L'équipe a utilisé le supercalculateur Titan de l'ORNL pour comparer les génomes de Kalanchoe fedtschenkoi (rangée arrière) et Phalaenopsis equestris , ou orchidée (première rangée), aussi bien que Ananas comosus , ou ananas. Crédit :Jason Richards/Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie
Les scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie ont identifié un ensemble commun de gènes qui permettent à différentes plantes résistantes à la sécheresse de survivre dans des conditions semi-arides, qui pourrait jouer un rôle important dans la bio-ingénierie et la création de cultures énergétiques tolérantes aux déficits hydriques.
Les plantes prospèrent dans les zones arides en gardant leurs stomates, ou pores, fermé pendant la journée pour conserver l'eau et ouvert la nuit pour collecter le dioxyde de carbone. Cette forme de photosynthèse, connu sous le nom de métabolisme de l'acide crassulacéen ou CAM, a évolué pendant des millions d'années, construire des caractéristiques d'économie d'eau dans les usines telles que Kalanchoé , orchidée et ananas.
« CAM est un mécanisme éprouvé pour augmenter l'efficacité de l'utilisation de l'eau dans les usines, " Le co-auteur de l'ORNL, Xiaohan Yang, a déclaré. " Alors que nous révélons les éléments constitutifs de la photosynthèse CAM, nous pourrons faire de la bio-ingénierie les processus métaboliques des cultures gourmandes en eau comme le riz, blé, le soja et le peuplier pour accélérer leur adaptation aux environnements limités en eau.
Les scientifiques étudient une variété de plantes résistantes à la sécheresse pour percer le mystère de la photosynthèse CAM. Pour ce travail, l'équipe dirigée par l'ORNL a séquencé le génome de Kalanchoe fedtschenkoi , un modèle émergent pour la recherche en génomique CAM en raison de son génome relativement petit et de son aptitude à la modification génétique.
L'équipe a étudié et comparé les génomes de K. fedtschenkoi , Phalaenopsis equestris (orchidée) et Ananas comosus (ananas) en utilisant le supercalculateur Titan de l'ORNL.
"Il est largement admis que certaines plantes non apparentées présentent des caractéristiques similaires dans des conditions environnementales similaires, un processus connu sous le nom d'évolution convergente, " a dit Yang.
Une équipe de recherche dirigée par l'ORNL a identifié 60 gènes qui présentaient une évolution convergente chez les espèces à métabolisme acide crassulacé, y compris une nouvelle variante d'une enzyme « travailleuse » essentielle à l'efficacité de l'utilisation de l'eau des plantes CAM. Représentant l'équipe sont, de gauche, Degao Liu, Rongbin Hu, Xiaohan Yang, Robert C. Mosely et Kaitlin J. Palla. Crédit :Jason Richards/Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie
Ils ont identifié 60 gènes qui présentaient une évolution convergente chez les espèces CAM, y compris les changements convergents de l'expression des gènes diurnes et nocturnes dans 54 gènes, ainsi que la convergence des séquences protéiques dans six gènes. En particulier, l'équipe a découvert une nouvelle variante de la phosphoénolpyruvate carboxylase, ou PEPC. La PEPC est une importante enzyme « ouvrière » responsable de la fixation nocturne du dioxyde de carbone en acide malique. L'acide malique est ensuite reconverti en dioxyde de carbone pour la photosynthèse pendant la journée.
"Ces changements convergents dans l'expression des gènes et les séquences protéiques pourraient être introduits dans les plantes qui reposent sur la photosynthèse traditionnelle, accélérer leur évolution pour devenir plus économes en eau, " a déclaré Yang. L'équipe a publié ses conclusions dans Communication Nature .
Xiaohan Yang de l'ORNL a dirigé une équipe qui a identifié un ensemble commun de gènes permettant à différentes plantes résistantes à la sécheresse de survivre dans des conditions semi-arides. Cette découverte pourrait jouer un rôle important dans la bio-ingénierie des cultures énergétiques tolérantes aux déficits hydriques. Crédit :Jason Richards/Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie
Utilisation intelligente de l'eau
La production végétale est le plus grand consommateur d'eau douce au monde. La disponibilité des ressources en eau potable diminue en raison de l'urbanisation, la croissance de la population humaine et les changements climatiques, qui présente un défi pour les environnements de croissance optimaux.
Pour répondre à cette préoccupation, l'ingénierie de la photosynthèse CAM dans les cultures vivrières et énergétiques pourrait réduire la consommation d'eau agricole et renforcer la résilience des cultures lorsque l'approvisionnement en eau est moins que souhaitable.
« L'étude du génome des plantes économes en eau peut également fournir des informations sur la capacité d'une plante à utiliser de l'eau légèrement salée et à maintenir sa croissance à des températures plus élevées et une disponibilité d'eau propre plus faible, " a déclaré Jerry Tuskan, co-auteur et directeur général du Center for Bioenergy Innovation dirigé par l'ORNL. « Si nous pouvons identifier les mécanismes d'efficacité de l'utilisation de l'eau, nous pourrions déplacer ce trait dans les plantes agronomiques, fournir de l'eau non potable pour l'irrigation de ces plantes et conserver l'eau propre pour la consommation. »
