Le professeur Gabriela S. Schlau-Cohen (au centre) et les étudiants diplômés Raymundo Moya (à gauche) et Wei Jia Chen ont travaillé avec des collaborateurs de l'Université de Vérone, Italie, développer une nouvelle compréhension des mécanismes par lesquels les plantes rejettent l'excès d'énergie qu'elles absorbent de la lumière du soleil afin de ne pas endommager les protéines clés. Les connaissances acquises pourraient un jour conduire à des augmentations indispensables des rendements de la biomasse et des cultures. Crédit :Stuart Darsch
Les plantes dépendent de l'énergie de la lumière du soleil pour produire les nutriments dont elles ont besoin. Mais parfois, ils absorbent plus d'énergie qu'ils ne peuvent en utiliser, et cet excès peut endommager des protéines critiques. Pour se protéger, ils convertissent l'énergie excédentaire en chaleur et la renvoient. Sous certaines conditions, ils peuvent rejeter jusqu'à 70 pour cent de toute l'énergie solaire qu'ils absorbent.
« Si les plantes ne gaspillaient pas inutilement autant d'énergie solaire, ils pourraient produire plus de biomasse, " dit Gabriela S. Schlau-Cohen, le professeur adjoint de chimie en développement de carrière Cabot. En effet, les scientifiques estiment que les algues pourraient produire jusqu'à 30 pour cent de plus de matière à utiliser comme biocarburant. Plus important, le monde pourrait augmenter les rendements des cultures, un changement nécessaire pour éviter le déficit important entre la production agricole et la demande alimentaire attendu d'ici 2050.
Le défi a été de comprendre exactement comment le système de photoprotection des plantes fonctionne au niveau moléculaire, dans les 250 premières picosecondes du processus de photosynthèse. (Une picoseconde est un trillionième de seconde.)
"Si nous pouvions comprendre comment l'énergie absorbée est convertie en chaleur, nous pourrions peut-être recâbler ce processus pour optimiser la production globale de biomasse et de cultures, " dit Schlau-Cohen. " Nous pourrions contrôler cet interrupteur pour que les plantes hésitent moins à désactiver la protection. Ils pourraient encore être protégés dans une certaine mesure, et même si quelques individus sont morts, il y aurait une augmentation de la productivité de la population restante."
Premiers pas de la photosynthèse
Des protéines appelées complexes de récolte de lumière sont essentielles aux premières étapes de la photosynthèse, ou LHC. Quand la lumière du soleil frappe une feuille, chaque photon (particule de lumière) délivre de l'énergie qui excite un LHC. Cette excitation passe d'un LHC à un autre jusqu'à ce qu'elle atteigne un soi-disant centre de réaction, où il entraîne des réactions chimiques qui divisent l'eau en oxygène gazeux, qui est libéré, et des particules chargées positivement appelées protons, qui restent. Les protons activent la production d'une enzyme qui entraîne la formation des glucides riches en énergie nécessaires pour alimenter le métabolisme de la plante.
Les figures de gauche et du milieu illustrent le comportement de fluorescence des protéines LHCSR enrichies en Vio et Zea. . La figure de droite illustre la réponse de fluorescence aux changements de pH. Cette figure montre la réponse des protéines enrichies en Vio lorsqu'elles sont soumises à un pH inférieur à celui de la figure de gauche, ainsi une augmentation de la concentration en protons des conditions de réplication en plein soleil. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
Mais en plein soleil, les protons peuvent se former plus rapidement que l'enzyme ne peut les utiliser, et les protons qui s'accumulent signalent que l'excès d'énergie est absorbé et peut endommager les composants critiques de la machinerie moléculaire de la plante. Ainsi, certaines plantes ont un type spécial de LHC, appelé complexe de récolte de lumière lié au stress, ou LHCSR—dont le travail est d'intervenir. Si l'accumulation de protons indique que trop de lumière solaire est récoltée, le LHCSR actionne l'interrupteur, et une partie de l'énergie est dissipée sous forme de chaleur.
C'est une forme très efficace de protection solaire pour les plantes, mais le LHCSR hésite à désactiver ce réglage de trempe. Quand le soleil brille de mille feux, le LHCSR a activé l'extinction. Quand un nuage ou une volée d'oiseaux qui passe bloque le soleil, il pourrait l'éteindre et absorber toute la lumière du soleil disponible. Mais plutôt, le LHCSR le laisse allumé, juste au cas où le soleil reviendrait soudainement. Par conséquent, les plantes rejettent beaucoup d'énergie qu'elles pourraient utiliser pour construire plus de matériel végétal.
