L’alimentation du futur passe par l’amélioration de la photosynthèse

19/08/2021 à 9h08 CEST

Les chercheurs ont découvert un moyen d’optimiser le processus de photosynthèse, afin que les cultures puissent pousser plus rapidement et ainsi aider à lutter contre la faim dans le monde. Pour y parvenir, la structure interne de la cellule végétale a dû être modifiée, afin que les plantes se développent mieux.

Dans un peu moins de 30 ans, la planète dans son ensemble sera mise au défi de nourrir les 9 milliards de personnes qui, selon les études démographiques, peupleront le monde d’ici 2050. Et la première question que l’on se poserait est de savoir comment ils pourront se nourrir. de nombreuses personnes sans tomber dans l’inégalité qu’aujourd’hui près de 9% de la population mondiale souffre de la faim.

Pour y parvenir, les agriculteurs doivent cultiver au moins 50 % de nourriture en plus sur une superficie limitée de terres arables, ce qui est un défi pour les botanistes et autres scientifiques de la croissance des plantes, qui sont dans une véritable course contre la montre pour y parvenir. obtenir un meilleur rendement, grâce à l’amélioration de la photosynthèse.

L’une des premières méthodes étudiées par les scientifiques consiste à utiliser les propriétés des algues bleu-vert, également appelée cyanobactérie. Ces spécimens sont capables de photosynthèse plus efficacement que la plupart des cultures, de sorte que leur croissance pourrait s’améliorer considérablement.

Jusqu’à présent, tout reposait sur une théorie, mais une nouvelle étude de l’Université de Cornell (États-Unis) a réussi à faire un pas significatif vers cette réalisation, qui jusqu’à présent avait toujours buté sur la pierre d’achoppement de la photosynthèse elle-même.

Et c’est que lorsque les plantes effectuent la photosynthèse, elles convertissent le dioxyde de carbone, l’eau et la lumière captée en oxygène et en saccharose, un sucre que la plante utilise pour produire de l’énergie et construire de nouveaux tissus.

Dans ce processus, l’enzyme connue sous le nom de rubisco acquiert une grande importance. Ce composant est la cause que la plante peut « réparer & rdquor; carbone inorganique pour le convertir en une forme organique que la plante utilise pour construire ces nouveaux tissus.

Le rubisco est une épée à double tranchant. Cette enzyme réagit non seulement au dioxyde de carbone, mais aussi à l’oxygène, créant des sous-produits toxiques, qui réduisent les performances de cette tâche de survie des plantes. Chez les cyanobactéries, en revanche, le rubisco est contenu dans des microcompartiments appelés carboxysomes qui le protègent de l’oxygène et l’empêchent d’y réagir.

Si cette structure de protection était installée sur les cultures, elles pousseraient beaucoup plus vite, car le carboxysome permet également aux cyanobactéries de concentrer plus rapidement le dioxyde de carbone.

« Les plantes cultivées n’ont pas de carboxysomes, donc l’idée est d’y installer tout le mécanisme de concentration en carbone des cyanobactéries », explique Maureen Hanson, professeur de biologie moléculaire végétale et auteur principal de l’article.

Édition génétique chez les plantes

Mais concevoir ce système pour qu’il fonctionne dans les cultures n’est pas si facile. Pour l’obtenir les scientifiques doivent éliminer l’anhydrase carbonique des chloroplastes (la partie de la cellule où se produit la photosynthèse). L’anhydrase est responsable de la création d’un équilibre entre le dioxyde de carbone et le bicarbonate dans les cellules végétales par diverses réactions chimiques.

Mais pour que le mécanisme de concentration en carbone des cyanobactéries fonctionne dans les cultures, le bicarbonate dans le système doit atteindre des niveaux plusieurs fois supérieurs à ceux que confère l’équilibre. Donc, dans cette étude, nous avons effectué cette étape [de eliminar la anhidrasa], si nécessaire pour que les carboxysomes se couplent correctement et fonctionnent », a indiqué le chercheur.

Pour le faire, les scientifiques ont utilisé des ciseaux génétiques. La technologie d’édition de gènes CRISPR / Cas9 les a aidés à désactiver les gènes qui expriment les deux enzymes anhydrase carbonique présentes dans les chloroplastes. L’équipe de Hanson a désactivé ces enzymes à 100 %, ce qui n’avait jamais été réalisé.

En effet, une étude précédente avait éliminé leur activité à 99% et les plantes poussaient normalement. Mais la même chose ne s’est pas produite avec les plantes de Hanson, qui, après avoir éliminé toute l’enzyme, ont à peine poussé. « Les plantes ont besoin de cette enzyme pour fabriquer du bicarbonate, car c’est ce qu’elles utilisent pour fabriquer leurs feuilles », a déclaré Hanson.

Cependant, cette circonstance a été inversée lorsque les plantes ont été placées dans une chambre de croissance à haute teneur en dioxyde de carbone. La grande quantité de CO2 leur a permis de reprendre leur croissance normale car elle les a poussés à créer spontanément du bicarbonate.

Cela pourrait être la solution définitive pour pouvoir se débarrasser totalement de l’anhydrase et ne pas perdre le bicarbonate si essentiel à la croissance. Dans une étude à venir, financée avec environ 800 000 $ au cours des trois prochaines années, la même équipe prévoit de placer un transporteur de bicarbonate sur la membrane chloroplastique, pour transporter cette substance d’autres parties des cellules vers le chloroplaste.

Ainsi, en plus de rendre l’anhydrase inutile, le bicarbonate supplémentaire devrait améliorer la photosynthèse avant même que les carboxysomes ne puissent se coupler aux chloroplastes.

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Article de référence : https://www.pnas.org/content/118/33/e2107425118

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