Smart agriculture : qu'est-ce que la "quatrième révolution" qui vise à transformer la production alimentaire ?

Sous une lumière vive, les cubes orange translucides ressemblent à des bonbons. Quelque chose comme des oursons en gomme ou des loukoums.

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Si ce n'était des feuilles vertes qui en sortent, je serais tenté de les goûter, comme de nombreux visiteurs du laboratoire."Nous devons souvent rappeler aux visiteurs de ne pas les manger", explique Maddalena Salvalaio, technicienne de recherche.Les cubes sont faits d'hydrogel, un matériau dont la structure en réseau contient du liquide. Il est généralement utilisé dans les dispositifs médicaux et les couches. Mais ici, à l'Imperial College London's Plant Morphogenesis Laboratory, Maddalena Salvalaio et le scientifique Giovanni Sena les utilisent pour changer l'avenir de l'agriculture verticale.

Son étude s'inscrit dans une tendance croissante, apparue il y a deux décennies, qui consiste à rechercher des moyens de stimuler l'agriculture en utilisant l'électricité dans les semences, les cultures et les sols.

Le sujet est devenu si important que des institutions telles que la National Science Foundation des États-Unis allouent des millions à l'étude de l'utilisation du plasma froid dans l'agriculture, sous la forme de faisceaux émis dans des salles à température contrôlée.

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La prolifération de nouveaux projets ne serait que trop familière à ceux qui, au XIXe siècle, pratiquaient une étrange obsession : l'électroculture, une technique qui consistait à appliquer de l'électricité aux plantes pour qu'elles produisent de meilleures fleurs, feuilles et fruits, voire pour les débarrasser des parasites, mais dont les résultats étaient toujours mitigés.Cette nouvelle génération de chercheurs délaisse le mot "électroculture" au profit de termes tels que "smart agriculture" ou "quatrième révolution agricole".Cependant, le mécanisme sous-jacent reste le même, et les partisans s'accordent à dire qu'après des siècles d'échec, l'utilisation de l'électricité sur les plantes peut enfin porter ses fruits.L'espoir est que ces systèmes futuristes puissent être utilisés pour lutter contre la crise alimentaire mondiale, en réduisant les conséquences environnementales de l'agriculture à grande échelle.Selon une estimation de 2005, les différentes composantes de l'agriculture peuvent contribuer à hauteur de 10 à 12 % aux émissions de gaz à effet de serre chaque année.

La production d'engrais synthétiques issus du procédé Haber-Bosch, très énergivore, qui a révolutionné l'agriculture au début du XXe siècle, représente aujourd'hui des centaines de millions de tonnes de dioxyde de carbone (CO2) par an.Et l'érosion des sols due à l'utilisation non réglementée des terres en rajoute encore.C'est pourquoi de nombreux chercheurs de la nouvelle vague d'agriculture électrique pensent que leur technique peut jouer un rôle dans l'amélioration de la production alimentaire.

Plasma froid

Pour augmenter les rendements, certains scientifiques reviennent à des inventions inspirées de l'"électro-végétomètre", créé par un physicien français dans les années 1780. Il s'agissait d'une sorte de paratonnerre qui fournissait de l'électricité atmosphérique aux cultures, souvent avec des conséquences indésirables.

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Aux États-Unis, plusieurs institutions tentent de ressusciter l'approche de la foudre artificielle.Cependant, lorsque les anciens électroculteurs ont essayé pour la première fois d'exploiter ses avantages il y a des siècles, leurs résultats anecdotiques douteux étaient la seule chose qui soutenait la mise en œuvre de la méthode. Les éclairs étaient aussi susceptibles d'endommager les plantes que de les encourager.Mais depuis le siècle dernier, il est possible d'appliquer ces rayons avec une plus grande précision.Cela se fait par le biais du plasma, une matière générée dans la nature par la foudre, qui est extrêmement chaude, généralement plusieurs millions de degrés, et qui se transforme en une sorte de gaz ionisé. Les nouvelles technologies permettent de le manipuler à température ambiante.On parle alors de plasma froid. Son utilisation est "un domaine extrêmement actif [dans l'agriculture] à l'heure actuelle", déclare José López, professeur à l'université de Seton Hall, qui a également été directeur du programme de physique des plasmas à la National Science Foundation (NSF) des États-Unis.

Avec Alexander Volkov, biochimiste à l'université d'Oakwood en Alabama, ils font partie de ceux qui ont adopté la tendance croissante de l'application du plasma froid aux jeunes semences sous diverses formes.Lors de ses expériences, Volkov a observé des augmentations de rendement de 20 à 75 %, selon la plante."Nous avons augmenté la production de choux de 75 %. Le chou avait également un meilleur goût. Le goût, dit-il, était plus doux.Ces scientifiques ne sont pas les seuls.

