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3to4: Converting C3 to C4 photosynthesis for sustainable agriculture

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Sur la piste d'une meilleure photosynthèse pour certaines cultures

Toutes les plantes ne sont pas égales. Même si toutes utilisent une enzyme appelée Rubisco pour capturer le carbone, certaines reposent sur la voie de photosynthèse en C3, qui est peu efficace et entraîne une perte du carbone déjà fixé, au cours d'un processus appelé photorespiration. Le projet 3TO4 a cherché à améliorer la photosynthèse de ces plantes, en s'inspirant de la photosynthèse en C4, bien plus efficace.

Alimentation et Ressources naturelles

Les plantes utilisent la photosynthèse pour transformer le dioxyde de carbone et l'eau en glucides en utilisant l'énergie de la lumière. Une enzyme essentielle au processus de fixation du carbone, RuBisCo, a évolué il y a plus de 3,5 milliards d'années dans les bactéries photosynthétiques. De nombreuses plantes de culture, comme le blé, l'orge, le riz, le soja et les pommes de terre, utilisent RuBisCo dans une voie inefficace, connue comme la photosynthèse C3 pour fixer le carbone. Les plantes plus évoluées comme le maïs ont modifié la structure et la biochimie de leurs feuilles pour concentrer le CO2 sur RuBisCo dans la voie de photosynthèse plus efficace, la C4. De façon générale, les plantes utilisant la photosynthèse en C4 représentent environ 50 % des herbes connues, 3 % des espèces de plantes à fleur, et 40 % des récoltes mondiales de céréales. Mais pourrait-on augmenter ces pourcentages grâce aux biotechnologies vertes? La photorespiration est un processus qui entrave l'action de la photosynthèse. S'il était possible de la réduire dans les cultures C3, ou si celles-ci pouvaient être transformées afin d'utiliser la photosynthèse en C4, il en résulterait d'importants avantages économiques et environnementaux car cela permettrait de réduire la quantité d'intrants», déclare Richard Leegood, coordinateur de 3TO4 et professeur de biochimie des plantes à l'Université de Sheffield. Si la photosynthèse en C4 se traduit par une amélioration des taux de fixation du carbone et une meilleure utilisation de l'azote et de l'eau, en faire bénéficier les plantes C3 est loin d'être simple. «Une photosynthèse efficace en C4 est associée à des altérations du développement, de la biologie et de la biochimie cellulaire des feuilles», explique le professeur Leegood. «Transférer ces caractères dans les cultures C3 est une entreprise de longue haleine mais un succès, même partiel, présenterait sur le long terme d'importants avantages économiques et écologiques.» 3TO4 a préparé le terrain en tentant de comprendre les aspects fondamentaux de la biologie C4. L'objectif ultime de l'équipe est d'utiliser le mécanisme C4 pour réduire l'ampleur de la photorespiration. «Dans une large mesure, les travaux proposés se sont déroulés selon les plans», déclare le professeur Leegood. «Cependant, même si le projet a pu créer des lignées de colza court-circuitant la photorespiration, le phénotype des plantes ainsi transformées n'était pas assez robuste pour justifier l'important programme proposé à l'origine.» Pour surmonter ce problème, l'équipe a réorienté ses travaux vers des plantes intermédiaires C3-C4 comme Moricandia arvensis, qui est une proche parente du colza et intègre un contournement naturel de la photorespiration. L'une des autres grands objectifs du projet était de contribuer au projet C4 Rice financé par la fondation Bill & Melinda Gates. «Le riz C4 est destiné à augmenter la production alimentaire dans ses marchés principaux en Asie du sud-est et en Afrique, mais une fois que la mise au point d'une culture C4 (ou de toute culture ayant une photorespiration réduite) aura été réalisée, il devrait être relativement simple d'appliquer cette technologie à d'autres cultures, y compris aux cultures C3 en Europe, comme le blé», déclare le professeur Leegood. Même si le projet est maintenant parvenu à son terme, les travaux se poursuivent dans les laboratoires des partenaires. Ils portent sur des domaines tels que le développement et l'anatomie de feuilles C4, l'évitement de la photorespiration, la régulation post-translationnelle des protéines C4, la fonction des facteurs de transcription et la régulation de l'expression des gènes. Si tout se passe conformément aux prévisions, le professeur Leegood estime que des cultures C4 deviendront une réalité dans 15 à 20 ans.

Mots‑clés

3TO4, photosynthèse, riz C4, photorespiration, fixation du CO2, Rubisco, photosynthèse en C3, photosynthèse en C4

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