Comment les algues à croissance rapide pourraient améliorer la croissance des cultures alimentaires
Un modèle informatique du mécanisme de concentration du carbone dans les plantes pourrait ouvrir la voie à une nouvelle approche pour accroître le rendement des cultures.
Une nouvelle étude fournit un cadre pour stimuler la croissance des cultures en incorporant une stratégie adoptée par une espèce d'algues vertes à croissance rapide. Ces algues, connues sous le nom de Chlamydomonas reinhardtii, contiennent un organite appelé pyrénoïde qui accélère la conversion du carbone, que les algues absorbent dans l'air, en une forme que les organismes peuvent utiliser pour leur croissance. Dans une étude publiée le 19 mai 2022 dans la revue Nature Plants, des chercheurs de l'université de Princeton et de l'université Northwestern ont eu recours à la modélisation moléculaire pour identifier les caractéristiques du pyrénoïde qui sont les plus critiques pour améliorer la fixation du carbone, puis ils ont déterminé comment cette fonctionnalité pourrait être intégrée dans les plantes cultivées.
Une nouvelle recherche identifie des moyens d'augmenter le rendement des cultures en incorporant des stratégies d'une espèce d'algue à croissance rapide dans des plantes telles que le blé et le riz.
Pixabay
Il ne s'agit pas d'un simple exercice académique. Pour de nombreuses personnes aujourd'hui, l'essentiel des calories alimentaires provient de plantes cultivées domestiquées il y a des milliers d'années. Depuis lors, les progrès en matière d'irrigation, de fertilisation, de sélection et d'industrialisation de l'agriculture ont permis de nourrir une population humaine en pleine expansion. Toutefois, ces technologies ne permettent plus que des gains progressifs. Pendant ce temps, l'insécurité alimentaire , qui atteint déjà des niveaux de crise pour une grande partie de la population mondiale, devrait s'aggraver en raison du changement climatique.
Les nouvelles technologies pourraient inverser cette tendance. De nombreux scientifiques pensent que l'algue pyrénoïde offre justement une telle innovation. Si les scientifiques parviennent à créer une capacité similaire à celle du pyrénoïde pour concentrer le carbone dans des plantes telles que le blé et le riz, ces importantes sources de nourriture pourraient connaître une forte augmentation de leur taux de croissance.
"Ces travaux fournissent des orientations claires pour la mise au point d'un mécanisme de concentration du carbone dans les plantes, y compris les principales cultures", a déclaré Martin Jonikas, auteur principal de l'étude, professeur associé de biologie moléculaire à Princeton et chercheur à l'Institut médical Howard Hughes.
Chlamydomonas reinhardtii parvient à fixer le carbone grâce à l'action de l'enzyme Rubisco, qui catalyse la conversion duCO2 en carbone organique.
Les plantes terrestres utilisent également la Rubisco pour accomplir la fixation du carbone, mais dans la plupart des plantes, la Rubisco ne fonctionne qu'à environ un tiers de sa capacité théorique car elle ne peut pas accéder à suffisamment deCO2 pour fonctionner plus rapidement. De nombreux efforts ont donc été consacrés à l'étude des mécanismes de concentration du carbone, notamment ceux que l'on trouve dans les cyanobactéries et les Chlamydomonas, dans l'espoir de pouvoir un jour fournir cette fonction aux plantes cultivées terrestres. Mais il y a un problème :
"Bien que la structure du pyrénoïde et nombre de ses composants soient connus, des questions biophysiques clés concernant son mécanisme restent sans réponse, en raison d'un manque d'analyse quantitative et systématique", a déclaré le co-auteur principal Ned Wingreen, professeur de sciences de la vie Howard A. Prior de Princeton et professeur de biologie moléculaire et de l'Institut de génomique intégrative Lewis-Sigler.
Pour mieux comprendre le fonctionnement du mécanisme de concentration du carbone dans le pyrénoïde des algues, Chenyi Fei, étudiant diplômé de Princeton, a collaboré avec Alexandra Wilson, étudiante de premier cycle (promotion 2020), pour développer un modèle informatique du pyrénoïde avec l'aide du co-auteur Niall Mangan, professeur adjoint de sciences de l'ingénierie et de mathématiques appliquées à l'université Northwestern.
Des travaux antérieurs ont montré que le pyrénoïde de Chlamydomonas reinhardtii est constitué d'une matrice sphérique de Rubisco traversée par une vascularisation de projections fermées par une membrane, appelées tubules pyrénoïdes, et entourée d'une gaine d'amidon. On pense que leCO2 absorbé dans l'environnement est converti en bicarbonate, puis transporté dans les tubules, où il pénètre ensuite dans la pyrénoïde. Une enzyme présente dans les tubules reconvertit le bicarbonate enCO2, qui diffuse ensuite dans la matrice Rubisco. Mais ce tableau est-il complet ?
"Notre modèle démontre que cette image conventionnelle du mécanisme de concentration du carbone dans le pyrénoïde ne peut pas fonctionner car leCO2 s'échapperait rapidement du pyrénoïde avant que la Rubisco ne puisse agir sur lui", a déclaré Wingreen. "Au lieu de cela, l'enveloppe d'amidon autour du pyrénoïde doit agir comme une barrière de diffusion pour piéger leCO2 dans le pyrénoïde avec la Rubisco."
Outre l'identification de cette barrière de diffusion, le modèle des chercheurs a mis en évidence d'autres protéines et caractéristiques structurelles nécessaires à la concentration duCO2 . Le modèle a également identifié les composants non nécessaires, ce qui devrait simplifier l'ingénierie de la fonctionnalité du pyrénoïde dans les plantes. Ce modèle simplifié du pyrénoïde, ont montré les chercheurs, se comporte de manière similaire à l'organite réel.
"Le nouveau modèle développé par Fei, Wilson et leurs collègues change la donne", a déclaré Alistair McCormick, expert en physiologie moléculaire des plantes et en biologie synthétique à l'université d'Édimbourg, qui a travaillé avec les scientifiques de Princeton mais n'a pas participé à cette étude.
"L'une des principales conclusions de cet article, qui différencie le mécanisme de concentration du carbone de Chlamydomonas de celui des cyanobactéries, est que l'introduction de transporteurs de bicarbonate actifs n'est peut-être pas nécessaire", a déclaré M. McCormick. "C'est important car le transport actif du bicarbonate a été un défi clé qui a entravé les progrès dans l'ingénierie des mécanismes biophysiques de concentration du carbone."
L'étude intitulée "Modeling the pyrenoid-basedCO2-concentrating mechanism provides insights into its operating principles and a roadmap for its engineering into crops", réalisée par Chenyi Fei, Alexandra T. Wilson, Niall M. Mangan, Ned S. Wingreen et Martin C. Jonikas, a été publiée dans Nature Plants.
Ces recherches ont été financées par les National Institutes of Health, la National Science Foundation, la Simons Foundation et le Howard Hughes Medical Institute.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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