La méthode basée sur la spectroscopie Raman permet la détection précoce et la quantification des agents pathogènes dans les plantes, afin d’améliorer la gestion des maladies des plantes.
Chercheurs du Groupe de recherche interdisciplinaire (IRG) sur les technologies perturbatrices et durables pour la précision agricole (DiSTAP) de Singapour-AVEC Alliance for Research and Technology (SMART), l’entreprise de recherche du MIT à Singapour, et leurs collaborateurs locaux du Temasek Life Sciences Laboratory (TLL), ont développé une méthode rapide basée sur la spectroscopie Raman pour détecter et quantifier les infections bactériennes précoces dans les cultures. Les biomarqueurs spectraux Raman et l’algorithme de diagnostic permettent le diagnostic non invasif et précoce des infections bactériennes dans les plantes cultivées, ce qui peut être essentiel pour les progrès de la gestion des maladies des plantes et de la productivité agricole.
En raison de la demande croissante d’approvisionnement et de sécurité alimentaires dans le monde, il est de plus en plus nécessaire d’améliorer les systèmes de production agricole et d’augmenter la productivité des cultures. À l’échelle mondiale, l’infection par des agents pathogènes bactériens dans les plantes cultivées est l’un des principaux contributeurs aux pertes de rendement agricole. Le changement climatique aggrave également le problème en accélérant la propagation des maladies des plantes. Par conséquent, le développement de méthodes de détection rapide et précoce des cultures infectées par des agents pathogènes est important pour améliorer la gestion des maladies des plantes et réduire les pertes de récolte.
La percée des chercheurs de SMART et TLL offre une méthode plus rapide et plus précise pour détecter les infections bactériennes dans les plantes cultivées à un stade plus précoce, par rapport aux techniques existantes. Les nouveaux résultats apparaissent dans un article intitulé « Détection rapide et quantification de la réponse immunitaire innée des plantes à l’aide de la spectroscopie Raman » publié dans la revue Frontières de la science végétale.
Détection rapide d’une infection bactérienne (Xanthomonas campestris pv. Campestris (Xcc)) dans le choy sum des légumes à feuilles à l’aide d’un algorithme quantitatif basé sur la spectroscopie Raman. Sur la droite, l’indice de réponse aux infections est affiché, ce qui peut aider les agriculteurs à identifier les infections et à prendre des mesures. Crédit : Image reproduite avec l’aimable autorisation de l’Alliance Singapour-MIT pour la recherche et la technologie
« La détection précoce des plantes cultivées infectées par des agents pathogènes est une étape importante pour améliorer la gestion des maladies des plantes », déclare Chua Nam Hai, chercheur principal co-responsable de DiSTAP, professeur, vice-président de TLL et auteur co-correspondant. “Cela permettra l’élimination rapide et sélective de la charge pathogène et freinera la propagation de la maladie à d’autres cultures voisines.”
Traditionnellement, le diagnostic des maladies des plantes implique une simple inspection visuelle des plantes pour les symptômes et la gravité de la maladie. « Les méthodes d’inspection visuelle sont souvent inefficaces, car les symptômes de la maladie ne se manifestent généralement qu’à des stades relativement avancés de l’infection, lorsque la charge pathogène est déjà élevée et que les mesures de réparation sont limitées. Par conséquent, de nouvelles méthodes sont nécessaires pour une détection rapide et précoce des infections bactériennes. L’idée s’apparenterait à des tests médicaux pour identifier les maladies humaines à un stade précoce, au lieu d’attendre l’apparition de symptômes visuels, afin qu’une intervention ou un traitement précoce puisse être appliqué », explique le professeur du MIT Rajeev Ram, chercheur principal de DiSTAP. et co-auteur de l’article.
Alors que les techniques existantes, telles que les méthodes de détection moléculaire actuelles, peuvent détecter une infection bactérienne dans les plantes, leur utilisation est souvent limitée. Les méthodes de détection moléculaire dépendent en grande partie de la disponibilité de séquences de gènes ou d’anticorps spécifiques aux agents pathogènes pour identifier les infections bactériennes dans les cultures ; la mise en œuvre est également longue et non adaptable pour une application sur le terrain en raison du coût élevé et de l’équipement encombrant requis, ce qui la rend peu pratique pour une utilisation dans les fermes agricoles.
