Comment les scientifiques aident les plantes à tirer le meilleur parti de la photosynthèse
La photosynthèse est le point de départ de presque toutes les chaînes alimentaires, qui assurent la survie de la plupart des formes de vie sur Terre. On pourrait donc penser que la nature a perfectionné l'art de transformer la lumière du soleil en sucre. Mais ce n'est pas tout à fait vrai. Si vous avez du mal à atteindre vos objectifs de vie, vous serez peut-être rassuré de savoir que même les plantes n'ont pas encore atteint leur plein potentiel.
Chaque trait évolutif est un compromis entre le bénéfice qu’il procure et son coût en énergie. Les plantes que nous avons domestiquées pour notre alimentation ne sont capables de convertir la lumière du soleil en sucre que dans la mesure où elles doivent l’être pour survivre et se reproduire. À partir d’une quantité donnée de soleil, la plupart des plantes convertissent moins de 5 % de cette énergie lumineuse en biomasse et, dans certaines conditions, moins de 1 %.
Nous disposons désormais des connaissances et des outils nécessaires pour optimiser la photosynthèse dans toute une gamme de cultures vivrières. Mais les scientifiques ne se contentent pas d’étudier par curiosité la manière dont nous aidons les plantes à améliorer leur photosynthèse. Les phénomènes météorologiques liés au changement climatique, comme les sécheresses et les inondations, détruisent les cultures et menacent les rendements agricoles dans le monde entier. Ces recherches visent à garantir que nous puissions produire suffisamment de nourriture pour nous nourrir.
Les plantes comme le blé produisent parfois par erreur une substance toxique appelée 2-phosphoglycolate, qui doit ensuite être recyclée à l'intérieur de la plante, ce qui lui coûte de l'énergie. Les scientifiques appellent ce phénomène la photorespiration. Cela se produit lorsqu'une enzyme essentielle au processus de photosynthèse, la rubisco, s'accroche par erreur à une molécule d'oxygène au lieu de dioxyde de carbone.
La Rubisco commet cette erreur jusqu’à 40 % du temps. Cela se produit parce qu’il y a désormais beaucoup plus d’oxygène dans l’atmosphère que par le passé, apporté par les tout premiers organismes photosynthétiques, les cyanobactéries – des organismes microscopiques présents dans l’eau. La hausse des températures entraîne également une augmentation de la photorespiration.
Si nous pouvions éviter cette erreur, les plantes auraient plus d’énergie pour la photosynthèse.
Capturer la lumière du soleil
Notre projet de recherche, PhotoBoost, étudie comment créer une sorte de dérivation interne qui réduit la photorespiration dans les plants de riz et de pomme de terre, deux des cultures les plus importantes au monde.
De la même manière qu'un pontage coronarien permet de contourner les artères rétrécies ou obstruées chez l'homme, le pontage photorespiratoire donne aux plantes les outils génétiques dont elles ont besoin pour minimiser l'erreur de rubisco. Les gènes des cyanobactéries rendent cette amélioration photosynthétique et d'autres possibles, car ils hébergent une série d'enzymes permettant une meilleure gestion de la lumière du soleil.
D’autres chercheurs s’intéressent à des plantes comme le maïs, qui ont développé leurs propres moyens de gérer la photorespiration, comme source d’inspiration – et de gènes – pour le riz.
Nous améliorons également la vitesse à laquelle les plantes réagissent aux changements d'intensité lumineuse, car cela affecte également la photosynthèse. Les plantes arrêtent leur mécanisme photosynthétique si elles reçoivent trop de soleil (lorsque la lumière est plus intense), après quoi elles peuvent mettre du temps à redémarrer la photosynthèse lorsque le temps se rafraîchit, par exemple lorsque les nuages s'enroulent.
Un groupe de recherche aux États-Unis a récemment montré que l’accélération de ce processus de photoprotection dans le soja peut conduire à une augmentation de 33 % du rendement en graines.
Sur PhotoBoost, nous discutons avec des chercheurs, des agronomes et des agriculteurs du monde entier pour comprendre comment répondre aux besoins de la société à cette nouvelle frontière de la science végétale. Selon Elizabete Carmo-Silva et Ana Moreira Lobo, collègues de l'Université de Lancaster : « Le changement climatique, la baisse des rendements et le stress hydrique constituent des défis majeurs pour la production alimentaire de ce siècle. »
Leur équipe étudie les réponses des plantes à la lumière et à la température, en accordant une attention particulière à l’enzyme rubisco. L’augmentation du rendement est peut-être le gain le plus évident de l’amélioration de la photosynthèse, mais elle contribuera également à rendre les plantes plus résistantes à la sécheresse et au stress thermique.
Nouveaux outils
L'édition génétique, un nouvel outil dans l'arsenal des sélectionneurs de cultures, permet aux scientifiques d'activer et de désactiver des gènes, testant ainsi leur effet sur les performances des plantes. Une fois que nous connaissons leur fonction, ces gènes peuvent être supprimés, favorisés ou, comme cela se fait dans les cultures commerciales depuis les années 1990, introduits par modification génétique.
À l’Université Nova de Lisbonne, au Portugal, Nelson Saibo et Isabel Abreu nous expliquent que les outils dont disposent aujourd’hui les obtenteurs de végétaux sont plus « précis ». Leur équipe utilise l’édition génétique pour améliorer la photosynthèse du riz.
Les producteurs de pommes de terre avec lesquels nous avons récemment discuté dans l’est de l’Angleterre ont vu dans une plus grande efficacité de la photosynthèse un moyen de libérer des terres pour la nature – par exemple en plantant des arbres sur des sites forestiers anciens ou en restaurant des tourbières dans les Fens – car des plantes plus efficaces signifient qu’il en faut moins pour obtenir le même rendement. Leur principale préoccupation était de savoir si les principaux distributeurs britanniques seraient prêts à défendre les cultures génétiquement modifiées.
Outre Photoboost, l'Union européenne finance d'autres programmes de photosynthèse à travers les projets Gain4crops (tournesol) et Capitalise (tomate, maïs et orge). Améliorer la photosynthèse n'est pas la solution miracle à de nombreux problèmes agricoles auxquels nous sommes confrontés. Mais combiner les connaissances et les nouveaux outils nous aidera à tirer le meilleur parti de la lumière.
Jonathan Menary, chercheur postdoctoral, Centre de médecine tropicale et de santé mondiale, Université d'Oxford; Sebastian Fuller, chercheur en sciences de la mise en œuvre, Université d'Oxfordet Stefan Schillberg, directeur exécutif, Institut Fraunhofer IME
