Une enzyme clé au cœur du problème
Des chercheurs ont mis au jour une astuce moléculaire remarquable chez un groupe de plantes unique, susceptible d'améliorer significativement les rendements de cultures essentielles comme le blé et le riz.
Une étude dirigée par des équipes de l'Université Cornell et de l'Université d'Édimbourg s'attaque à un obstacle fondamental en agriculture. L'enzyme responsable de la capture du dioxyde de carbone pendant la photosynthèse, appelée Rubisco, fonctionne lentement et de manière inefficace.
"Rubisco est sans doute l'enzyme la plus importante de la planète, car elle constitue le point de départ de presque tout le carbone présent dans notre alimentation", explique le chercheur Fay-Wei Li. "Mais elle travaille lentement et se laisse facilement perturber par l'oxygène, ce qui gaspille de l'énergie et limite la capacité des plantes à pousser efficacement."
Une solution ingénieuse venue des algues
Certains organismes ont trouvé une réponse élégante à ce problème. De nombreuses espèces d'algues empaquettent Rubisco dans de minuscules compartiments spécialisés au sein de leurs cellules, appelés pyrénoïdes. Ces microscopiques bulles concentrent le dioxyde de carbone autour de l'enzyme, lui permettant de fonctionner avec bien plus d'efficacité.
Les scientifiques rêvent depuis longtemps d'installer ce type de turbosystème dans les cultures alimentaires, qui en sont naturellement dépourvues. Jusqu'à présent, transférer ce mécanisme propre aux algues vers les plantes cultivées s'est révélé extrêmement difficile.
Les anthocérotes, une clé inattendue
La percée est venue grâce à l'étude des anthocérotes, les seules plantes terrestres connues pour posséder des compartiments concentrateurs de CO2 similaires à ceux des algues. Étant évolutivement plus proches des cultures agricoles que les algues, l'équipe de recherche supposait que leurs mécanismes moléculaires seraient plus facilement transférables.
La découverte a pourtant surpris tout le monde. "Nous pensions que les anthocérotes utiliseraient quelque chose de comparable aux algues, c'est-à-dire une protéine distincte pour regrouper Rubisco", raconte le chercheur Tanner Robison. "Nous avons découvert à la place qu'ils ont directement modifié Rubisco pour accomplir ce travail."
La clé réside dans un composant protéique inhabituel que les chercheurs ont baptisé RbcS-STAR. Rubisco est constituée de grandes et de petites sous-unités protéiques. Chez les anthocérotes, une variante de la petite sous-unité possède une queue supplémentaire, la région STAR, qui agit comme une sorte de velcro moléculaire, permettant aux protéines Rubisco de s'agripper entre elles et de se regrouper.
STAR : le moteur de l'agrégation
Pour vérifier si STAR fonctionne au-delà de son anthocérote d'origine, l'équipe a mené une série d'expériences. Ils ont d'abord introduit RbcS-STAR dans une espèce d'anthocérote étroitement apparentée qui ne possède pas naturellement de pyrénoïdes. Résultat : Rubisco est passée d'une distribution diffuse dans la cellule à des structures concentrées ressemblant à des pyrénoïdes.
Ils ont ensuite reproduit la même expérience avec Arabidopsis, une plante couramment utilisée comme organisme modèle en laboratoire. Là encore, Rubisco a formé des compartiments denses dans les chloroplastes de la plante.
"Nous avons même essayé de greffer uniquement la queue STAR sur la propre Rubisco d'Arabidopsis, et cela a provoqué le même regroupement", précise Alistair McCormick, professeur à l'Université d'Édimbourg. "Cela démontre que STAR est véritablement la force motrice. C'est un outil modulaire capable de fonctionner dans différents systèmes végétaux."
C'est précisément cette transférabilité qui rend la découverte si prometteuse pour l'agriculture. Elle laisse entendre que les chercheurs pourraient déclencher l'agrégation de Rubisco dans les cultures en ajoutant un seul élément velcro universel, plutôt que d'avoir à intégrer un système complexe à multiples composants.
Des défis restent à surmonter
Quelques obstacles demeurent néanmoins. Il faut désormais, par exemple, créer une sorte de conduit pour acheminer le CO2 jusqu'à Rubisco. "Nous avons construit une maison pour Rubisco, mais elle ne deviendra efficace que si nous améliorons aussi la ventilation et la climatisation", illustre Laura Gunn, maître de conférences à l'Université Cornell. L'équipe travaille actuellement à résoudre ce problème.
Malgré cela, cette découverte représente une avancée majeure dans un domaine de recherche à l'impact potentiel considérable. Même une amélioration modeste de l'efficacité de la photosynthèse pourrait augmenter les rendements agricoles tout en réduisant l'empreinte environnementale de l'agriculture, un objectif crucial dans la quête d'une production alimentaire plus durable.
"Ces travaux montrent que la nature a déjà testé des solutions dont nous pouvons nous inspirer", conclut Li. "Notre mission est de comprendre ces solutions suffisamment bien pour les appliquer là où elles sont le plus nécessaires, c'est-à-dire dans les cultures qui nourrissent le monde."
