Les plantes ont évolué au cours de millions d'années dans un environnement qui a radicalement changé au cours des 150 dernières années depuis le début de la révolution industrielle :les niveaux de dioxyde de carbone ont augmenté de 50 %, et la température mondiale moyenne a augmenté de près de 2 degrés Fahrenheit. Alors que l'adaptation naturelle n'a pas pu suivre, les scientifiques ont développé des outils pour simuler des millions d'années d'évolution en quelques jours pour aider les plantes à s'adapter.

Publié par le Journal de chimie biologique , les chercheurs rapportent une nouvelle stratégie de dépistage qui leur a permis d'identifier, pour la première fois, une forme beaucoup plus efficace de l'enzyme Rubisco, qui catalyse la première étape de fixation du dioxyde de carbone en route vers la création de biomasse végétale dans la photosynthèse.

"Bien que l'enzyme la plus abondante et sans doute la plus importante de notre plante, Rubisco n'a peut-être pas été le meilleur moment de l'évolution. Rubisco a évolué lorsque l'oxygène était absent de l'atmosphère, et comme résultat, il n'a pas été obligé d'apprendre à faire la différence entre les molécules de dioxyde de carbone indispensables à la vie et les molécules d'oxygène qui créent un composé toxique qui coûte à la plante de l'énergie à recycler, " dit Don Ort, Directeur adjoint de la réalisation d'une efficacité photosynthétique accrue (RIPE), qui a soutenu ce travail. Ort est physiologiste à l'unité de recherche sur la photosynthèse USDA/ARS et professeur Robert Emerson de biologie végétale et de sciences des cultures à l'Institut Carl R. Woese de biologie génomique de l'Université de l'Illinois.

"Nous avons montré que nous pouvons améliorer l'efficacité de Rubisco, sa capacité à différencier le dioxyde de carbone de l'oxygène - c'est le vrai buzz, " a déclaré l'auteur principal Spencer Whitney, professeur agrégé à l'Australian National University. "Notre Rubisco est plus rapide et a une plus grande affinité pour le dioxyde de carbone. Dans le passé, cette détermination a pris environ deux semaines, mais notre nouveau système de criblage a réduit ce temps de plus de moitié. »

En utilisant l'évolution dirigée, souvent décrit comme une évolution dans un tube à essai, l'équipe a testé 250, 000 Rubiscos mutants de cyanobactéries dans E. coli bactéries conçues pour que leur survie dépende de l'efficacité de l'enzyme. "Trouver des réponses sur la façon d'améliorer Rubisco, c'est comme chercher une aiguille dans une botte de foin, " a déclaré Whitney. " La beauté de ce système est qu'il nous permet de nous débarrasser de tous ces morceaux de foin. "

Dix-huit mutants Rubisco ont survécu à l'écran, dont onze se sont avérés beaucoup plus efficaces pour fixer le dioxyde de carbone. Ils ont découvert que ces mutations sont localisées à un région auparavant inexplorée de la cyanobactérie Rubisco. Maintenant, ils espèrent apporter des modifications similaires pour améliorer Rubisco dans les cultures et augmenter leur croissance et leur rendement.