Un succès évolutif
De nombreuses recherches se sont concentrées sur le mécanisme d'extinction qui régule le flux d'énergie dans une feuille pour éviter les dommages. Optimisé par 3,5 milliards d'années d'évolution, ses capacités sont impressionnantes. D'abord, il peut faire face à des apports d'énergie extrêmement variables. En une seule journée, l'intensité du soleil peut augmenter et diminuer d'un facteur 100 voire 1, 000. Et il peut réagir aux changements qui se produisent lentement au fil du temps - disons, au lever du soleil - et ceux qui se produisent en quelques secondes, par exemple, à cause d'un nuage qui passe.
Les chercheurs s'accordent à dire que l'une des clés de l'extinction est un pigment au sein du LHCSR, appelé caroténoïde, qui peut prendre deux formes :la violaxanthine (Vio) et la zéaxanthine (Zea). Ils ont observé que les échantillons LHCSR sont dominés par les molécules Vio dans des conditions de faible luminosité et les molécules Zea dans des conditions de forte luminosité. La conversion de Vio en Zea modifierait diverses propriétés électroniques des caroténoïdes, ce qui pourrait expliquer l'activation de la trempe. Cependant, cela ne se produit pas assez rapidement pour répondre à un nuage qui passe. Ce type de changement rapide pourrait être une réponse directe à l'accumulation de protons, ce qui provoque une différence de pH d'une région du LHCSR à une autre.
La clarification expérimentale de ces mécanismes de photoprotection s'est avérée difficile. L'examen du comportement d'échantillons contenant des milliers de protéines ne fournit pas d'informations sur le comportement au niveau moléculaire car divers mécanismes d'extinction se produisent simultanément et à différentes échelles de temps - et dans certains cas, si rapidement qu'ils sont difficiles ou impossibles à observer expérimentalement.
Ce microscope spécialement conçu est capable de détecter la fluorescence de protéines LHCSR uniques attachées à une lamelle de verre. Crédit :Stuart Darsch
Tester le comportement des protéines une par une
Schlau-Cohen et ses collègues chimistes du MIT, le postdoctorant Toru Kondo et l'étudiant diplômé Wei Jia Chen, a décidé de prendre une autre voie. En se concentrant sur le LHCSR trouvé dans les algues vertes et les mousses, ils ont examiné ce qui était différent dans la façon dont les protéines liées au stress riches en Vio et celles riches en Zea réagissent à la lumière - et ils l'ont fait une protéine à la fois.
Selon Schlau-Cohen, leur approche a été rendue possible par le travail de son collaborateur Roberto Bassi et de ses collègues Alberta Pinnola et Luca Dall'Osto à l'Université de Vérone, en Italie. Dans des recherches antérieures, ils avaient compris comment purifier les protéines individuelles connues pour jouer un rôle clé dans l'extinction. Ils ont ainsi pu fournir des échantillons de LHCSR individuels, certains enrichis en caroténoïdes Vio et d'autres en caroténoïdes Zea.
Pour tester la réponse à l'exposition à la lumière, L'équipe de Schlau-Cohen utilise un laser pour projeter des impulsions lumineuses picosecondes sur un seul LHCSR. À l'aide d'un microscope très sensible, ils peuvent alors détecter la fluorescence émise en réponse. Si le LHCSR est en mode quench-on, il transformera une grande partie de l'énergie entrante en chaleur et l'expulsera. Il ne restera que peu ou pas d'énergie à réémettre sous forme de fluorescence. Mais si le LHCSR est en mode quench-off, toute la lumière entrante sortira sous forme de fluorescence.
« Donc, nous ne mesurons pas la trempe directement, " dit Schlau-Cohen. "Nous utilisons des diminutions de fluorescence comme signature de l'extinction. Au fur et à mesure que la fluorescence diminue, l'extinction augmente."
En utilisant cette technique, les chercheurs du MIT ont examiné les deux mécanismes d'extinction proposés :la conversion de Vio en Zea et une réponse directe à une concentration élevée de protons.
Pour aborder le premier mécanisme, ils ont caractérisé la réponse des LHCSR riches en Vio et en Zea à la lumière laser pulsée en utilisant deux mesures :l'intensité de la fluorescence (basée sur le nombre de photons qu'ils détectent en une milliseconde) et sa durée de vie (basée sur le temps d'arrivée de les photons individuels).
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.
