Reprogrammer la photorespiration pourrait stimuler la productivité des cultures
Les plantes utilisent la photosynthèse pour convertir la lumière du soleil et le CO2 en sucres et en biomasse. L’enzyme clé en cause, la Rubisco, peut réagir avec l’oxygène plutôt qu’avec le CO2, et déclencher un processus coûteux en énergie appelé photorespiration. Ce processus consomme de l’énergie et restitue à l’atmosphère du CO2 pourtant déjà fixé. Cela pèse lourdement sur l’efficacité de la photosynthèse et le rendement des cultures, en particulier sous les climats chauds et secs. Le projet GAIN4CROPS(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), financé par l’UE, s’est fixé pour objectif de repenser ce processus peu efficace. Il a exploré des stratégies naturelles et synthétiques pour limiter ces pertes de carbone, et conçu des «pompes à carbone» plus efficaces et de nouvelles voies métaboliques. Ces stratégies pourraient améliorer les rendements agricoles et l’usage des ressources, tout en ouvrant la voie à une agriculture plus durable.
Des percées en preuve de concept grâce aux outils expérimentaux et théoriques
La plupart des plantes, et tous les arbres, appartiennent au groupe dit C3, incapables de limiter la photorespiration. Les plantes C4, plus répandues sous les climats chauds, disposent de voies métaboliques qui le réduisent au minimum. Le projet GAIN4CROPS a choisi d’étudier le tournesol, culture européenne à haute valeur économique pour l’alimentation humaine, animale et la filière oléagineuse. Fait remarquable, bien que le tournesol soit une plante C3, certains de ses parents sauvages sont des intermédiaires C3-C4, offrant de précieux indices sur la façon dont l’évolution a résolu le problème de la photorespiration. Mêlant génomique, biologie synthétique et ingénierie métabolique, le projet a conçu des voies de contournement de la photorespiration qui réduisent les pertes de carbone, et en a introduit dans la plante modèle Arabidopsis. «Ils ont amélioré la croissance et l’accumulation de biomasse, une preuve de concept révolutionnaire qui démontre qu’il est biologiquement possible de repenser les processus métaboliques fondamentaux», explique Andreas Weber, coordinateur du projet à l’université Heinrich Heine de Düsseldorf(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre). Le projet a également produit de vastes jeux de données génomiques et transcriptomiques en cellule unique et en noyau unique, issus de parents du tournesol et d’intermédiaires C3-C4 – parmi de nombreuses ressources générées à une échelle supérieure aux prévisions initiales. Ces données ont livré un éclairage inédit sur la régulation génétique et l’organisation spatiale de la photosynthèse. «Les modèles informatiques simulent le métabolisme carboné de la photosynthèse et anticipent le comportement des voies modifiées au sein des cellules végétales. Ces outils de modélisation permettent aux chercheurs d’évaluer de nouvelles stratégies et de comparer l’efficacité des voies métaboliques avant de mener des expériences longues et coûteuses. La conception des voies métaboliques gagne ainsi en prédictibilité, en flexibilité et en efficacité», souligne Andreas Weber.
Les enjeux du passage de la recherche sur la transformation des cultures à son application
Si GAIN4CROPS a révélé le fort potentiel de la transformation des cultures à accroître leur productivité, «il a également mis en lumière la difficulté technique et le temps qu’exige la translation des découvertes scientifiques en applications agricoles concrètes. L’Europe manque cruellement d’installations de transformation des cultures, partagées et accessibles à tous», ajoute Andreas Weber. Un webinaire(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) co-organisé avec EU-SAGE (European Sustainable Agriculture through Genome Editing) et Reimagine Europa a réuni les acteurs autour des nouvelles techniques génomiques, de l’ingénierie de la photosynthèse et des incertitudes réglementaires. Les échanges ont souligné la nécessité d’une réglementation proportionnée et fondée sur les données scientifiques pour soutenir la mise en pratique responsable de la science des plantes.
La transformation des cultures, facteur central de la productivité agricole
«Les cultures qui perdent moins de carbone par photorespiration pourraient produire des rendements plus élevés, tout en utilisant l’eau, les nutriments et les terres de façon plus efficiente. Cela pourrait aider l’agriculture à s’adapter aux changements climatiques tout en allégeant les pressions environnementales», confie Andreas Weber. Mais faire évoluer le domaine, des expériences isolées de preuve de concept vers une ingénierie des cultures véritablement évolutive et applicable, demandera une démarche résolument pluridisciplinaire. Le projet GAIN4CROPS a démontré ce qu’il est possible de faire lorsque cette approche est déployée. Au-delà du tournesol, les outils, jeux de données et stratégies d’ingénierie issus de GAIN4CROPS pourraient servir à améliorer les grandes cultures alimentaires et bioénergétiques à l’échelle mondiale.