« Chez DiSTAP, nous avons développé un algorithme quantitatif basé sur la spectroscopie Raman qui peut aider les agriculteurs à identifier rapidement les infections bactériennes. L’algorithme de diagnostic développé utilise des biomarqueurs spectraux Raman et peut être facilement mis en œuvre dans des plateformes de calcul et de prédiction basées sur le cloud. Elle est plus efficace que les techniques existantes car elle permet une identification précise et une détection précoce des infections bactériennes, deux éléments cruciaux pour sauver les plantes cultivées qui seraient autrement détruites », explique Gajendra Pratap Singh, directeur scientifique et chercheur principal de DiSTAP et co- auteur principal.
Un système Raman portable peut être utilisé dans les fermes et fournit aux agriculteurs une réponse précise et simple par oui ou par non lorsqu’il est utilisé pour tester la présence d’infections bactériennes dans les cultures. Le développement de cette méthode rapide et non invasive pourrait améliorer la gestion des maladies des plantes et avoir un impact transformateur sur les exploitations agricoles en réduisant efficacement les pertes de rendement agricole et en augmentant la productivité.
«En utilisant la méthode de l’algorithme de diagnostic, nous avons expérimenté plusieurs plantes comestibles telles que le choy sum», explique le chercheur principal de DiSTAP et TLL et auteur co-correspondant Rajani Sarojam. « Les résultats ont montré que la méthode basée sur la spectroscopie Raman peut rapidement détecter et quantifier la réponse immunitaire innée chez les plantes infectées par des agents pathogènes bactériens. Nous pensons que cette technologie sera bénéfique pour les exploitations agricoles afin d’augmenter leur productivité en réduisant leurs pertes de rendement dues aux maladies des plantes.
Les chercheurs travaillent actuellement au développement de spectromètres Raman portables ou à main à haut débit, sur mesure, qui permettront d’effectuer rapidement et facilement l’analyse spectrale Raman sur les cultures en plein champ.
Référence : « Détection rapide et quantification de la réponse immunitaire innée des plantes à l’aide de la spectroscopie Raman » par Pil Joong Chung, Gajendra P. Singh, Chung-Hao Huang, Sayuj Koyyappurath, Jun Sung Seo, Hui-Zhu Mao, Piyarut Diloknawarit, Rajeev J. Ram . , Rajani Sarojam et Nam-Hai Chua, 21 octobre 2021, Frontières de la science végétale.
DOI : 10.3389/fpls.2021.746586
SMART et TLL ont développé et découvert l’algorithme de diagnostic et les biomarqueurs spectraux Raman. TLL a également confirmé et validé la méthode de détection à travers des plantes mutantes. La recherche est menée par SMART et soutenue par la National Research Foundation de Singapour dans le cadre de son programme Campus for Research Excellence And Technological Enterprise (CREATE).
SMART a été créé par le MIT et la NRF en 2007. Première entité de CREATE développée par la NRF, SMART sert de pôle intellectuel et d’innovation pour les interactions de recherche entre le MIT et Singapour, entreprenant des projets de recherche de pointe dans des domaines d’intérêt à la fois pour Singapour et MIT. SMART comprend actuellement un centre d’innovation et cinq IRG : résistance antimicrobienne, analyse critique pour la fabrication de médicaments personnalisés, DiSTAP, future mobilité urbaine et systèmes électroniques à faible consommation d’énergie. La recherche SMART est financée par la NRF dans le cadre du programme CREATE.
Dirigé par le professeur Michael Strano du MIT et le professeur Chua Nam Hai du Temasek Lifesciences Laboratory, le programme DiSTAP aborde les problèmes profonds de la production alimentaire à Singapour et dans le monde en développant une suite de technologies analytiques, génétiques et biomatérielles percutantes et novatrices. L’objectif est de changer fondamentalement la façon dont les voies de biosynthèse des plantes sont découvertes, surveillées, conçues et finalement traduites pour répondre à la demande mondiale de nourriture et de nutriments. Des scientifiques du MIT, du TTL, de l’Université technologique de Nanyang et de l’Université nationale de Singapour développent en collaboration de nouveaux outils pour la mesure continue d’importants métabolites et hormones végétaux pour de nouvelles découvertes, une compréhension plus approfondie et un contrôle des voies de biosynthèse des plantes d’une manière qui n’est pas encore possible, en particulier dans le contexte des légumes à feuilles vertes; tirer parti de ces nouvelles techniques pour concevoir des plantes dotées de propriétés hautement souhaitables pour la sécurité alimentaire mondiale, notamment une production à haute densité de production et une résistance à la sécheresse et aux agents pathogènes ; et l’application de ces technologies pour améliorer l’agriculture urbaine.
