Les chercheurs ont étudié comment certaines bactéries effectuent la photosynthèse en utilisant une lumière à faible énergie, qui pourrait être intégrée dans les cultures pour augmenter la production.

En étudiant la façon dont deux bactéries effectuent la chimie difficile de la photosynthèse, une équipe dirigée par des chercheurs de l'Impérial a découvert les compromis qu'elles font lorsqu'elles utilisent une lumière à faible énergie. Cela pourrait éclairer le génie génétique des plantes qui vise à rendre la production de cultures et de biomasse plus efficace.

Les plantes, les algues et les cyanobactéries (algues bleues) effectuent la photosynthèse pour convertir la lumière et le CO₂ en sucres et en oxygène. Une enzyme appelée photosystème II effectue la première étape de ce processus, en utilisant la lumière pour extraire les électrons de l'eau et les alimenter dans la machinerie photosynthétique.

La plupart des organismes effectuent la photosynthèse en utilisant la lumière visible, qu'ils collectent grâce à un pigment appelé chlorophylle-a. L'énergie contenue dans la lumière visible a longtemps été considérée comme l'énergie minimale nécessaire pour faire la chimie dure de l'extraction des électrons de l'eau.

Cependant, certaines cyanobactéries effectuent la photosynthèse en utilisant une lumière rouge lointaine à faible énergie au lieu de la lumière visible. Donner aux plantes et aux algues la possibilité d'utiliser la lumière rouge lointaine pourrait rendre la production de cultures et de biomasse plus efficace, car la lumière rouge lointaine consomme moins d'énergie et est abondante.

La capacité d'utiliser à la fois la lumière visible et la lumière rouge lointaine dans différentes conditions serait également une propriété souhaitable pour les plantes cultivées et les algues, mais les chercheurs devaient comprendre s'il y avait des compromis ou des compromis dans les systèmes qui peuvent le faire.

Photosynthèse en rouge lointain

L'équipe a étudié les cyanobactéries qui effectuent la photosynthèse en utilisant la lumière rouge lointaine au lieu de la lumière visible. Acaryochloris marina vit sous une ascidie verte, à l'abri de la lumière visible mais exposée à une lumière rouge lointaine stable, qu'elle collecte à l'aide du pigment chlorophylle-d au lieu de chlorophylle-a.

D'autres cyanobactéries récemment découvertes peuvent effectuer la photosynthèse en utilisant la chlorophylle-a lorsque la lumière visible est présente, puis passer à l'utilisation du pigment chlorophylle-f, qui absorbe également la lumière rouge lointaine, lorsqu'elle est à l'abri de la lumière visible.

En 2018, des chercheurs dirigés par une équipe de l'Impériale ont découvert que dans l'une de ces cyanobactéries, Chroococcidiopsis thermalis, le photosystème II peut effectuer la chimie dure en utilisant uniquement l'énergie inférieure fournie par la lumière rouge lointaine.

Maintenant, dans une étude publiée dans eLife , des chercheurs menés par la même équipe à l'Impériale ont montré que le photosystème II des cyanobactéries utilisant le pigment chlorophylle-f est moins efficace pour capter et utiliser la lumière rouge lointaine que le photosystème II de celles utilisant la chlorophylle-d, mais qu'il est plus protégé des effets secondaires néfastes d'un excès de lumière.

Le chercheur principal, le professeur Bill Rutherford, du département des sciences de la vie de l'Impériale, a déclaré :" L'ingénierie des plantes cultivées ou des algues qui pourraient utiliser la photosynthèse dans le rouge lointain pourrait aider à stimuler la production d'aliments et de biomasse.

"Notre étude est une première étape importante dans la compréhension des compromis entre efficacité et résilience dans les systèmes qui peuvent utiliser la lumière rouge lointaine. Ces informations pourraient aider les chercheurs à déterminer quelles fonctionnalités seraient bénéfiques et dans quelles conditions."

Comparer la photosynthèse

L'équipe a découvert que le photosystème II d'Acaryochloris marina, qui vit dans des conditions constamment ombragées et utilise toujours la chlorophylle-d, est efficace pour collecter et utiliser la lumière rouge lointaine. Cependant, lorsqu'il est exposé à un excès de lumière, il devient submergé et produit des espèces réactives nocives de l'oxygène, qui peuvent tuer les cellules.

Le photosystème II de Chroococcidiopsis thermalis , qui utilise la chlorophylle-f uniquement lorsque la lumière visible est absente ou rare, est moins efficace que celui d' Acaryochloris marina pour collecter et utiliser la lumière rouge lointain. Cependant, lorsqu'il est exposé à un excès de lumière, il ne surproduit pas d'espèces réactives nocives de l'oxygène.

Le photosystème chlorophylle-f II de Chroococcidiopsis thermalis représente donc un compromis différent par rapport au photosystème chlorophylle-d II d'Acaryochloris marina :photosynthèse dans le rouge lointain moins efficace mais meilleure stabilité et résistance aux dommages dans des conditions de forte luminosité.

Le Dr Stefania Viola, chercheuse postdoctorale au Département des sciences de la vie de l'Impériale et première auteure de l'étude, a déclaré :« Nos recherches suggèrent que les deux types de photosystème II rouge lointain paient un prix différent pour pouvoir travailler avec moins d'énergie. , et que cela devrait être pris en compte lors de la planification de l'introduction de la photosynthèse du rouge lointain dans les plantes cultivées ou les algues.

"La prochaine étape pour nous est de comprendre les mécanismes moléculaires et chimiques responsables des différences fonctionnelles entre les deux types de photosystème rouge lointain II." + Explorer plus loin

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