humaine dans l'espace. Cependant, les cultures existantes ne sont pas suffisamment rentables et productives pour être utilisées dans les fermes spatiales. Par conséquent, nous proposons une stratégie de plantes comestibles et d'élite pour le corps entier (WBEEP) pour l'amélioration des cultures spatiales. S'appuyant sur la biotechnologie végétale, la stratégie WBEEP vise à développer des cultures avec plus de parties comestibles, une teneur en nutriments plus riche, des rendements plus élevés et une efficacité d'utilisation des nutriments minéraux plus élevée pour les fermes spatiales.
Pomme de terre (Solanum tuberosum L.) est considéré comme l'un des principaux candidats à l'agriculture spatiale en raison des avantages suivants : (1) indice de récolte et rendement en tubercules élevés et tubercules riches en glucides qui peuvent fournir une grande quantité d'énergie pour l'homme ; (2) exigences simples en matière d'horticulture et de transformation des aliments; et (3) une grande tolérance aux contraintes avec la capacité de se développer normalement pendant les vols spatiaux. Il est important de noter que les pommes de terre peuvent être multipliées de manière asexuée à travers les tubercules et sexuellement à travers les graines. La reproduction asexuée peut assurer la régénération des ressources alimentaires et une valeur nutritionnelle stable, tandis que la reproduction sexuée peut garantir un coefficient de propagation plus élevé et des coûts de stockage et de transport inférieurs. Cependant, les pommes de terre ne peuvent pas être cultivées efficacement dans l'espace tant que les défauts inhérents liés à leur teneur élevée en solanine, à leur faible rendement et à leur faible accumulation de nutriments et à leur faible efficacité d'utilisation des engrais ne sont pas surmontés. Ci-dessous, nous décrivons une stratégie WBEEP pour l'amélioration de la pomme de terre qui pourrait créer une WBEEP-pomme de terre pour l'agriculture spatiale (Fig. 1).
Développer une plante comestible du corps entier pour la pomme de terre WBEEP
Des plantes dont le corps entier est comestible seraient souhaitables pour les fermes spatiales car elles peuvent apporter plus de nourriture aux humains et réduire les déchets. Cependant, les tiges, les feuilles et les baies de pommes de terre ne sont pas comestibles. Les parties aériennes des plants de pomme de terre contiennent de la solanine accumulée (principalement de la α-solanine et de la -chaconine), qui protège contre les ravageurs et les agents pathogènes, mais est toxique pour l'homme. Dans les systèmes d'agriculture spatiale, avec des environnements hautement contrôlés, la résistance des plantes à médiation par la solanine serait inutile. Si la solanine était éliminée, la plante entière de pomme de terre pourrait potentiellement devenir comestible. Pour bloquer l'accumulation de solanine dans les plants de pomme de terre, la biosynthèse peut être ciblée. Par exemple, l'extinction ou la mutation de gènes codant pour l'enzyme du cytochrome P450 GAME4, la dioxygénase DPS ou le facteur de transcription AP2/ERF GAME9 ont considérablement réduit la teneur en solanine. Les tomates peuvent également produire de la solanine toxique (principalement de la α-tomatine), mais peuvent convertir la solanine en glycoside non amer et non toxique, l'esculéoside A dans les fruits.6. Étant donné que le métabolisme de la solanine implique plusieurs réactions enzymatiques communes entre les pommes de terre et les tomates, il pourrait être possible d'introduire des gènes du métabolisme de la solanine des tomates dans les pommes de terre pour réduire l'accumulation de solanine.
Biofortification avec des nutriments bénéfiques pour la pomme de terre WBEEP
Les phytonutriments (par exemple, les flavonoïdes et les anthocyanes) et les vitamines sont d'une grande importance pour la santé humaine. Le corps dans l'espace devient plus fragile et a besoin de plus de nutriments. Cependant, plusieurs micronutriments contenus dans les aliments emballés sont susceptibles de se décomposer dans des conditions de stockage dans l'espace, ce qui rend difficile pour les équipages d'obtenir des nutriments stables.8. Par conséquent, il est souhaitable que les gens se nourrissent directement de produits agricoles frais. Compte tenu de la teneur insuffisante en protéines, phytonutriments, vitamines et autres nutriments essentiels des tubercules de pomme de terre, il serait nécessaire de biofortifier les pommes de terre pour répondre pleinement aux besoins nutritionnels du corps humain. Les plantes peuvent être améliorées pour synthétiser des vitamines et des métabolites secondaires fonctionnels en modifiant les voies métaboliques endogènes, notamment (1) en augmentant l'approvisionnement en précurseurs ; (2) la surexpression, la relocalisation ou la mutation d'enzymes de goulot d'étranglement ; (3) faire taire les voies indésirables ; (4) bloquer les voies concurrentes ; (5) l'expansion du flux métabolique pour réduire la rétro-inhibition ; et (6) la régulation des facteurs de transcription. Grâce à l'application des stratégies ci-dessus, des pommes de terre riches en diverses vitamines, protéines, flavonoïdes, anthocyanes et autres nutriments ont été développées. De plus, des variétés de pommes de terre contenant de la canthaxanthine, de l'astaxanthine ou des acides gras polyinsaturés à très longue chaîne (VLC-PUFA) peuvent être développées en reconstruisant des voies de biosynthèse.
