Le maïs, une culture cultivée sur tous les continents, à l'exception de l'Antarctique, ressemble fort peu à son ancêtre, une herbe sauvage aux noyaux durs qui pousse aujourd'hui dans le sud-ouest du Mexique et qui s'appelle téosinte.
Les botanistes discutent depuis près d'un siècle de l'origine du maïs, pensant à un moment donné que la plante moderne descendait d'un maïs sauvage disparu, ou de quelque chose qui n'avait pas encore été découvert. Les généticiens, cependant, ont finalement déterminé en 1990 que le maïs était lié au téosinte à noyau dur et ont conclu que la plante charnue et juteuse que nous connaissons aujourd'hui est la forme domestiquée de l'herbe sauvage. Les scientifiques ont conclu, il y a entre 10 000 et 13 000 ans, que les agriculteurs avaient sélectionné et planté les graines avec des caractères favorables et qu'au fil du temps, la plante était transformée.
Mais dans une étude publiée la semaine dernière dans la revue Quaternary International, Dolores Piperno, chercheur au Smithsonian, archéobotaniste travaillant à la station de terrain du Smithsonian Tropical Research Institute à Gamboa, au Panama, a formulé une nouvelle hypothèse de «machine à remonter le temps». Dans les conditions environnementales du passé, ses collègues et elle-même affirment que la teosinte était bien différente de celle d'aujourd'hui et ressemblait davantage au maïs moderne qu'aujourd'hui. Cela peut expliquer pourquoi les premiers agriculteurs ont choisi de le cultiver.
Dans les conditions environnementales passées, Piperno (transportant du téosinte moderne) et ses collègues affirment que l'ancêtre de la plante datant du Pléistocène était très différent de ce qu'il est aujourd'hui et ressemblait davantage au maïs moderne. (Matthew Lachniet) «Nous savons qu'il y a 10 000 à 13 000 ans, a déclaré Piperno, lorsque les chasseurs-cueilleurs ont commencé à exploiter les ancêtres sauvages des cultures [d'aujourd'hui] et que les premiers agriculteurs ont réellement commencé à les cultiver, la température et le CO2 atmosphérique étaient très différents. ”
Piperno a travaillé avec Klaus Winter, qui a conçu une serre en verre, la machine à remonter le temps, maintenue avec des niveaux de CO2 réduits et maintenue à des températures plus basses similaires à celles de la fin du Pléistocène et du Holocène inférieur. À des fins de contrôle, une autre serre imitant l'environnement actuel a été préparée à proximité. Piperno et ses collègues ont ensuite planté du téosinte dans les deux chambres.
C'est en étudiant l'histoire des fossiles du maïs et les conditions environnementales passées que Piperno a commencé à se demander à quoi pourraient ressembler les ancêtres de la plante à la fin du Pléistocène et au début de l'Holocène, lorsqu'ils ont été récoltés puis cultivés. À l'époque, la température était de 3, 5 à 5, 4 degrés plus froide qu'aujourd'hui et le CO2 atmosphérique flottait aux alentours de 260 parties par million. Plus tard, pendant la révolution industrielle, le niveau de CO2 atteindrait 405 parties par milliard, niveau auquel la grande usine de téosinte à longues branches ramène maintenant.
La plante phénotypique ressemblant au maïs de la chambre "A machine à remonter le temps" (A) a un seul gland qui termine la tige principale et des oreilles femelles apparaissent le long de la tige principale (flèches). L'encart en haut à droite est un gros plan d'une oreille féminine. Le téosinte moderne cultivé dans la chambre de contrôle (B) présente de nombreuses longues branches latérales primaires (exemple: flèche blanche supérieure) terminées par des glands (flèche noire). Des oreilles féminines non développées sont visibles sur les branches latérales secondaires (flèches blanches). (Irene Holst, STRI) Piperno était intéressé par des études sur la manière dont les augmentations futures de CO2 et de température pourraient induire une «plasticité phénotypique» ou une modification de l'apparence de la plante en réponse à son environnement. La plasticité phénotypique peut faire en sorte que deux organismes génétiquement identiques aient un aspect différent s'ils sont cultivés séparément.
