Les cyanobactéries ont commencé à contribuer à l’oxygène à l’atmosphère principalement nocive de la Terre il y a plus de 2 milliards d’années. Le complexe protéique Photosystem II maintenant partagé par diverses lignées de cyanobactéries, d’algues et de plantes terrestres a été un site majeur de production d’oxygène tout au long de l’histoire de la vie sur Terre depuis.
Ironiquement, recevoir trop de lumière peut endommager le photosystème II et éroder l’efficacité photosynthétique des plantes. Les biochimistes de l’Université de Purdue, Steven McKenzie et Sujith Puthiyaveetil, ont glané de nouveaux détails à long terme sur la façon dont Photosysystem II se répare lui-même. Les conclusions de McKenzie et Puthiyaveetil ont été publié dans le journal Communications des plantes.
« Le Photosystème II divise l’eau et extrait les électrons et les protons, laissant l’oxygène comme sous-produit. Photosystème II alimente ainsi la vie sur Terre », a déclaré Puthiyaveetil, professeur agrégé de biochimie. Même ainsi, « il est encore assez mal compris comment ces énormes complexes de protéines qui utilisent l’énergie lumineuse pour produire de l’oxygène peuvent être réparés et maintenus si efficacement sur différentes lignées de plantes, d’algues et de cyanobactéries. »
L’objectif à long terme du projet est d’apprendre à concevoir des plantes pour avoir une meilleure efficacité photosynthétique, a déclaré McKenzie, un érudit postdoctoral en biochimie.
« La réparation de Photosystem II est un processus énergiquement cher », a déclaré McKenzie, qui a terminé son doctorat. à Purdue en 2024. « Vous devez démonter Photosystème II, dégrader les protéines endommagées, resynthétiser de nouvelles protéines et réassembler de nouveaux photosystèmes. C’est énergiquement coûteux pour le chloroplaste. »
La réparation du photosystème II dans les chloroplastes – les sites de photosynthèse dans les plantes et les algues – est déjà assez efficace, a déclaré McKenzie. « Mais vous pouvez le rendre plus efficace en accélérant le processus de réparation ou en le rendant moins énergétique. »
Les efforts récents pour manipuler les voies photoprotecteurs de la photosynthèse des plantes ont conduit à une efficacité photosynthétique accrue dans les plantes cultivées. Le génie génétique de différents aspects du cycle de réparation du Photosystème II détient également un potentiel d’amélioration de l’efficacité photosynthétique.
L’inhibition du cycle de réparation peut réduire considérablement l’efficacité de la photosynthèse, a déclaré Puthiyaveetil.
« Il s’agit d’un processus clé qui se produit tout le temps. Même en faible luminosité, le Photosystème II se retourne. En lumière élevée, le taux de dommages et de réparation augmente vraiment. Mais parfois, le taux de réparation ne peut pas suivre le taux de taux de Dommages, en particulier sous une combinaison de lumière élevée et d’autres facteurs de stress tels que la sécheresse, la salinité et la température élevée.
Alors que Photosystem II entreprend le formidable travail de division de l’eau en utilisant l’énergie à partir de la lumière du soleil, il souffre de photodamage. Pour tous les 10 millions de photons – particules de lumière – absorbées par les feuilles, un photosystème II est endommagé. Par une journée ensoleillée, une feuille de plante intercepte jusqu’à 10 photons quadrillions par seconde.
La façon dont ce complexe protéique est démonté pour éliminer et remplacer la protéine endommagée pour maintenir une photosynthèse efficace a longtemps persisté comme une question non résolue. Photosystème II est énorme par rapport aux normes moléculaires, composée d’environ 25 sous-unités protéiques, de quelques centres métalliques et de dizaines de chlorophylles et d’autres molécules de pigment.
Le nouvel article montre comment le processus chimique de l’ajout de groupes de phosphate aux protéines – « phosphorylation des protéines » – conduit certaines des étapes de démontage du photosystème II dans les plantes d’Arabidopsis. Les scientifiques connaissent depuis 1977 la phosphorylation du photosystème II. Cependant, quel rôle il a joué dans le cycle de réparation du Photosystème II était resté clair.
Les scientifiques de Purdue soupçonnaient à l’origine que la phosphorylation était uniquement responsable du démontage du Photosystème II. Ensuite, McKenzie a suggéré que la modification de la protéine oxydative peut également jouer un rôle.
« Steve pensait que peut-être les dommages oxydatifs des protéines pourraient également être un mécanisme de démontage », a déclaré Puthiyaveetil. Une expérimentation supplémentaire a révélé que les dommages aux protéines oxydatifs servent de mécanisme clé qui aide à stimuler le démontage du photosystème II, en particulier aux stades ultérieurs. « Nous avons été assez surpris par l’étendue de celui-ci. Crédit complet à Steve. »
Les cyanobactéries, les algues rouges et brunes et les plantes terrestres partagent toutes le mécanisme de réparation du Photosystème II, a déclaré McKenzie. Ce qui lui a donné l’idée, c’est que les cyanobactéries et les algues non vertes manquent de phosphorylation du photosystème II et sont pourtant capables de démonter et de réparer leurs photosystèmes.
« Nous étions intéressés de savoir s’il y avait un mécanisme alternatif qui pourrait être responsable de la conduite du démontage du Photosystème II », a déclaré McKenzie. « C’est pourquoi nous avons pensé que les dommages au Photosystème II lui-même pourraient peut-être conduire le démontage du complexe. »
La phosphorylation semble remplir deux fonctions. « Il peut conduire un démontage, mais il pourrait également assurer un mécanisme de contrôle de la qualité pour la réparation », a déclaré Puthiyaveetil. « Nous disons cela parce qu’une fois que vous avez démonté le complexe, vous devez réparer le complexe. » Et les plantes ne réparent pas leurs photosystèmes sous une haute lumière persistante. « Ils attendent que la haute lumière disparaisse. Il y a une sorte de mécanisme moléculaire derrière le retard entre les dommages et la réparation. »
Ensuite, une fois que les niveaux de lumière reviennent à la normale, la réparation et le remontage de la protéine endommagée commencent. « C’est le contrôle de la qualité », a noté Puthiyaveetil. « Peut-être que la phosphorylation empêchera la dégradation des protéines endommagées jusqu’à ce qu’elles soient déphosphorylées car la déphosphorylation s’est avérée être une condition préalable à la dégradation. »
Dans ses expériences, McKenzie a utilisé des plantes génétiquement modifiées avec différents niveaux de phosphorylation du photosystème II. Il a également manipulé les niveaux de phosphorylation en modifiant la lumière et la source des groupes de phosphate. Ce faisant, « nous pouvons voir quel changement de niveau de phosphorylation sur Photosystème II fait au cycle de démontage et de réparation », a-t-il déclaré.
Plus d’informations:
Steven D. McKenzie et al, phosphorylation des protéines et modification des protéines oxydatives favorisent le démontage du photosystème II de la plante pour la réparation, Communications des plantes (2024). Doi: 10.1016 / j.xplc.2024.101202