La photosynthèse est le processus naturel que les plantes et les algues utilisent pour capter la lumière du soleil et fixer le dioxyde de carbone en sucres riches en énergie qui alimentent la croissance, développement, et dans le cas des cultures, rendement. Les algues ont développé des mécanismes spécialisés de concentration de dioxyde de carbone (CCM) pour effectuer la photosynthèse beaucoup plus efficacement que les plantes. Cette semaine, dans la revue Actes de l'Académie nationale des sciences , une équipe de la Louisiana State University (LSU) et de l'Université de York rapporte une étape inexpliquée de longue date dans le CCM des algues vertes, ce qui est essentiel pour développer un CCM fonctionnel dans les cultures vivrières afin d'augmenter la productivité.

"La plupart des cultures sont en proie à la photorespiration, qui se produit lorsque Rubisco - l'enzyme qui entraîne la photosynthèse - ne peut pas faire la différence entre le dioxyde de carbone et les molécules d'oxygène vitales qui gaspillent de grandes quantités d'énergie de la plante, " dit James Moroney, le professeur Streva Alumni à LSU et membre de Realizing Augmentation de l'Efficacité Photosynthétique (RIPE). "Finalement, notre objectif est de concevoir un CCM dans les cultures pour entourer Rubisco de plus de dioxyde de carbone, ce qui le rend plus efficace et moins susceptible d'attraper les molécules d'oxygène - un problème qui s'aggrave à mesure que les températures augmentent."

Dirigé par l'Université de l'Illinois, RIPE est un projet de recherche international qui conçoit les cultures pour qu'elles soient plus productives en améliorant la photosynthèse avec le soutien de la Fondation Bill &Melinda Gates, la Fondation américaine pour la recherche sur l'alimentation et l'agriculture (FFAR), et le Department for International Development (DFID) du gouvernement du Royaume-Uni.

Alors que le dioxyde de carbone se diffuse relativement facilement à travers les membranes cellulaires, le bicarbonate (HCO3-) diffuse environ 50, 000 fois plus lentement en raison de sa charge négative. Les algues vertes Chlamydomonas reinhardtii , surnommé Chlamy, transporte le bicarbonate à travers trois membranes cellulaires dans le compartiment qui abrite Rubisco, appelé pyrénoïde, où le bicarbonate est reconverti en dioxyde de carbone et fixé en sucre.

"Avant maintenant, on ne comprenait pas comment le bicarbonate franchissait le troisième seuil pour entrer dans le pyrénoïde, " a déclaré Ananya Mukherjee, qui a dirigé ce travail en tant qu'étudiant diplômé à LSU avant de rejoindre l'Université du Nebraska-Lincoln en tant que chercheur postdoctoral. "Pendant des années, nous avons essayé de trouver le composant manquant, mais il s'avère qu'il y a trois protéines de transport impliquées dans cette étape - qui étaient le chaînon manquant dans notre compréhension du CCM de Chlamydomonas reinhardtii ."

"Alors que d'autres protéines de transport sont connues, nous supposons que ceux-ci pourraient être partagés avec les cultures plus facilement car Chlamy est plus étroitement liée aux plantes que d'autres algues photosynthétiques, comme les cyanobactéries ou les diatomées, " dit Luke Mackinder, un conférencier à York qui a collaboré avec l'équipe RIPE sur ce travail avec le soutien du Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC) et du Leverhulme Trust.

Créer un CCM fonctionnel dans les cultures nécessitera trois choses :un compartiment pour stocker Rubisco, des transporteurs pour amener le bicarbonate dans le compartiment, et l'anhydrase carbonique pour transformer le bicarbonate en dioxyde de carbone.

Dans une étude de 2018, Les collègues de RIPE de l'Australian National University ont démontré qu'ils pouvaient ajouter un compartiment appelé carboxysome, qui ressemble à un pyrénoïde, dans les cultures. Maintenant, cette étude complète la liste des protéines de transport possibles qui pourraient transporter le bicarbonate de l'extérieur de la cellule vers cette structure carboxysome dans les cellules des feuilles des cultures.

"Nos recherches suggèrent que la création d'un CCM fonctionnel dans les cultures pourrait aider les cultures à conserver plus d'eau et pourrait réduire considérablement le processus de photorespiration dans les cultures, qui consomme beaucoup d'énergie - qui s'aggrave à mesure que les températures augmentent, " Moroney a déclaré. " Le développement de cultures résilientes au climat qui peuvent photosynthétiser plus efficacement sera vital pour protéger notre sécurité alimentaire. "

Réaliser une efficacité photosynthétique accrue (RIPE) consiste à concevoir des cultures vivrières de base pour transformer plus efficacement l'énergie solaire en nourriture afin d'augmenter durablement la production alimentaire mondiale, avec le soutien de la Fondation Bill &Melinda Gates, la Fondation américaine pour la recherche sur l'alimentation et l'agriculture, et le Département du développement international du gouvernement du Royaume-Uni.