Afin de nourrir 9 milliards de personnes d’ici 2050, les agriculteurs doivent produire 50 % de nourriture en plus sur une quantité limitée de terres arables. En conséquence, les phytotechniciens sont dans une course contre la montre pour concevoir des cultures avec des rendements plus élevés en améliorant la photosynthèse.
Les algues bleu-vert (cyanobactéries) sont connues pour effectuer la photosynthèse plus efficacement que la plupart des cultures. Les chercheurs s’efforcent donc d’intégrer des éléments des cyanobactéries dans les plantes cultivées.
Une nouvelle étude décrit une étape importante vers la réalisation de cet objectif. “L’absence d’anhydrase carbonique dans les chloroplastes affecte le développement des plantes C3 mais pas la photosynthèse”, publié le 11 août 2021 dans le Actes de l’Académie nationale des sciences.
Maureen Hanson, professeur Liberty Hyde Bailey de biologie moléculaire végétale, est l’auteur principal de l’article. Kevin Hines, Ph.D. ’19, un ancien étudiant du laboratoire de Hanson, et Vishal Chaudhari, associé postdoctoral dans le laboratoire de Hanson, sont co-premiers auteurs.
Lorsque les plantes effectuent la photosynthèse, elles convertissent le dioxyde de carbone, l’eau et la lumière en oxygène et en saccharose, un sucre utilisé pour produire de l’énergie et pour construire de nouveaux tissus. Au cours de ce processus, Rubisco, une enzyme présente dans toutes les plantes, prélève le carbone inorganique de l’air et le « fixe » ou le convertit en une forme organique que la plante utilise pour construire ses tissus.
Maureen Hanson, professeur Liberty Hyde Bailey de biologie moléculaire végétale, à gauche ; avec Vishal Chaudhari, un associé postdoctoral dans le laboratoire de Hanson. Crédit : Dave Burbank, Université Cornell
Un obstacle à l’amélioration de la photosynthèse dans les cultures est que Rubisco réagit à la fois avec le dioxyde de carbone et l’oxygène de l’air ; cette dernière réaction crée des sous-produits toxiques, ralentit la photosynthèse et diminue ainsi les rendements. Mais dans les cyanobactéries, le Rubisco est contenu dans des microcompartiments appelés carboxysomes qui protègent le Rubisco de l’oxygène.
Le carboxysome permet en outre aux cyanobactéries de concentrer le dioxyde de carbone afin que Rubisco puisse l’utiliser pour une fixation plus rapide du carbone, a déclaré Hanson. “Les plantes cultivées n’ont pas de carboxysomes, donc l’idée est de mettre éventuellement en place tout le mécanisme de concentration du carbone des cyanobactéries dans les plantes cultivées”, a-t-elle ajouté.
Pour concevoir ce système pour qu’il fonctionne dans les plantes cultivées, les scientifiques doivent éliminer l’anhydrase carbonique, une enzyme naturelle, des chloroplastes, des organites des cellules végétales où se produit la photosynthèse. En effet, le rôle de l’anhydrase est de créer un équilibre entre le CO2 et le bicarbonate dans les cellules végétales, en catalysant des réactions dans lesquelles le CO2 et l’eau forment du bicarbonate et vice versa. Mais pour que le mécanisme de concentration du carbone des cyanobactéries fonctionne dans les cultures, le bicarbonate dans le système doit atteindre des niveaux plusieurs fois supérieurs à ceux trouvés à l’équilibre.
« Donc, dans cette étude », a déclaré Hanson, « nous avons fait cette étape [of removing anhydrase] cela va être nécessaire pour faire fonctionner le carboxysome.
Dans l’article, les auteurs décrivent l’utilisation de la technologie d’édition de gènes CRISPR/Cas9 pour désactiver les gènes qui expriment deux enzymes anhydrase carbonique présentes dans les chloroplastes. Dans le passé, un autre groupe de recherche avait utilisé une méthode différente pour éliminer 99 % de l’activité de l’enzyme anhydrase, et les plantes poussaient normalement. Mais lorsque Hanson et ses collègues ont supprimé 100 % de l’activité de l’enzyme, les plantes ont à peine poussé. “Cela a montré que les plantes ont besoin de cette enzyme pour fabriquer du bicarbonate qui est utilisé dans les voies pour fabriquer des composants du tissu foliaire”, a déclaré Hanson.
Lorsqu’ils ont placé les plantes dans une chambre de croissance à haute teneur en CO2, elles ont repris une croissance normale, car les quantités élevées de CO2 ont entraîné une réaction spontanée pour former du bicarbonate.
L’équipe pense avoir une solution de contournement pour éliminer l’anhydrase tout en ayant suffisamment de bicarbonate. Dans de futures recherches, récemment financées par une subvention de près de 800 000 $ sur trois ans de la National Science Foundation, ils prévoient de placer un transporteur de bicarbonate sur la membrane chloroplastique, afin d’importer du bicarbonate d’autres parties de la cellule dans les chloroplastes. En plus de rendre l’anhydrase inutile, le bicarbonate supplémentaire devrait améliorer la photosynthèse avant même que les carboxysomes puissent être transformés en chloroplastes.
Les expériences ont montré que l’absence d’anhydrase carbonique n’interférait pas avec la photosynthèse, contrairement aux idées reçues.
Un problème potentiel est que l’anhydrase carbonique présente dans les chloroplastes est connue pour être impliquée dans les voies de défense de la plante. Cependant, les chercheurs du groupe de Hanson ont découvert qu’ils pouvaient incorporer une version enzymatiquement inactive de l’anhydrase carbonique tout en maintenant la défense de la plante.
“Nous savons maintenant que nous pouvons fabriquer une enzyme inactive qui n’affectera pas notre mécanisme de concentration du carbone mais permettra toujours aux plantes cultivées d’être résistantes aux virus”, a déclaré Hanson.
Référence : « L’absence d’anhydrase carbonique dans les chloroplastes affecte C3 plant development but not photosynthèse » par Kevin M. Hines, Vishalsingh Chaudhari, Kristen N. Edgeworth, Thomas G. Owens et Maureen R. Hanson, 11 août 2021, Actes de l’Académie nationale des sciences.
DOI : 10.1073/pnas.2107425118
L’étude a été financée par le programme de biologie synthétique de la National Science Foundation.
