Les capacités supérieures de photosynthèse de certaines plantes pourraient être la clé de cultures résistantes au climat

Les capacités supérieures de photosynthèse de certaines plantes pourraient être la clé de cultures résistantes au climat

Les scientifiques de Salk découvrent comment certaines espèces végétales ont développé une approche de photosynthèse plus efficace ; ces résultats pourraient aider à rendre les cultures comme le riz et le blé plus résistantes au changement climatique

LA JOLLA — Il y a plus de 3 milliards d'années, sur une Terre entièrement recouverte d'eau, la photosynthèse a d'abord évolué chez de petites bactéries anciennes. Au cours des millions d'années qui ont suivi, ces bactéries ont évolué en plantes, s'optimisant au fil du temps pour s'adapter aux différents changements environnementaux. Cette évolution a été ponctuée, il y a environ 30 millions d'années, par l'émergence d'une nouvelle méthode de photosynthèse plus performante. Tandis que des plantes comme le riz continuaient d'utiliser une ancienne forme de photosynthèse appelée C3, d'autres, comme le maïs et le sorgho, ont développé une version plus récente et plus efficace appelée C4.

Il existe aujourd'hui plus de 8,000 4 espèces différentes de plantes C3, qui poussent particulièrement bien dans les climats chauds et secs et comptent parmi les espèces cultivées les plus productives au monde. Cependant, la grande majorité des plantes fonctionnent encore grâce à la photosynthèse C4. Comment les plantes C3 sont-elles apparues ? Les plantes CXNUMX pourraient-elles connaître une évolution similaire ?

Aujourd'hui, pour la première fois, les scientifiques et collaborateurs de Salk à l'Université de Cambridge ont découvert une étape clé que les plantes C4 comme le sorgho devaient franchir pour évoluer et devenir si efficaces en matière de photosynthèse - et comment nous pourrions utiliser ces informations pour rendre les cultures comme le riz, le blé et le soja plus productives et plus résistantes face au réchauffement climatique.

Les résultats ont été publiés dans Nature En novembre 20, 2024.

« Se demander ce qui différencie les plantes C3 et C4 n’est pas seulement important du point de vue biologique de base, qui consiste à vouloir savoir pourquoi quelque chose a évolué et comment il fonctionne au niveau moléculaire », explique le professeur Joseph Ecker, auteur principal de l'étude, titulaire de la chaire de génétique du Conseil international Salk et chercheur à l'Institut médical Howard Hughes. « Répondre à cette question est un grand pas en avant pour comprendre comment produire les cultures les plus robustes et les plus productives possibles face au changement climatique et à la croissance démographique mondiale. »

Environ 95 % des plantes utilisent la photosynthèse en C3, au cours de laquelle les cellules du mésophylle – des cellules spongieuses vertes situées à l'intérieur des feuilles – transforment la lumière, l'eau et le dioxyde de carbone en sucres essentiels à la croissance des plantes. Malgré sa forte prévalence, la photosynthèse en C3 présente deux défauts majeurs : 1) dans 20 % des cas, l'oxygène est utilisé accidentellement à la place du dioxyde de carbone et doit être recyclé, ce qui ralentit le processus et gaspille de l'énergie ; et 2) les pores à la surface des feuilles s'ouvrent trop souvent en attendant l'entrée du dioxyde de carbone, ce qui entraîne une perte d'eau et une vulnérabilité accrue à la sécheresse et à la chaleur.

Heureusement, l'évolution a résolu ces problèmes grâce à la photosynthèse en C4. Les plantes en C4 recrutent des cellules de la gaine fasciculaire, qui servent normalement de support aux nervures des feuilles, pour réaliser la photosynthèse aux côtés des cellules du mésophylle. Ainsi, les plantes en C4 éliminent ces erreurs d'utilisation de l'oxygène pour économiser l'énergie et ferment plus souvent les pores de leur surface pour conserver l'eau. Il en résulte une augmentation de 50 % de leur efficacité par rapport aux plantes en C3.

Mais au niveau moléculaire, qu'est-ce qui a transformé les plantes C3 en plantes C4 ? Et les scientifiques pourraient-ils transformer les cultures C3 en cultures C4 ?

