Comment faire une différence grâce au métabolisme des plantes

Généralement, lorsque nous considérons les nombreuses plantes qui nous entourent, nous les imaginons utilisant efficacement le rayonnement électromagnétique du Soleil via la photosynthèse dans leurs feuilles – tirant le dioxyde de carbone de l’air, ainsi que l’eau du sol via leurs racines, et poussent aussi rapidement comme ils le peuvent raisonnablement. En réalité, l’efficacité de ce processus est inférieure à 10 % de l’énergie d’apport, et les différents types de métabolismes végétaux qui se sont formés au cours de l’évolution ne sont pas tous les mêmes.

Parmi les métabolismes végétaux utilisés aujourd’hui, certains utilisent des voies de fixation du carbone nettement plus efficaces, tandis que d’autres finissent par gaspiller une grande partie de l’énergie qu’ils ont obtenue de la photosynthèse avec des processus inutilement compliqués, notamment pour traiter les déchets. La vitesse à laquelle les plantes peuvent pousser si elles avaient toutes développé la voie de fixation du carbone la plus efficace a fait l’objet d’un certain nombre d’études au cours des dernières décennies, impliquant tout, des plantes cultivées aux arbres.

Comme ces études nous le montrent, plus qu’une curiosité biologique scientifique et évolutive, ces plantes génétiquement modifiées offrent de réelles opportunités dans tous les domaines, de la production alimentaire au reboisement.

Réinventer avec l’évolution

Œil de vertébré contre œil de céphalopode.  Notez l'inversion de la rétine (1) et des nerfs (2).  Les céphalopodes n'ont pas la tache aveugle des vertébrés (4).
Œil de vertébré contre œil de céphalopode. Notez l’inversion de la rétine (1) et des nerfs (2). Les céphalopodes n’ont pas la tache aveugle des vertébrés (4).

Au cours de milliards d’années sur Terre, le processus d’évolution a conduit à la formation de structures biologiques fascinantes, ainsi qu’à de nombreux chemins de ramification curieux et incidences de réinventer la même structure différemment. Les yeux des vertébrés et des céphalopodes, par exemple, qui semblent s’être formés indépendamment, et sont à la fois très similaires et très différents. Ce processus est appelé évolution convergente.

Aussi frappante que soient les yeux et les caractéristiques convergentes telles que les ailes chez les dinosaures (oiseaux), les mammifères et les insectes, l’évolution convergente de la photosynthèse est peut-être moins évidente mais non moins importante. Au cours de millions d’années, les versions brutes de la photosynthèse des premières plantes se sont transformées en un certain nombre de voies de photosynthèse distinctes, toutes basées sur l’enzyme RuBisCO (ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase-oxygénase) et le cycle de Calvin associé.

La plupart des plantes utilisent ce qu’on appelle C3 fixation du carbone, qui utilise un cycle de Calvin assez basique. Cela a une efficacité globale d’au plus 3,5% (par rapport à l’apport d’énergie du rayonnement solaire), alors que le moins courant C4 le cycle de fixation du carbone culmine à plus de 4 %. C4 et CAM (métabolisme de l’acide crassulacé) sont une forme d’évolution convergente, où les deux utilisent le phosphoénolpyruvate (PEP) pour capturer le CO2 et ainsi créer une concentration accrue de CO2 autour des enzymes RuBiscCO pour réduire la photorespiration.

Les réactions de l'enzyme RuBisCO avec le dioxyde de carbone et l'oxygène.
Les réactions de l’enzyme RuBisCO avec le dioxyde de carbone et l’oxygène.

