La photosynthèse est le moyen par lequel les plantes, les algues et les cyanobactéries extraient leur « nourriture » sous forme de biomolécules riches en énergie à partir de la lumière du soleil, du dioxyde de carbone et de l’eau. Il s’agit d’un processus complexe, à partir duquel les chercheurs sont encore en train de tirer de nombreux nouveaux détails. Une équipe dirigée par les biologistes du LMU Thilo Rühle, Bennet Reiter et le professeur Dario Leister a maintenant résolu une autre pièce du puzzle de ce processus essentiel et élucidé le rôle du facteur auxiliaire CGL160, comme le rapportent les scientifiques dans la revue La cellule végétale.
La photosynthèse se déroule en plusieurs réactions partielles au niveau des membranes dites thylakoïdes des chloroplastes, où divers pigments absorbent le rayonnement électromagnétique de la lumière solaire. Des complexes protéiques spécifiques associés à des ATP synthases convertissent ensuite cette énergie lumineuse en énergie chimique sous forme d’ATP. Cela permet à la plante, entre autres, de synthétiser des glucides comme « carburant » riche en énergie pour la respiration cellulaire. En tant que « machines moléculaires », les ATP synthases sont donc un élément essentiel du métabolisme des plantes.
La façon dont les ATP synthases sont assemblées dans la cellule n’a pas encore été entièrement clarifiée. En se basant sur l’organisme modèle Arabidopsis thaliana, les chercheurs ont maintenant pu démontrer que la protéine CGL160 joue un rôle clé dans le processus en recrutant le facteur de couplage CF1 de l’ATP synthase.
« La protéine CGL160 repose avec sa base dans la membrane thylakoïde, tandis que son domaine N-terminal fait saillie comme une tige et pêche la partie CF1 soluble des ATP synthases hors du liquide à l’intérieur des chloroplastes. Cette partie de la protéine lie le CF1 ‘ headpiece’ et facilite la liaison avec la partie de l’ATP synthase intégrée dans la membrane thylakoïde, rendant sa formation considérablement plus efficace », explique Thilo Rühle.
Racines évolutives et adaptations
Même dans des conditions de croissance défavorables, la présence de facteurs auxiliaires tels que CGL160 s’avère avantageuse : les biologistes du LMU ont découvert qu’une absence de CGL160, avec sa fonction de liaison au CF1, dans des conditions de carence en lumière impacte négativement le développement des chloroplastes.
« Nous avons observé que la structure chloroplastique des mutants correspondants souffre davantage pendant les jours courts avec seulement huit heures de lumière du jour. Nous avançons donc l’hypothèse que l’interaction entre le domaine N-terminal de CGL160 et CF1 est également une adaptation évolutive qui permet aux plantes de faire face mieux dans diverses conditions d’éclairage », déclare Rühle.
Les chercheurs ont également trouvé des indices sur l’origine évolutive de CGL160. Dans des expériences avec Arabidopsis thaliana, ils ont réussi à remplacer fonctionnellement le domaine membranaire de CGL160 par la protéine Atp1 de cyanobactéries du genre Synechocystis.
« Environ 80 % de la fonction peut être restaurée de cette manière. Cela suggère que le CGL160 dans les plantes terrestres pourrait provenir d’une protéine prédécesseur de cyanobactéries », explique Rühle. En effet, les cellules végétales ont acquis leurs chloroplastes par incorporation et intégration fonctionnelle de cyanobactéries.
Voie potentielle de régulation de la photosynthèse
Cela a déclenché l’émergence d’un plan de synthèse complexe pour la machinerie photosynthétique. Pour mieux comprendre ce plan, les biologistes du LMU veulent maintenant identifier tous les facteurs auxiliaires, en plus du CGL160 et d’une poignée d’autres facteurs actuellement connus, qui sont importants pour l’assemblage et la fonction des ATP synthases dans les membranes thylakoïdes des plantes.
« Nous supposons qu’il y a beaucoup moins de facteurs impliqués ici que dans les photosystèmes eux-mêmes – en conséquence, l’ATP synthase est une voie potentielle plus facile pour la régulation de la photosynthèse », explique Rühle. « À l’avenir, les gens pourraient utiliser ces connaissances pour diverses applications, telles que la modification des plantes afin qu’elles puissent couvrir de manière optimale leurs besoins en ATP même lorsqu’elles sont exposées à des facteurs de stress comme la chaleur ou des conditions de lumière extrêmes. »
Plus d’information:
Bennet Reiter et al, le recrutement médié par CGL160 du facteur de couplage CF1 est nécessaire pour un assemblage efficace de l’ATP synthase des thylakoïdes, la photosynthèse et le développement des chloroplastes chez Arabidopsis. La cellule végétale (2022). DOI : 10.1093/plcell/koac306