Dans la «machine à remonter le temps», Piperno et Klaus ont été intrigués par la découverte que les plantes de téosinte ressemblaient davantage au maïs que nous cultivons et mangeons aujourd'hui. Alors que le teosinte actuel a de nombreuses branches à glands avec des oreilles poussant sur des branches secondaires, les plantes de serre avaient une seule tige principale surmontée d'un seul pompon, ainsi que plusieurs branches courtes à oreilles. Et les graines étaient également différentes: contrairement aux graines de téosinte sauvages, qui mûrissaient de manière séquentielle, toutes les graines des plantes expérimentales arrivaient à la même maturité, semblables aux grains de maïs. Les graines de téosinte actuelles sont enfermées dans des bractées végétatives étroites, mais la machine à fabriquer dans le temps a produit des plantes avec des noyaux de graines exposés.
Selon Piperno, moins de branches et de graines facilement visibles auraient rendu le téosinte plus facile à récolter. Ces caractéristiques, que l’on pensait être dues à la sélection et à la domestication humaines, auraient pu découler de changements environnementaux induisant une plasticité phénotypique.
À l’intérieur de la chambre de la machine à remonter le temps, la teosinte a été cultivée dans des conditions qu’elle aurait pu rencontrer il ya 10 000 ans. (Irene Holst, STRI) Selon Piperno, il semble que l'environnement ait joué un rôle «important, bien que fortuit» dans la focalisation sur le teosinte pour la culture. Les caractéristiques du maïs «donnent aux premiers agriculteurs une longueur d'avance».
Daniel Sandweiss, professeur d'anthropologie et d'études sur le quaternaire et le climat à l'Université du Maine, a mené des recherches approfondies sur les premiers changements climatiques en Amérique latine. Il a qualifié l’expérience de Piperno de «révolutionnaire», affirmant qu’elle deviendrait «un modèle pour toute une série d’études».
Piperno, Klaus et leur équipe étaient également curieux de voir comment une hausse sensible de la température et du CO2 survenue entre les époques pléistocène et holocène pouvait avoir influencé la productivité des plantes et aider à expliquer la raison possible du début de l'agriculture à cette époque. pas avant.
Au Pléistocène, les niveaux de CO2 dans l'atmosphère étaient encore plus bas qu'au cours de l'Holocène (au moins d'un tiers) et la température était de 5 à 7 degrés plus froides. À l'époque du Pléistocène, les niveaux de CO2 et les températures étaient des facteurs limitants pour la croissance des plantes, a conclu Piperno, qui avait déjà assisté à des recherches suggérant que la culture de plantes dans un environnement à faibles émissions de CO2 et à basse température inhibait la photosynthèse et réduisait le rendement en graines.
La téosinte, ancêtre sauvage du maïs, croît dans des conditions climatiques modernes (chambre à gauche) et dans le passé (chambre à droite). Scientifiques du Smithsonian Dolores Piperno (à droite) avec Irene Holst. (Sean Mattson) Les propres résultats de Piperno ont fait écho à des études antérieures; La teosinte a également formé plus de graines dans la chambre avec une température plus chaude et une augmentation de CO2. Ce phénomène a peut-être fait de l’agriculture, pour la première fois, une pratique durable pour nourrir les familles. Selon Piperno, l’augmentation de la productivité de l’usine a transformé l’agriculture en «une bonne stratégie d’adaptation».
«Les résultats sont surprenants», a déclaré Sandweiss, qui a noté que l'apparition de la teosinte avait longtemps entravé les scientifiques. Après avoir vu à quoi ressemblait le téosinte dans les conditions de croissance du Pléistocène, sa relation avec le maïs a commencé à «prendre beaucoup plus de sens».
L'expérience de Piperno pourrait également aider les scientifiques et les archéologues à comprendre le processus et le moment de la domestication des cultures à travers le monde, a noté Sandweiss. Le blé, l'orge et le riz ont peut-être également connu des changements phénotypiques et une productivité accrue à la fin du Pléistocène et au début de l'Holocène. Suivre ce processus pourrait expliquer «comme il semble avec le maïs, pourquoi les gens ont choisi ces espèces en particulier et non d’autres, et pourquoi le processus de domestication s’est déroulé à ce moment-là».
Piperno a l'intention de poursuivre ses recherches en menant des études de sélection artificielles, en faisant pousser plusieurs générations de plantes pour observer l'héritage des phénotypes induits ressemblant au maïs. Elle dit que la plasticité phénotypique est en train de devenir une partie importante de ce que les scientifiques appellent «la nouvelle synthèse moderne» - en élargissant la façon dont les scientifiques voient l'effet de l'environnement sur le changement évolutif.
«Nous avons essentiellement ouvert une fenêtre», explique Piperno.