Un problème central avec RuBisCO, comme on peut le voir dans ses réactions énumérées ci-dessus, est qu’il réagit à la fois avec le CO2 et O2, alors que cette dernière réaction est évidemment indésirable en raison du manque d’atomes de carbone impliqués. Le 2-phosphoglycolate (2-PG, ou C2H2O6P3-) produit métabolique résultant de la réaction avec l’oxygène est toxique pour la plante car il inhibe certaines voies métaboliques et doit donc être traité. C’est là que pour C3 la photorespiration des plantes est essentielle, car elle permet de convertir le 2-PG en PGA souhaité () qui est utilisé pour la formation des sucres dont la plante a besoin pour prospérer, comme le montre ce graphique de Williams et al. (2013) des voies métaboliques du C3 et C4 végétaux:

Voies métaboliques des plantes C3 et C4.  (Crédit : Williams et al., 2013)
Voies métaboliques des plantes C3 et C4. (Crédit : Williams et al., 2013)

Cela nous indique que de nombreuses plantes – y compris les cultures vivrières et les espèces d’arbres – qui utilisent le cycle de fixation du carbone C3 dépensent une quantité importante de l’énergie qu’elles tirent de la photosynthèse pour décomposer ce 2-PG qui se forme en raison de l’interaction entre RuBisCO et oxygène. En raison de ce processus de photorespiration, la perte d’eau via la stomie (pores) augmente également.

Étant donné que RuBisCO se lie plus facilement à l’oxygène plutôt qu’au dioxyde de carbone lorsque les températures augmentent, cela impose des limites naturelles aux conditions environnementales viables pour C3 plantes, et explique pourquoi C4 et en particulier les plantes CAM se trouvent dans des conditions plus chaudes et plus arides. La conclusion logique est donc que si nous devions transplanter des éléments appropriés du C4CAM ou d’autres voies que l’on trouve par exemple dans les cyanobactéries en C3 plantes, cela pourrait sensiblement augmenter leur taux de croissance en réduisant l’énergie gaspillée par la photorespiration.

Essais sur le terrain

Schéma de l'anatomie foliaire des plantes C3 (A) et C4 (B).  Ce dernier divise la concentration de CO2 et le cycle de Calvin en deux cellules.  (Crédit : Cui, 2021)
Schéma de l’anatomie foliaire des plantes C3 (A) et C4 (B). Ce dernier divise la concentration de CO2 et le cycle de Calvin en deux cellules. (Crédit : Cui, 2021)

Après que les premières tentatives d’ajustement direct de l’enzyme RuBisCo pour augmenter son affinité pour le dioxyde de carbone n’aient pas été couronnées de succès, l’accent a été mis au cours des années 1990 sur la compréhension et l’optimisation. est une voie viable, en utilisant les centrales C4 existantes comme modèle. Il est pertinent ici de savoir si une espèce C3 a également une espèce C4 apparentée pour rendre le génie génétique plus simple. Un autre point de discussion actif ici est de savoir s’il faut poursuivre une stratégie à une ou deux cellules, comme l’a noté Cui (2021).

D’autres chercheurs ont cherché à trouver de nouvelles façons d’améliorer la photosynthèse, comme Nölke et al. (2014), qui ont ajouté l’expression d’une polyprotéine (DEFp) issue de Escherichia coli glycolate déshydrogénase (GlcDH) aux plants de pomme de terre (Solanum tubéreux), avec une augmentation résultante de 2,3x du rendement en tubercules. Cette même approche peut également être appliquée à d’autres plantes, avec probablement une augmentation de rendement similaire.

Impact de l'expression de DEFp sur le phénotype de la pomme de terre et le rendement en tubercules.  (Noelke et al., 2014)
Impact de l’expression de DEFp sur le phénotype de la pomme de terre et le rendement en tubercules. (Noelke et al., 2014)

Wang et al. (2020) ont rapporté une espèce de riz modifiée utilisant une approche similaire à celle de Nölke et al., mais avec des résultats mitigés. Cette étude a été suivie par Nayak et al. (2022) qui ont rapporté des résultats prometteurs qui pourraient conduire au riz GM avec ces modifications introduites dans les essais sur le terrain. Des données d’essais sur le terrain connexes sont disponibles auprès de South et al. (2019), qui ont effectué des essais sur le terrain en utilisant des plants de tabac transgéniques. Ces plantes ont montré une augmentation d’environ 40 % de la production de biomasse utile par rapport au type sauvage.