Améliorer le rendement de la pomme de terre WBEEP
Les tubercules sont les principales parties comestibles des plants de pomme de terre. La tubérisation de la pomme de terre est un processus biologique complexe. Les principaux régulateurs comprennent le photorécepteur phytochrome B (PHYB), le facteur de transcription StCO, les signaux mobiles (StBEL5 ainsi que POTH1 ARNm, protéine StSP6A et miR172), et les transporteurs de saccharose StSUT4 et StSP5G. Surexpression de StSP6A, StPOTH1, StBEL5et StmiR172 ou l'inhibition de StPHYB, StCO, StSUT4et StSP5G peut être effectué pour améliorer la tubérisation11. L'optimisation de la photosynthèse est l'un des principaux moyens d'augmenter le rendement des cultures, et la tubérisation de la pomme de terre nécessite également de grandes quantités de produits photosynthétiques (en particulier du saccharose) provenant des parties aériennes. Des efforts sont en cours pour augmenter l'efficacité photosynthétique en améliorant la capacité de carboxylation de l'enzyme Rubisco, en améliorant la capacité de régénération du cycle de réduction du carbone, en optimisant la chaîne de transport d'électrons et en minimisant l'oxygénation et la photorespiration12. La plupart des stratégies de génie génétique mentionnées ci-dessus pour améliorer l'efficacité de la photosynthèse ont été appliquées avec succès au riz ou au tabac et pourraient, espérons-le, être utilisées pour améliorer le rendement de la pomme de terre. Par exemple, un pontage photorespiratoire construit artificiellement par l'expression d'une polyprotéine glycolate déshydrogénase recombinante peut augmenter considérablement l'efficacité photosynthétique et le rendement des tubercules en réduisant la photorespiration et en améliorant le CO.2 prise. Récemment, la modulation de l'ARN végétal m6Une méthylation est devenue un moyen efficace d'améliorer la croissance des plantes et le rendement des cultures. L'expression transgénique de l'ARN déméthylase humaine FTO pour réduire m6Les niveaux de A dans les pommes de terre ont entraîné une augmentation d'environ 50 % du rendement en tubercules et de la biomasse aérienne.
Améliorer l'efficacité de l'utilisation des nutriments minéraux pour la pomme de terre WBEEP
La croissance et le développement des cultures nécessitent de nombreux éléments minéraux, notamment l'azote, le phosphore et le potassium. Le coût du transport des engrais depuis la Terre est très élevé. Par conséquent, il est nécessaire d'améliorer l'efficacité d'utilisation des nutriments des cultures pour réduire la consommation d'engrais. Une modification génétique pourrait être effectuée pour améliorer l'absorption, l'allocation et le métabolisme des nutriments des plantes ou pour optimiser l'architecture des racines. L'azote est l'un des éléments les plus importants requis par les plantes. Les glutamate déshydrogénases (GDH) des organismes inférieurs montrent une plus grande affinité pour NH4+ et une plus forte capacité d'assimilation de l'ammoniac. Expression hétérologue des GDH qui ont une affinité plus élevée pour NH4+ que les GDH des plantes peuvent améliorer l'efficacité d'utilisation de l'azote de nombreuses cultures, y compris les pommes de terre, et garantir que les cultures peuvent obtenir des rendements élevés dans des conditions à faible teneur en azote. Le phosphore est un autre élément essentiel à la croissance des plantes, et les engrais phosphites peuvent favoriser une augmentation du rendement et de la qualité des tubercules de pomme de terre. Expression de la phosphite déshydrogénase (ptxD) de Pseudomonas spp. permet au riz et au coton de métaboliser le phosphite en plus du phosphate, et son rôle dans la pomme de terre mérite d'être exploré. Les pommes de terre ont besoin de plus d'engrais potassiques que d'engrais azotés ou phosphatés pour leur croissance et leur qualité. Expression hétérologue de l'Arabidopsis K+ chaine AKT1 et ses activateurs CBL1, CBL9et CIPK23 peut augmenter l'efficacité de l'absorption du potassium du sol dans plusieurs cultures, et surexprimer le K+ transporteur HAK5 peut augmenter l'efficacité de l'absorption du potassium dans de nombreuses cultures dans des conditions limitées en potassium. Récemment, la manipulation génétique de l'architecture du système racinaire est devenue une stratégie émergente pour augmenter l'acquisition de nutriments et le rendement dans les cultures de tubercules, mais les gènes qui peuvent être exploités dans les pommes de terre doivent être extraits.
Perspectives d'avenir pour les WBEEP
Des expériences ont été menées pour montrer comment les plantes poussent et se développent dans l'espace, mais l'agriculture en espace clair n'en est qu'à ses balbutiements. Seuls les légumes à feuilles vertes tels que la laitue et la moutarde sont actuellement cultivés pour l'alimentation sur la Station spatiale internationale. Ainsi, pour apporter plus de plantes aux fermes spatiales, nous proposons l'approche WBEEP pour l'amélioration des cultures. Un WBEEP appliqué de manière globale pourrait fournir une nourriture suffisante et nutritive pour les humains dans l'espace avec une consommation d'engrais minimale. À mesure que davantage de mécanismes de biosynthèse de facteurs antinutritionnels sont révélés et que des stratégies d'amélioration de la nutrition, du rendement et de l'efficacité de l'utilisation des engrais sont développées, l'approche WBEEP pourrait être mise en œuvre sur davantage de cultures. Bien que la culture pratique de WBEEP dans l'espace pour l'alimentation puisse ne pas être réalisable de si tôt, nous suggérons que la prise en compte des progrès incrémentiels nécessaires pour atteindre un tel objectif pourrait être bénéfique non seulement pour l'agriculture spatiale mais aussi pour l'agriculture conventionnelle.