Pour répondre à ces questions, les scientifiques de Salk ont utilisé une technologie de pointe de génomique unicellulaire pour étudier la différence entre le riz C3 et le sorgho C4. Alors que les méthodes précédentes étaient trop imprécises pour distinguer les cellules voisines comme les cellules du mésophylle et de la gaine fasciculaire, la génomique unicellulaire a permis à l'équipe d'étudier les changements génétiques et structurels de chaque type cellulaire des deux plantes.

« Nous avons été surpris et ravis de constater que la différence entre les plantes C3 et C4 ne réside pas dans la suppression ou l'ajout de gènes spécifiques », explique Ecker. « La différence se situe plutôt au niveau de la régulation, ce qui pourrait nous permettre, à long terme, d'optimiser la photosynthèse C4 des cultures C3. »

Toutes les cellules d'un organisme contiennent les mêmes gènes, mais l'identité et la fonction de chaque cellule dépendent de l'expression de ces gènes à un instant T. L'expression des gènes peut notamment être modifiée par l'activité des facteurs de transcription. Ces protéines reconnaissent et se lient à de petits fragments d'ADN proches des gènes, appelés éléments régulateurs. Une fois positionnés au niveau de l'élément régulateur, les facteurs de transcription peuvent activer ou désactiver les gènes voisins.

En mesurant l'expression génétique chez le riz et le sorgho, les scientifiques ont découvert qu'une famille de facteurs de transcription, communément appelée DOF, était responsable de l'activation des gènes responsables de la production des cellules de la gaine fasciculaire chez les deux espèces. Ils ont également constaté que les DOF se lient au même élément régulateur chez les deux espèces. Cependant, chez les plants de sorgho C4, cet élément régulateur n'était pas seulement associé aux gènes d'identité de la gaine fasciculaire, il activait également les gènes de la photosynthèse. Cela suggère que les plants C4 ont, à un moment donné, ajouté des éléments régulateurs ancestraux des gènes de la gaine fasciculaire aux gènes de la photosynthèse, de sorte que les DOF activent les deux groupes de gènes simultanément. Cela expliquerait comment les cellules de la gaine fasciculaire des plants C4 ont acquis la capacité de photosynthèse.

Ces expériences ont révélé que les plantes C3 et C4 contiennent les gènes et les facteurs de transcription nécessaires au processus supérieur de photosynthèse C4, une découverte prometteuse pour les scientifiques qui espèrent inciter les plantes C3 à utiliser la photosynthèse C4.

« Nous disposons désormais d'un modèle expliquant comment différentes plantes utilisent l'énergie solaire pour survivre dans différents environnements », explique Joseph Swift, co-auteur principal de l'étude et chercheur postdoctoral au laboratoire d'Ecker. « L'objectif ultime est d'essayer d'activer la photosynthèse C4 et, ainsi, de créer des cultures plus productives et plus résilientes pour l'avenir. »

La prochaine étape pour l'équipe est de déterminer si le riz peut être modifié pour utiliser la photosynthèse en C4 plutôt qu'en C3. Il s'agit d'un objectif à très long terme, qui présente d'importants défis techniques, relevés par un projet collaboratif mondial appelé « Programme de recherche sur le riz ».Projet Riz C4.” Plus immédiatement, les résultats éclaireront la Initiative Salk pour l'exploitation des plantesLa mission de 's est de créer des cultures optimisées qui combattent et résistent simultanément à la menace du changement climatique.

Leurs données génomiques unicellulaires ont également été partagées comme ressource pour les scientifiques du monde entier, suscitant rapidement l’enthousiasme pour leurs réponses à ce mystère de longue date de l’évolution.

Parmi les autres auteurs figurent Travis Lee et Joseph Nery de Salk, ainsi que Leonie Luginbuehl, Lei Hua, Tina Schreier, Ruth Donald, Susan Stanley, Na Wang et Julian Hibberd de l'Université de Cambridge au Royaume-Uni.

Les travaux ont été soutenus par le Howard Hughes Medical Institute, le Biotechnology and Biological Sciences Research Council, le C4 Rice Project, la Fondation Bill et Melinda Gates, la Life Sciences Research Foundation, la Herchel Smith Fellowship et l'Organisation européenne de biologie moléculaire.

DOI: 10.1038/s41586-024-08204-3