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Reprogrammer la photosynthèse pour améliorer les rendements agricoles

De jeunes plantes se développent au soleil.
De jeunes plantes se développent au soleil. Photo: iStock
Radio-Canada

Des chercheurs sont parvenus à améliorer l'une des réactions chimiques les plus importantes de notre planète : la photosynthèse. Ce faisant, ils ont réussi à augmenter la croissance de certaines plantes de 40 %, une hausse qui serait bien utile pour combler les besoins alimentaires des prochaines années.

Un texte de Renaud Manuguerra-Gagné

On dit que la nature fait bien les choses, mais cela ne veut pas dire qu’elle ne commet pas d’erreurs. Même la photosynthèse, l’une des réactions chimiques les plus importantes du monde vivant, comporte certains « bogues » qui minent son efficacité.

Bien que les plantes aient développé toutes sortes de stratagèmes pour corriger ces imperfections, beaucoup d’énergie qui pourrait être utile à leur croissance est perdue dans des corrections perpétuelles.

Or, des chercheurs américains (Nouvelle fenêtre), qui ont obtenu un soutien financier dans le cadre du projet de recherche Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (soutenu par la Fondation Bill & Melinda Gates, la Fondation pour la recherche en alimentation et en agriculture et le Département américain pour le développement international) ont réussi à changer le génome de plants de tabac pour rendre la photosynthèse plus efficace. Ils espèrent ainsi développer une méthode qui permettrait d’augmenter la croissance de cultures essentielles à l’alimentation humaine, dont la productivité pourrait être menacée par les changements climatiques.

Une erreur coûteuse

Toute plante est capable de produire de l’énergie grâce à la lumière du soleil et à un apport en eau. L’énergie ainsi produite permettra ensuite aux plantes de transformer le gaz carbonique en molécules de sucre. Cette étape dépend entièrement d’une enzyme surnommée Rubisco, dont le rôle est de récupérer l’atome de carbone du CO2 et de le transporter ailleurs.

Toutefois, cette enzyme est étonnamment peu sélective et il arrive que Rubisco lie un atome d’oxygène au lieu d’un atome de carbone. Cette réaction accidentelle créera alors des produits toxiques pour la plante, qui devra dépenser une énergie précieuse pour les éliminer et récupérer les molécules perdues, un phénomène nommé photorespiration.

Ce processus se réalise à travers une longue réaction chimique comportant plusieurs étapes. Au bout du compte, de 20 % à 50 % de l’énergie produite lors de la photosynthèse est perdue lors de ce processus de recyclage.

Retour à la table à dessin

Des chercheurs de l’Université de l’Illinois ont utilisé le génie génétique pour améliorer le « rendement énergétique » de cette détoxication.

Ces derniers ont d’abord envisagé d’autres réactions de détoxication qui ne consommeraient pas autant d’énergie que la voie naturelle. Ils ont ensuite inséré de nouveaux gènes dans des plants de tabac, dont le génome est bien connu, tout en désactivant les gènes responsables de la photorespiration standard.

Différentes combinaisons de gènes et de régions responsables de leur activation ont été testées dans plus de 1700 plants de tabac, et les chercheurs n’ont ensuite eu qu’à isoler les plantes les plus performantes.

Après deux années passées à reproduire les résultats, les chercheurs ont conclu que leurs modifications permettaient aux plantes d’avoir une croissance jusqu’à 40 % plus importante, essentiellement concentrée dans les tiges, qui étaient 50 % plus grosses que les variantes naturelles.

Forts de ce premier résultats, les chercheurs veulent tenter de répéter l’exploit sur des plantes importantes pour l’alimentation humaine, comme le riz, le soya, les pois ou les tomates.

Selon eux, les calories obtenues par un meilleur rendement de la photorespiration pourraient, à elles seules, nourrir 200 millions de personnes, et ce, uniquement avec l’agriculture nord-américaine. Il pourrait toutefois falloir jusqu’à une décennie pour que ces travaux mènent à une plante commercialisable.

Précision: 

Par souci de clarté, nous avons précisé dans le texte que les chercheurs ont reçu un soutien financier du projet de recherche Realizing Increased Photosynthetic Efficiency, un organisme lui-même financé par la Fondation Bill & Melinda Gates, la Fondation pour la recherche en alimentation et en agriculture et le Département américain pour le développement international.

Science