Photosynthèse, qui permet à l'énergie du soleil d'être convertie en sucres essentiels à la vie, peut également être dangereux pour les plantes vertes. S'ils absorbent trop de soleil, l'énergie supplémentaire détruit leurs tissus.

Pour lutter contre cela, les plantes vertes ont développé un mécanisme de défense appelé photoprotection, ce qui leur permet de dissiper l'énergie supplémentaire. Des chercheurs du MIT et de l'Université de Vérone ont maintenant découvert comment la protéine clé de ce processus permet à la mousse et aux algues vertes de se protéger d'un excès de soleil.

Les chercheurs ont découvert que la protéine, noyé dans les membranes du chloroplaste, peut basculer entre différents états en réponse aux changements d'ensoleillement. Lorsque la mousse et les algues vertes absorbent plus de soleil qu'elles n'en ont besoin, cette protéine libère l'énergie sous forme de chaleur, l'empêchant de s'accumuler et d'endommager les cellules. La protéine peut agir quelques secondes après un changement d'exposition au soleil, comme lorsque le soleil apparaît derrière un nuage.

"Ces mécanismes photoprotecteurs ont évolué du fait que la lumière du soleil n'est pas constante. Il y a des jours ensoleillés, il y a des jours nuageux. Les nuages ​​peuvent passer brièvement, ou la plante peut être transitoirement à l'ombre, " dit Gabriela Schlau-Cohen, professeur adjoint de chimie au MIT et auteur principal de l'étude.

En savoir plus sur le fonctionnement de cette protéine pourrait permettre aux scientifiques de la modifier d'une manière qui favoriserait plus de photosynthèse, augmenter potentiellement le rendement en biomasse des cultures et des algues cultivées pour les biocarburants, dit Schlau-Cohen.

Le postdoctorant du MIT, Toru Kondo, est l'auteur principal de l'article, qui paraît dans le numéro du 17 juillet de Chimie de la nature . Les autres auteurs sont Wei Jia Chen, étudiant diplômé du MIT, et les chercheurs de l'Université de Vérone, Alberta Pinnola, Luca Dall'Osto, et Roberto Bassi.

Trop d'une bonne chose

Lors de la photosynthèse, des protéines spécialisées connues sous le nom de complexes photorécoltants, à l'aide de pigments comme la chlorophylle, absorber l'énergie lumineuse sous forme de photons. Ces photons entraînent une série de réactions qui produisent des molécules de sucre, permettant aux plantes de stocker de l'énergie pour une utilisation ultérieure.

La plupart des plantes absorbent beaucoup plus de lumière solaire qu'elles ne peuvent en utiliser. Dans des conditions très ensoleillées, ils ne convertissent qu'environ 30 pour cent de la lumière solaire disponible en sucre, tandis que le reste est libéré sous forme de chaleur.

« Dans des conditions ensoleillées, les plantes ont de l'énergie qui reste trop grande pour la capacité du reste de la machinerie moléculaire, " dit Schlau-Cohen

Si cette énergie est autorisée à rester dans les cellules végétales, il crée des molécules nocives appelées radicaux libres qui peuvent endommager les protéines et d'autres molécules cellulaires importantes.

Il a été découvert il y a plusieurs années qu'une protéine appelée complexe de récolte de lumière liée au stress 1 (LHCSR1) est l'acteur majeur de la photoprotection qui se produit sur de courtes périodes (de quelques secondes à quelques minutes) dans les algues vertes et les mousses. Cette protéine est intégrée dans les membranes du chloroplaste et interagit avec la chlorophylle et les caroténoïdes, un autre type de pigment absorbant la lumière. Cependant, le mécanisme de fonctionnement de cette photoprotection n'était pas connu.

Dans cette étude, Schlau-Cohen et ses collègues ont utilisé un microscope très sensible qui peut analyser des protéines individuelles pour déterminer comment la protéine LHCSR1 trouvée dans la mousse réagit à différentes conditions d'éclairage. Ils ont découvert que la protéine peut prendre trois conformations distinctes, qui correspondent à des fonctions différentes.

Par temps nuageux ou ombragé, LHCSR1 absorbe simplement les photons et transmet l'énergie au reste de la machinerie photosynthétique. Lorsque le soleil se lève et que l'apport énergétique augmente, LHCSR1 passe à une autre conformation en quelques secondes. Ce changement est causé par une diminution du pH, qui se produit lorsque trop d'ions hydrogène sont générés par la division de l'eau pendant la photosynthèse.

Lorsque cela se produit, la protéine se bloque dans une structure rigide qui lui permet de convertir une plus grande partie de l'énergie lumineuse absorbée en chaleur, par un mécanisme qui n'est pas entièrement connu.

La photoprotection peut également être activée plus progressivement par un autre mécanisme de rétroaction impliquant le pH. Une diminution du pH active une enzyme qui modifie la composition moléculaire d'un caroténoïde qui interagit avec LHCSR1. Cela conduit la protéine à favoriser et à stabiliser son état photoprotecteur.

"Ces deux états sont contrôlés par une boucle de rétroaction au sein de l'organisme. Le pH est une réponse à court terme, et la composition moléculaire est une réponse à plus longue échelle de temps, ", dit Schlau-Cohen.

Booster la photosynthèse

Les plantes vertes ont tendance à activer la photoprotection très rapidement en réponse au soleil, et ils sont lents à l'éteindre, dit Schlau-Cohen. Qui aide les plantes à survivre, mais cela signifie qu'ils ne produisent pas autant de biomasse qu'ils le pourraient. Une étude publiée dans Science en novembre dernier a montré que l'accélération de la capacité des plantes à désactiver la photoprotection pourrait augmenter la production de biomasse de 15 pour cent dans des conditions naturelles de terrain.

Les collègues de Schlau-Cohen à l'Université de Vérone créent actuellement des versions mutées de la protéine LHCSR1, que les chercheurs prévoient de tester pour voir s'ils ont la capacité de produire plus de biomasse tout en offrant une certaine photoprotection.

"La photoprotection est essentielle pour la forme physique, donc si vous éliminez complètement la photoprotection, ils ne poussent pas très bien, " Schlau-Cohen dit. "Nous pouvons regarder quels éléments de ce processus sont responsables de quelles parties de la boucle photoprotectrice, et ensuite nous pouvons être un peu plus intelligents sur ce que nous surexprimons et ce que nous assommons. »

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.