Une étude de Cornell décrit une percée dans la quête pour améliorer la photosynthèse de certaines cultures, une étape vers l’adaptation des plantes aux changements climatiques rapides et l’augmentation des rendements pour nourrir 9 milliards de personnes d’ici 2050.
L’étude, « Améliorer l’efficacité de Rubisco en ressuscitant ses ancêtres dans la famille des solanacées », a été publiée le 15 avril dans Avancées scientifiques. L’auteur principal est Maureen Hanson, professeur Liberty Hyde Bailey de biologie moléculaire végétale au Collège d’agriculture et des sciences de la vie. Le premier auteur Myat Lin est un associé de recherche postdoctoral dans le laboratoire de Hanson.
Les auteurs ont développé une technique de calcul pour prédire les séquences de gènes favorables qui font de Rubisco, une enzyme végétale clé pour la photosynthèse. La technique a permis aux scientifiques d’identifier des enzymes candidates prometteuses qui pourraient être intégrées dans les cultures modernes et, en fin de compte, rendre la photosynthèse plus efficace et augmenter les rendements des cultures.
Leur méthode reposait sur l’histoire de l’évolution, où les chercheurs ont prédit les gènes Rubisco il y a 20 à 30 millions d’années, lorsque les niveaux de dioxyde de carbone (CO2) de la Terre étaient plus élevés qu’ils ne le sont aujourd’hui et que les enzymes Rubisco des plantes ont été adaptées à ces niveaux.
En ressuscitant l’ancien Rubisco, les premiers résultats sont prometteurs pour le développement d’enzymes Rubisco plus rapides et plus efficaces à incorporer dans les cultures et à les aider à s’adapter aux conditions futures chaudes et sèches, car les activités humaines augmentent les concentrations de gaz CO2 piégeant la chaleur dans l’atmosphère terrestre.
L’étude décrit les prédictions de 98 enzymes Rubisco à des moments clés de l’histoire évolutive des plantes de la famille des solanacées, qui comprennent la tomate, le poivron, la pomme de terre, l’aubergine et le tabac. Les chercheurs utilisent le tabac comme modèle expérimental pour leurs études sur Rubisco.
« Nous avons pu identifier les enzymes ancestrales prédites qui ont des qualités supérieures par rapport aux enzymes actuelles », a déclaré Hanson. Lin a développé la nouvelle technique pour identifier les anciennes enzymes Rubisco prédites.
Les scientifiques savent qu’ils peuvent augmenter les rendements des cultures en accélérant la photosynthèse, où les plantes convertissent le CO2, l’eau et la lumière en oxygène et en sucres que les plantes utilisent pour l’énergie et pour la construction de nouveaux tissus.
Pendant de nombreuses années, les chercheurs se sont concentrés sur Rubisco, une enzyme lente qui extrait (ou fixe) le carbone du CO2 pour créer des sucres. En plus d’être lent, Rubisco catalyse aussi parfois une réaction avec l’oxygène de l’air ; ce faisant, il crée un sous-produit toxique, gaspille de l’énergie et rend la photosynthèse inefficace.
Le laboratoire de Hanson avait précédemment essayé d’utiliser Rubisco à partir de cyanobactéries (algues bleu-vert), qui est plus rapide mais réagit également facilement avec l’oxygène, obligeant les chercheurs à essayer de créer des micro-compartiments pour protéger l’enzyme de l’oxygène, avec des résultats mitigés. D’autres chercheurs ont essayé de concevoir un Rubisco plus optimal en modifiant les acides aminés de l’enzyme, bien que l’on sache peu de choses sur les changements qui conduiraient aux résultats souhaités.
Dans cette étude, Lin a reconstruit une phylogénie – un diagramme en forme d’arbre montrant la relation évolutive entre des groupes d’organismes – de Rubisco, en utilisant des plantes Solanacées.
« En obtenant beaucoup de [genetic] séquences de Rubisco dans les plantes existantes, un arbre phylogénétique pourrait être construit pour déterminer quel Rubisco existait probablement il y a 20 à 30 millions d’années », a déclaré Hanson.
L’avantage d’identifier d’anciennes séquences Rubisco potentielles est que les niveaux de dioxyde de carbone atteignaient peut-être 500 à 800 parties par million (ppm) dans l’atmosphère il y a 25 à 50 millions d’années. Aujourd’hui, les niveaux de CO2 piégeant la chaleur augmentent fortement en raison de nombreuses activités humaines, avec des mesures actuelles d’environ 420 ppm, après être restées relativement constantes sous 300 ppm pendant des centaines de millénaires jusqu’aux années 1950.
Lin, Hanson et ses collègues ont ensuite utilisé un système expérimental développé pour le tabac dans le laboratoire de Hanson et décrit dans un article Nature Plants de 2020, qui utilise la bactérie E. coli pour tester en une seule journée l’efficacité de différentes versions de Rubisco. Des tests similaires effectués dans des usines prennent des mois à vérifier.
L’équipe a découvert que les anciennes enzymes Rubisco prédites à partir des plantes Solanacées modernes semblaient réellement prometteuses d’être plus efficaces.
« Pour la prochaine étape, nous voulons remplacer les gènes de l’enzyme Rubisco existante dans le tabac par ces séquences ancestrales en utilisant CRISPR [gene-editing] technologie, puis mesurer comment elle affecte la production de biomasse », a déclaré Hanson. « Nous espérons certainement que nos expériences montreront qu’en adaptant Rubisco aux conditions actuelles, nous aurons des plantes qui donneront de meilleurs rendements.
Si leur méthode s’avère fructueuse, ces séquences Rubisco efficaces pourraient être transférées dans des cultures telles que les tomates, ainsi que dans celles d’autres familles de plantes, telles que le soja et le riz.
Myat T. Lin et al, Améliorer l’efficacité de Rubisco en ressuscitant ses ancêtres dans la famille des Solanacées, Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126/sciadv.abm6871