Bientôt du « super-riz » ?

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Alors que les plantes convertissent la lumière du soleil en sucre, leurs cellules jouent avec le feu. La photosynthèse génère des sous-produits chimiques qui peuvent endommager la machinerie de conversion de la lumière elle-même – et plus le temps est chaud, plus le processus risque de s’emballer car certaines réactions chimiques s’accélèrent et d’autres ralentissent. Maintenant, une équipe de généticiens a conçu des plantes pour mieux réparer les dommages causés par la chaleur, une avancée qui pourrait aider à préserver les rendements des cultures car le réchauffement climatique (?) rendra les vagues de chaleur plus courantes. Et sans une surprise, ce changement a rendu les plantes plus productives à des températures normales.

« C’est une nouvelle passionnante », explique Maria Ermakova de l’Université nationale australienne, qui travaille à l’amélioration de la photosynthèse. La modification génétique a fonctionné dans trois types de plantes – une moutarde (Arabidopsis thaliana) qui est le modèle de plante de laboratoire le plus courant, le tabac et le riz, suggérant que n’importe quelle plante cultivée pourrait être aidée. Le travail a détourné la sagesse conventionnelle des scientifiques de la photosynthèse, et certains biologistes des plantes se demandent exactement comment le gène ajouté produit des avantages. Pourtant, Peter Nixon, biochimiste des plantes à l’Imperial College de Londres, prévoit que l’étude « attirera une attention considérable ».

Lorsque les plantes sont exposées à la lumière, un complexe de protéines appelé photosystème II (PSII, un complexe d’une vingtaine de protéines, de pigments et de manganèse) dynamise les électrons qui aident ensuite à alimenter la photosynthèse ( lien en fin de billet en anglais et illustration ci-dessus). Mais la chaleur ou la lumière intense peuvent endommager une sous-unité clé, connue sous le nom de D1, interrompant le travail du PSII jusqu’à ce que la plante en fabrique et en insère une nouvelle dans le complexe. Les plantes qui produisent du D1 supplémentaire devraient aider à accélérer ces réparations. Les chloroplastes, les organites qui hébergent la photosynthèse, ont leur propre ADN, y compris un gène codant pour la protéine D1, et la plupart des biologistes ont supposé que la protéine devait être fabriquée dans le chloroplaste. Mais le génome chloroplastique est beaucoup plus difficile à modifier que les gènes du noyau d’une cellule végétale.

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Une équipe dirigée par le biologiste moléculaire des plantes Fang-Qing Guo de l’Académie chinoise des sciences a parié que le D1 fabriqué par un gène nucléaire pourrait tout aussi bien fonctionner – et être rendu plus efficace – car sa synthèse dans le cytoplasme au lieu du chloroplaste serait protégée des sous-produits corrosifs des réactions photosynthétiques. Guo et ses collègues ont testé l’idée dans la moutarde Arabidopsis thaliana. Ils ont pris son gène chloroplastique codant pour D1, l’ont couplé à une séquence d’ADN qui s’allume pendant le stress thermique et l’ont déplacé vers le noyau.

L’équipe a découvert que les semis modifiés d’Arabidopsis pouvaient survivre à une chaleur extrême en laboratoire – 8 heures et demi à 41 ° C – qui a tué la plupart des plantes témoins. Le même gène d’Arabidopsis protégeait également le tabac et le riz. Dans les trois espèces, la photosynthèse et la croissance ont diminué moins que dans les plantes témoins survivantes à un strress de température. Et en 2017, lorsque Shanghai a dépassé 36 ° C pendant 18 jours, le riz transgénique planté dans des parcelles d’essai a donné 8 à 10% de céréales de plus que les plantes témoins. Le choc thermique a ressemblé à ce qui s’est passé à des températures normales. Les plantes modifiées des trois espèces avaient une meilleure photosynthèse – le taux de photosynthèse du tabac a augmenté de 48% – et elles ont montré une croissance supérieure à celles des plantes témoins. Au champ, le riz transgénique a produit jusqu’à 20% de céréales en plus. «Cela nous a vraiment surpris», dit Guo. «Je sentais que nous avions attrapé un gros poisson.»

Le chercheur vétéran en photosynthèse Donald Ort de l’Université de l’Illinois, Urbana-Champaigne, a déclaré que le groupe présentait des preuves crédibles des avantages de la plante, mais il n’était pas encore convaincu que le D1 fabriqué par les gènes nucléaires aurait pu réparer le PSII dans le chloroplaste. «Tout ce qui est potentiellement important va susciter un certain scepticisme. Il y a beaucoup d’expériences à faire pour comprendre pourquoi cela fonctionne », a-t-il dit.

Guo prévoit de nouveaux tests du mécanisme. Il a également un objectif pratique : une augmentation plus importante du rendement du riz. Le gain de productivité que son équipe a constaté chez Arabidopsis modifié était la plus grande des trois espèces – 80% de biomasse de plus que les témoins – peut-être parce que les chercheurs ont simplement déplacé le propre gène D1 d’Arabidopsis. Guo pense que le rendement du riz pourrait également augmenter s’il pouvait être modifié avec son propre gène chloroplastique plutôt que celui de la moutarde, ce qui « réchaufferait encore plus ces résultats déjà très chauds ».

https://www.nature.com/articles/s41477-020-0629-z

Lire aussi : https://en.wikipedia.org/wiki/Photosystem_II