Une nouvelle étude menée par des chercheurs de la Michigan State University souligne que nous avons encore beaucoup à apprendre sur le fonctionnement des plantes et leur valeur nutritive à mesure que davantage de carbone pénètre dans notre atmosphère.
Ce même afflux de carbone contribue au changement climatique, ce qui signifie que ce nouveau travail, publié dans la revue Plantes naturelles, peut révéler une manière inattendue dont ce phénomène mondial remodèle la nature et nos vies.
« Ce que nous constatons, c’est qu’il existe un lien entre le changement climatique et la nutrition », a déclaré Berkley Walker, professeur adjoint au Département de biologie végétale dont l’équipe de recherche a rédigé le nouveau rapport. « C’est quelque chose que nous ne savions pas que nous examinerions lorsque nous avons commencé. »
Bien que des niveaux élevés de dioxyde de carbone puissent être bons pour la photosynthèse, Walker et son laboratoire ont également montré que l’augmentation des niveaux de CO2 peut perturber d’autres processus métaboliques chez les plantes. Et ces processus moins connus pourraient avoir des implications pour d’autres fonctions comme la production de protéines.
« Les plantes aiment le CO2. Si vous leur en donnez plus, elles produiront plus de nourriture et elles grossiront », a déclaré Walker, qui travaille au College of Natural Science et au MSU-Department of Energy Plant Research Laboratory. « Mais que se passe-t-il si vous obtenez une plante plus grosse qui a une teneur en protéines plus faible ? Elle sera en fait moins nutritive. »
Il est trop tôt pour dire avec certitude si les plantes sont confrontées à un avenir pauvre en protéines, a déclaré Walker. Mais la nouvelle recherche soulève des questions surprenantes sur la façon dont les plantes fabriqueront et métaboliseront les acides aminés – qui sont des éléments constitutifs des protéines – avec plus de dioxyde de carbone.
Et plus nous travaillerons dur pour répondre à ces questions maintenant, mieux nous serons préparés pour affronter l’avenir, a déclaré le premier auteur du rapport et chercheur postdoctoral, Xinyu Fu.
« Plus nous en savons sur la façon dont les plantes utilisent différentes voies métaboliques dans des environnements fluctuants, mieux nous pouvons trouver des moyens de manipuler le flux métabolique et, finalement, de concevoir des plantes pour qu’elles soient plus efficaces et nutritives », a déclaré Fu.
Si au début les plantes ne réussissent pas, il y a photorespiration
Les bases de la photosynthèse sont réputées simples : les plantes prélèvent de l’eau et du dioxyde de carbone de leur environnement et, grâce à la puissance de la lumière du soleil, transforment ces ingrédients en sucre et en oxygène.
Mais parfois, ce processus commence du mauvais pied. L’enzyme responsable de la collecte du dioxyde de carbone peut à la place s’accrocher aux molécules d’oxygène.
Cela produit un sous-produit qui, s’il n’est pas contrôlé, étoufferait essentiellement l’usine, a déclaré Walker. Heureusement, cependant, les plantes ont développé un processus appelé photorespiration qui élimine le sous-produit nocif et permet à l’enzyme de prendre une autre tournure lors de la photosynthèse.
La photorespiration n’est pas aussi célèbre que la photosynthèse, et elle a parfois mauvaise réputation car elle absorbe du carbone et de l’énergie qui pourraient être utilisés pour fabriquer de la nourriture. Aussi inefficace soit-elle, la photorespiration est meilleure que l’alternative.
« C’est un peu comme le recyclage », a déclaré Walker. « Ce serait formidable si nous n’en avions pas besoin, mais tant que nous produisons des déchets, autant les utiliser. »
Pour faire son travail, la photorespiration incorpore du carbone dans d’autres molécules ou métabolites, dont certains sont des acides aminés, précurseurs des protéines.
« Donc, la photorespiration n’est pas seulement du recyclage, elle pourrait être de l’upcycling », a déclaré Walker.
Il y a une raison pour laquelle Walker a utilisé « pourrait être » au lieu de « est » dans sa déclaration. La photorespiration recèle encore quelques mystères, et le sort de ses métabolites en fait partie.
Détective métabolique
En ce qui concerne la destination des acides aminés produits par la photorespiration, une théorie établie était qu’ils restaient dans une boucle fermée. Cela signifie que les métabolites fabriqués au cours du processus sont limités à un groupe restreint d’organites et de processus biochimiques.
Maintenant, les chercheurs de MSU ont montré que ce n’est pas toujours le cas. En particulier, ils ont montré que les acides aminés glycine et sérine sont capables d’échapper aux limites de cette boucle fermée.
Ce que deviennent finalement les composés est une question persistante et qui pourrait devenir de plus en plus importante à mesure que les niveaux de dioxyde de carbone augmentent.
Les plantes photorespirent moins lorsque plus de dioxyde de carbone est disponible, les scientifiques devront donc approfondir la façon dont les plantes produisent et utilisent ces acides aminés dans leur ensemble, a déclaré Walker.
Pour le moment, cependant, lui et son équipe sont ravis d’avoir atteint cette découverte, ce qui n’était pas une mince affaire. Il s’agissait d’alimenter les plantes avec un type spécial de dioxyde de carbone dans lequel les atomes de carbone avaient un neutron de plus que le carbone généralement présent dans l’atmosphère.
Un neutron est une particule subatomique, et en tant que tel, il a une très petite masse. Si vous preniez un trombone, que vous le coupiez en un billion de morceaux, puis que vous coupiez l’un de ces morceaux en un billion de plus, les plus petits morceaux auraient à peu près la même masse qu’un neutron.
Mais la collaboration MSU disposait des outils et de l’expertise nécessaires pour mesurer cette subtile différence de masse. Ces mesures, associées à une modélisation informatique, ont permis aux chercheurs de suivre ce carbone légèrement costaud et de voir comment les plantes l’intègrent à différents stades métaboliques lorsque les conditions favorisent la photorespiration.
« Cette nouvelle technique a permis une compréhension meilleure et plus quantitative des voies métaboliques importantes chez les plantes », a déclaré Fu. « Avec la nouvelle approche de flux, nous avons commencé à révéler l’état dynamique des voies métaboliques et à comprendre le métabolisme comme un système dans son ensemble. »
« J’ai dit que mon laboratoire pouvait le faire sur ma demande d’emploi, mais je n’étais pas totalement sûr que cela fonctionnerait », a déclaré Walker, qui a rejoint MSU en 2018. Le fait que cela ait fonctionné est un crédit à l’équipe sur le papier , qui comprend également l’étudiant diplômé Luke Gregory et le professeur adjoint de recherche Sean Weise.
Mais d’autres collègues de MSU ont également aidé, notamment le professeur distingué de l’université Thomas Sharkey, le professeur Yair Shachar-Hill et l’équipe du Mass Spectrometry and Metabolomics Core.
« Venir à MSU a permis que cela se produise », a déclaré Walker.
Plus d’information:
Xinyu Fu et al, L’analyse intégrée du flux et de la taille du pool dans le métabolisme central des plantes révèle les rôles uniques de la glycine et de la sérine pendant la photorespiration, Plantes naturelles (2022). DOI : 10.1038/s41477-022-01294-9