OGM : des chercheurs boostent la photosynthèse

Insérez dans un plant de tabac un gène d’algue par-ci, une petite séquence de citrouille par-là. Parsemez ensuite de quelques brins d’ARN interférent… et voici un mutant capable de gagner 40 % de biomasse en plein champ par rapport à son homologue sauvage. Présentée comme telle, la recette ressemble à une potion magique, mais les chercheurs de l’Institut de biologie génomique de l’université de l’Illinois à l’origine des travaux publiés dans la revue Science le 4 janvier 2019 ne sont en rien d’apprentis sorciers. En amont de leur démarche, un constat, l’augmentation des besoins alimentaires mondiaux estimés à environ 70 % d’ici à 2050. Et pour y répondre, les bio généticiens de l’Illinois œuvrent à la modification génétique des plantes d’intérêt agronomique avec une idée fixe : booster la photosynthèse en limitant une étape parallèle et coûteuse en énergie, appelée photorespiration.

Améliorer la photosynthèse

C’est connu, la photosynthèse permet aux plantes de produire les glucides nécessaires à leur croissance à partir de la lumière du Soleil, de l’eau et du dioxyde de carbone (CO2). Mais ce qui l’est moins est qu’elle n’aurait pas lieu sans un élément central : la RuBisCO ou ribulose bis-phosphate carboxylase-oxygénase, une enzyme présente en abondance dans les feuilles. Car en exerçant une activité appelée carboxylation, la RuBisCO permet la transformation du CO2 capté en glucides. Mais comme son nom l’indique, cette enzyme intervient aussi dans une autre réaction : l’oxygénation. C’est alors avec l’oxygène qu’elle réagit pour produire un composé toxique qui sera recyclé par la photorespiration. Cette activité oxygénase, qui serait apparue à une période géologique où la teneur en oxygène atmosphérique était très faible, est aujourd’hui loin d’être tout bénéfice pour la plante. Outre la perte sèche de carbone – et donc de croissance – engendrée par l’activité oxygénase, le recyclage photorespiratoire représente un coût non négligeable susceptible de diminuer l’efficacité de la photosynthèse de 20 jusqu’à 50 %.

La photorespiration, une étape vraiment inutile ?

Carboxylation et oxygénation, toutes deux régies par la RuBisCO, entrent donc en compétition lors du développement végétal. Or si certaines plantes, appelées plantes en C4, contournent cette photorespiration en y superposant un autre mécanisme, les plantes en C3 – dont le tabac mais aussi le riz, le blé, la pomme de terre, les épinards ou la tomate… – ne bénéficient pas de cet avantage. Tant et si bien que la photorespiration a longtemps été considérée comme une perte inutile de nutriments et d’énergie pour les plantes en C3. Elle dispose pourtant d’atouts et prévient notamment lors des stress hydriques – un avantage non négligeable à l’heure du changement climatique. Par exemple, lorsque la plante subit une grosse chaleur, ses stomates se ferment afin de limiter la déshydratation mais bloquent par la même occasion l’accès du CO2 aux cellules. Dans ces conditions, l’activité oxygénase augmente fortement au détriment de la photosynthèse et c’est grâce au maintien du recyclage photorespiratoire que la plante arrive à « limiter la casse » et donc les pertes. Elle joue également un rôle dans la synthèse de certains acides aminés essentiels

Court-circuiter le cycle de la photorespiration

Forts de ce constat et dans la lignée de travaux réalisés en serre sur la plante modèle Arabidopsis thaliana au cours des dix dernières années, les biologistes de l’Illinois ont donc décidé non pas de supprimer mais de court-circuiter le cycle de la photorespiration afin de diminuer ses inconvénients tout en conservant ses effets bénéfiques. Pas moins de dix-sept combinaisons génétiques ont été testées dans les feuilles des plants de tabac – Nicotiana tabacum cv. Petite Havana – pour tenter de contraindre le recyclage photorespiratoire à suivre un autre chemin, bénéfique à la production de glucides. Et le trio gagnant s’avère être un organisme génétiquement modifié associant des gènes de potiron (Cucurbita maxima), d’algue verte (Chlamydomonas reinhardtii) et des ARN interférents – des petites séquences d’ARN capables de réguler l’expression des gènes de façon spécifique. « La réassimilation des pertes photorespiratoires permet de booster tout le métabolisme photosynthétique. Et plus intéressant encore, ce mécanisme oygène-dépendant s’autoentretient dans le temps, en rétrorégulant négativement l’activité oxygénase », explique Younès Dellero, chargé de recherche à l’Inra, spécialiste de la photosynthèse.

« Nous avons nous-même été surpris par l’ampleur de l’effet bénéfique »

Pour parfaire leur démonstration, c’est en plein champ au cours de deux saisons que les scientifiques ont testé leur tabac mutant. Résultat, une augmentation de plus de 40 % de la biomasse des cultures par rapport au tabac sauvage : « Nous avons nous-même été surpris par l’ampleur de l’effet bénéfique sur la croissance avec une augmentation de 20 % de l’efficacité photosynthétique », se réjouit Donald Ort, bio-généticien spécialiste des plantes et directeur des travaux. De quoi faire rêver les sélectionneurs de nouvelles variétés efficaces.

Seul bémol, ce nouveau raccourci sera-t-il aussi efficace sur la taille des fruits ou graines que sur les feuilles ? « Rien ne dit que cette biomasse supplémentaire pourra réellement être mobilisée dans les grains », soulève Younès Dellero. Un point sur lequel les chercheurs de l’Illinois se veulent rassurants : « Nous avons bon espoir que ces raccourcis puissent augmenter le rendement des plantes cultivées. Cependant, le processus de transfert d’un caractère de la preuve de concept au champ d’un agriculteur prend en moyenne environ 12 ans », admet Donald Ort. Si l’exploitation à échelle industrielle n’est pas pour demain, les chercheurs se tournent dorénavant vers la mise en place de ces raccourcis OGM dans le soja, la cornille et la pomme de terre.

« En un sens, la photorespiration représente une perte sèche de carbone pour la plante »

« En consommant cet oxygène, la photorespiration protège ainsi la plante et permet de désaturer la chaîne respiratoire »