Repenser la photosynthèse pour accroître la productivité des cultures
La photosynthèse, le processus par lequel les plantes, les algues et certaines bactéries utilisent la lumière du soleil, l’eau et le dioxyde de carbone (CO2) pour créer leur propre nourriture, est fondamentale pour la vie sur Terre. Ce processus est également essentiel au maintien des niveaux d’oxygène dans l’atmosphère. Fait intéressant, la photosynthèse s’est développée à une époque où les niveaux de CO2 sur Terre étaient beaucoup plus élevés. Au cours de millions et de millions d’années, les niveaux de CO2 ont baissé, en partie grâce à l’activité des plantes (l’oxygène est un sous-produit de la photosynthèse). Et la photosynthèse n’est par conséquent plus aussi efficace qu’auparavant.
Sécurité et qualité alimentaire
Cela a éveillé la curiosité des scientifiques notamment parce que la sécurité et la qualité alimentaires sont devenues des enjeux mondiaux majeurs. Le changement climatique a un impact sur les pratiques agricoles, et de nombreuses régions du monde cherchent des moyens d’augmenter la biomasse de manière efficace et durable pour nourrir une population croissante. C’est là qu’intervient l’idée d’améliorer la photosynthèse des plantes. «Cela fait des décennies que l’on travaille sur ce sujet», explique Stefan Schillberg, coordinateur du projet PhotoBoost(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) de Fraunhofer IME(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) en Allemagne. «L’un des axes de recherche s’est concentré sur la RuBisCO, une enzyme photosynthétique centrale qui transforme le dioxyde de carbone en sucres, mais qui réagit également avec l’oxygène, gaspillant ainsi de l’énergie.» L’équipe de PhotoBoost a cherché à manipuler les enzymes impliquées dans la photosynthèse afin d’accroître l’efficacité du mécanisme. Les chercheurs ont appliqué diverses approches de biologie synthétique et d’ingénierie métabolique, ils ont notamment intégré un mécanisme de concentration du carbone par les algues et un mécanisme de piégeage de l’oxygène.
Augmenter les rendements des cultures de pommes de terre et de riz
Une méthode efficace a consisté à manipuler un mécanisme de concentration du carbone impliquant différentes enzymes et protéines. Quatre protéines du mécanisme ont été identifiées, dont une en particulier a été l’objet de la recherche. L’objectif final était d’améliorer considérablement la photosynthèse afin d’augmenter la biomasse, en particulier dans les parties comestibles des plantes, telles que les tubercules de pomme de terre et les grains de riz. «Il était important que nous fassions la démonstration de ces techniques non seulement dans des serres, mais également en plein champ», explique Greta Nölke, la principale scientifique impliquée dans PhotoBoost. «Nous avons mené des essais sur le terrain en Allemagne, en Espagne et aux Philippines.» Le projet a démontré des gains de rendement bien supérieurs à ceux des méthodes de sélection conventionnelles. Dans des conditions de champ proche, les cultures de pommes de terre présentant les améliorations photosynthétiques les plus prometteuses ont atteint des rendements plus élevés de 42 %, tandis que celles de riz ont atteint des rendements supérieurs de 33 %.
Stimuler une agriculture résiliente au changement climatique
Ces résultats démontrent que la photosynthèse peut être «recâblée» avec succès à l’aide de la biotechnologie afin d’obtenir des améliorations substantielles et stables du rendement. De telles approches pourraient un jour être utilisées pour soutenir une agriculture résiliente au climat, afin d’améliorer la productivité face au changement climatique et à l’accroissement de la demande alimentaire mondiale. Le projet entend ensuite transférer ces stratégies d’amélioration de la photosynthèse à d’autres cultures. Le niébé, une légumineuse de base essentielle dans certaines régions d’Afrique, en est un exemple. Il fait désormais l’objet d’un nouveau projet soutenu par Gates Agricultural Innovation. «Nous souhaitons également analyser les effets de cette technologie sur le terrain», confie Stefan Schillberg. «Si nous produisions des cultures avec plus de biomasse, qu’est-ce que cela impliquerait en termes d’utilisation d’eau, de nutriments et d’engrais? Et qu’est-ce que cela impliquerait en termes de qualité nutritionnelle?» Schillberg et son équipe souhaitent poursuivre leurs recherches sur ces questions et d’autres, dans une perspective à long terme visant à stimuler l’agriculture mondiale de manière durable.
