Des scientifiques corrigent un glitch de photosynthèse pour faire grossir les plantes de 40 pour cent

par Ryan Whitwam

Tout cet oxygène que vous aimez respirer n’apparaît pas comme par magie dans l’atmosphère. La Terre est vivable parce que les plantes du monde entier extraient de l'oxygène en tant que sous-produit de la photosynthèse, et certaines d'entre elles deviennent en outre de savoureuses cultures vivrières. Cependant, la photosynthèse n’est pas parfaite malgré plusieurs siècles de raffinement évolutif. Des scientifiques de l'Université de l'Illinois ont travaillé à corriger une faille dans la photosynthèse, ce qui pourrait améliorer les rendements de près de 40%.

Au cœur de la nouvelle recherche se trouve un processus chez les plantes appelé photorespiration, qui ne fait pas partie de la photosynthèse, mais en est une conséquence. Comme beaucoup de processus biologiques, la photosynthèse ne fonctionne pas correctement 100% du temps. En fait, l’une des principales réactions de la photosynthèse n’est efficace qu’à 75% environ. Le changement intervient dans le processus que les usines entreprennent à cause de cette inefficacité.

Dans la photosynthèse, les plantes prennent de l'eau et du dioxyde de carbone et les transforment pour créer des sucres (aliments) et de l'oxygène. Les plantes n’ont pas besoin d’oxygène, elles sont donc expulsées. Heureusement, nous avons besoin d'oxygène et nous exhalons du dioxyde de carbone.

Le problème abordé dans la nouvelle étude concerne une enzyme appelée ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase-oxygénase (RuBisCO). Ce complexe protéique attache une molécule de dioxyde de carbone au ribulose-1,5-bisphosphate (RuBP). Au cours des siècles, l’atmosphère de la Terre s’est de plus en plus oxygénée, ce qui signifie que RuBisCO doit faire face à davantage de molécules d’oxygène mélangées à du dioxyde de carbone. Environ un quart du temps, RuBisCO saisit une molécule d'oxygène par erreur, ce qui a des conséquences à l'intérieur d'une plante.

Les scientifiques Don Ort (à droite), Paul South (au centre) et Amanda Cavanagh (à gauche) étudient la capacité de leurs plantes modifiées pour contourner la photorespiration de fonctionner aux côtés de plantes non modifiées dans des conditions réelles.

Lorsque RuBisCO se dérobe, les plantes se retrouvent avec des sous-produits toxiques tels que le glycolate et l'ammoniac. Il faut de l'énergie pour traiter ces composés (par la photorespiration), ce qui s'ajoute à la perte d'énergie due à l'inefficacité de la photosynthèse. Les auteurs de l'étude notent que le riz, le blé et le soja souffrent tous de ce problème, et que RuBisCO devient encore moins précis avec la hausse des températures. Cela signifie que les disponibilités alimentaires pourraient diminuer à mesure que le réchauffement de la planète s'aggrave.

Ce correctif fait partie d'un programme appelé Réaliser une efficacité photosynthétique accrue (RIPE) et repose sur l'introduction de nouveaux gènes qui améliorent la croissance. Habituellement, la photorespiration prend une voie complexe et complexe à travers trois organelles cellulaires différentes. Il consomme de l'ATP (la monnaie énergétique des cellules) qui devrait rendre l'usine plus grande et plus forte. RIPE vise à rendre la photorespiration plus rapide et plus économe en énergie.

L'équipe a développé trois voies alternatives utilisant de nouvelles séquences génétiques. Ils ont optimisé ces voies dans 1 700 usines différentes afin d'identifier les meilleures approches. Pendant deux ans, les chercheurs ont testé les séquences en utilisant des plants de tabac modifiés. C’est une plante commune en science car son génome est exceptionnellement bien compris.

Ces plantes ont produit environ 40% de biomasse de plus que les plantes non modifiées. Cela indique que les voies de photorespiration plus efficaces économisent à la plante une énergie considérable qui peut au contraire être utilisée pour la croissance. L'étape suivante consiste à incorporer les gènes dans des cultures vivrières telles que le soja, le niébé, le riz et les tomates.

Plusieurs années peuvent être nécessaires pour intégrer les gènes de photorespiration révisés dans les cultures vivrières, qui sont plus compliquées que le tabac. Les régulateurs devront alors approuver les plantes résultantes pour la consommation humaine - ce n’est pas une mince affaire en soi, et il existe une opposition anti-scientifique fréquente aux cultures génétiquement modifiées. RISE est soutenu par des organisations à but non lucratif du monde entier, y compris la Fondation Bill & Melinda Gates. Toutes les semences développées sous RISE seront disponibles sans redevance.

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Publié à l'origine sur www.extremetech.com le 7 janvier 2019.