Une poignée d'études font état d'une variété d'avantages que le plasma apporte aux cultures, allant d'une croissance plus rapide et plus importante des plantes à une meilleure résistance aux parasites."Le plasma agit en réveillant la graine, pour autant que nous le sachions", explique M. Lopez.Lorsque les graines germent, c'est à ce moment-là que la nouvelle plante est la plus vulnérable à un large éventail de "facteurs de stress" environnementaux. Par conséquent, elle refuse de s'ouvrir tant qu'elle n'est pas "satisfaite" de son environnement. L'accélération de ce processus est une pratique courante dans l'agriculture depuis longtemps, bien qu'elle soit généralement obtenue par des moyens chimiques tels que les acides. Le plasma semble faire la même chose, mais de manière beaucoup plus efficace."Il perfore la paroi de la graine, et lorsque vous la plantez, elle a une plus grande capacité à absorber l'eau et le sol", explique M. Lopez. "Après quelques secondes de traitement, la plante pousse plus vite que les graines non traitées.Le plasma semble même revigorer les plantes qui ont déjà poussé, explique M. Lopez, dont le propre groupe à la NSF a utilisé un outil de précision appelé crayon à plasma pour traiter des plants de basilic doux.Ces plantes sont devenues plus robustes et plus saines, et leur masse et leur hauteur ont augmenté de 20 %."Les résultats sont remarquables", affirme M. Lopez.

Bien que les scientifiques ne soient pas encore tout à fait sûrs de son fonctionnement, notamment en ce qui concerne l'interaction entre l'électricité et les plantes entières, ils disposent actuellement de plusieurs initiatives financées par la NSF pour le découvrir.

Doutes

Cette incertitude explique pourquoi l'utilisation de l'électricité dans l'agriculture suscite encore du scepticisme.Certains objectent que, 200 ans après que les premiers Victoriens ont électrifié sans succès leurs plantes vivaces, on ne sait toujours pas comment l'électricité interagit avec leur biologie."Nous savons depuis des décennies que les champs électriques favorisent la croissance des plantes", explique M. Sena, du laboratoire de morphogenèse végétale de l'Imperial College de Londres.Le problème est que ces données n'ont jamais été entièrement reproduites, les expériences ayant été menées dans des conditions variables.Mais pour faire de l'intervention électrique sur les plantes une méthode technologiquement valable, il est utile d'en comprendre les fondements scientifiques.Le décryptage du mécanisme moléculaire de la réponse d'une plante à un champ électrique est au cœur des travaux menés par le groupe de Sena à l'Imperial.Ils s'attachent notamment à étudier les signaux électriques générés en interne par les plantes.Ces organismes envoient d'innombrables signaux à chaque stade de leur croissance et dans chaque partie de leur anatomie, qui peuvent être mesurés à l'aide de divers instruments.L'identification de ces signaux pourrait aider les scientifiques à savoir ce dont la plante a besoin, qu'il s'agisse d'eau, de lutte contre les parasites, de nourriture ou même de sol, et ce à chaque étape.

Le ciel est la limite

Contrairement à d'autres besoins, il n'est pas possible de créer simplement plus de terres. Pendant longtemps, la meilleure réponse à ce problème a été la promesse de l'agriculture verticale, qui permettrait aux cultures de pousser sur n'importe quelle surface.Il n'y a qu'un seul problème, explique M. Sena. Ce que nous appelons l'agriculture verticale est une erreur d'appellation. Nous ne faisons pas pousser des plantes verticalement, mais nous empilons verticalement des boîtes étroites qui poussent horizontalement.En effet, les racines ne sont pas verticales. Les racines obéissent à la loi de la gravité. Elles cherchent de l'eau et regardent "vers le bas". C'est pourquoi il est très difficile de faire pousser des plantes à racines multiples dans l'espace. En l'absence de gravité, les racines se déplacent dans tous les sens, ce qui rend difficile, d'un point de vue logistique, de les nourrir correctement.Et si l'agriculture verticale faisait littéralement ce que son nom indique ? Et s'il était possible de faire pousser des fruits et des arbres dont les racines s'étendent longitudinalement et non vers le bas ?Les racines poussent vers le bas parce que l'organisme vivant ressent l'attraction du champ gravitationnel et la présence d'eau, et coordonne ses tissus pour suivre cette direction.Mais ce n'est pas tout ce que les racines peuvent percevoir. Elles ont également la capacité de détecter les champs électriques, un sens qui peut l'emporter sur tous les autres.Un champ électrique a un droit de veto sur la réponse des racines au champ gravitationnel.

L'année dernière, Salvalaio et Sena ont montré pour la première fois, avec des détails moléculaires précis, comment utiliser des doses spécifiques d'électricité pour que la plante Arabidopsis réoriente la direction de la croissance de ses racines.

En d'autres termes, ils l'ont fait pousser comme ils le souhaitaient.D'où ces cubes à l'aspect savoureux.Salvalaio et Sena ont fait équipe avec la Dyson School of Design Engineering de Londres pour mettre au point les cubes spéciaux d'hydrogel imprimés en 3D, capables d'abriter les plants d'Arabidopsis en croissance, ainsi que les électrodes qui guideront la croissance de leurs racines en position latérale.Les feuilles d'un vert éclatant montrent clairement que les tunnels d'aération constituent un environnement enrichissant. Ses racines serpentent densément.Salvalaio a l'intention de commencer les applications d'électricité dans le courant de l'été. Si les choses se passent bien, dire que "le ciel est la limite" serait un euphémisme."Pouvoir contrôler la direction de la croissance des racines signifierait que nous pourrions faire pousser des arbres à partir du toit comme à partir d'un mur", explique Sena.Grâce à cette nouvelle avancée électrique, il serait même possible de faire pousser des arbres dans des environnements en apesanteur.Il pourrait y avoir des arbres dans la station spatiale internationale ou des forêts sur la lune.