De toute évidence, avant que l’une de ces espèces génétiquement modifiées ne soit distribuée aux agriculteurs pour les cultures de l’année prochaine, beaucoup plus d’expériences et d’essais sur le terrain devraient être effectués pour garantir l’efficacité, la stabilité à long terme de ces modifications et la sécurité globale. Même ainsi, ces expériences offrent un aperçu tentant d’un avenir dans lequel la production agricole d’aujourd’hui est augmentée de 150 à 200 %, avec un besoin nul de nutriments supplémentaires, une diminution des besoins en eau et une bien meilleure résistance aux vagues de chaleur, qui devraient se produire beaucoup plus plus régulièrement en raison du changement climatique en cours.

Ce qui soulève la question de savoir si une approche similaire pourrait être utilisée pour rendre les arbres réguliers beaucoup plus efficaces pour fixer également le carbone de l’atmosphère.

Une forêt en attendant

La sagesse conventionnelle nous dit que les arbres mettent beaucoup de temps à pousser. Peut-être sans surprise, la plupart des types de plantes appelées «arbres» (c’est-à-dire qu’il n’y a pas de définition biologique de «arbre») utilisent le C3 métabolisme de fixation du carbone. Dans un récent article préimprimé par Living Carbon Team et al. (2022), une modification semblable aux espèces transgéniques basées sur les cultures discutées précédemment est signalée comme ayant été appliquée aux peupliers. Ces peupliers hybrides ont ensuite été plantés dans des champs de l’Oregon, comme détaillé sur le site Web de Living Carbon Team. Avec l’article préimprimé rapportant une augmentation d’environ 50% du gain de biomasse par rapport aux peupliers standard, cela conduirait à la crédibilité des objectifs ambitieux du site Web Living Carbon

Comme expliqué sur la page FAQ du projet, toutes les plantes ainsi modifiées qui sont plantées sont des femelles, donc les modifications génétiques ne se propageront pas aux autres peupliers sauvages via le pollen, mais resteront confinées aux seuls arbres plantés. Le projet est réalisé en partenariat avec l’Oregon State University (OSU), avec plus de 600 de ces peupliers hybrides déjà plantés. L’objectif est d’en planter le plus possible dans les années à venir dans le cadre d’une démarche de captage du carbone.

Avec la perspective d’augmenter considérablement la production des cultures, des forêts qui poussent 50% plus vite que les forêts conventionnelles, cela semblerait faire un avenir plutôt intéressant que nous pouvons espérer.

Ingénierie génétique

Un éléphant majeur dans la salle quand il s’agit de ce sujet est celui des organismes génétiquement modifiés (OGM), ou « génétiquement modifiés » (GE) comme c’est le terme le plus correct. De nombreux pays ont une législation qui interdit ou limite sévèrement la culture, l’importation et la vente d’organismes, de produits, de semences, etc. génétiquement modifiés. Ce sera sans aucun doute le plus grand obstacle à l’acceptation de ces plantes à photosynthèse améliorée.

Même si de nombreux arguments peuvent être avancés pour la sécurité inhérente de ces arbres hybrides puisque ni les humains ni le bétail ne sont susceptibles de consommer les forêts et les arbres en général, le fossé entre le monde logique de la science et le monde émotionnel de la personne moyenne et du quotidien Le cycle de l’actualité est en effet austère dans ce contexte.

Malgré cela, avec le cours actuel du monde vers un monde où les sécheresses, la famine et tous les autres symptômes très désagréables du changement climatique seront ressentis par de plus en plus de personnes, il se pourrait que les outils que la science nous a fournis soient notre salut ici , nous permettant de nourrir des millions de personnes et de réduire considérablement l’excès de CO2 dans l’atmosphère, tout en rendant les plantes plus aptes à accumuler du carbone.