Les plantes convertissent la lumière du soleil en énergie par photosynthèse ; cependant, la plupart des cultures de la planète sont en proie à un problème de photosynthèse et, pour y faire face, ont mis au point un processus coûteux en énergie appelé photorespiration qui réduit considérablement leur rendement potentiel.
Des chercheurs de l’Université de l’Illinois et du U.S. Department of Agriculture Agricultural Research Service rapportent dans la revue Science que les cultures conçues avec un raccourci photorespiratoire sont 40 % plus productives dans des conditions agronomiques réelles.
« Nous pourrions nourrir jusqu’à 200 millions de personnes supplémentaires avec les calories perdues par la photorespiration dans le Midwest des États-Unis chaque année « , a déclaré le chercheur principal Donald Ort, titulaire de la chaire Robert Emerson en phytotechnie et en sciences végétales au Carl R. Woese Institute for Genomic Biology en Illinois. « Récupérer ne serait-ce qu’une partie de ces calories à travers le monde contribuerait grandement à répondre à l’augmentation rapide de la demande alimentaire au XXIe siècle, due à la croissance démographique et à des régimes alimentaires plus riches en calories« .
Cette étude historique fait partie de Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE), un projet de recherche international qui vise à améliorer l’efficacité de la photosynthèse des cultures afin d’accroître durablement la productivité alimentaire mondiale avec le soutien de la Fondation Bill & Melinda Gates, de la Fondation pour la recherche en alimentation et agriculture (FFAR) et du Department for International Development (DFID) du gouvernement du Royaume-Uni.
La photosynthèse utilise l’enzyme Rubisco, la protéine la plus abondante de la planète, et l’énergie solaire pour transformer le dioxyde de carbone et l’eau en sucres qui alimentent la croissance et le rendement des plantes. Au cours des millénaires, la Rubisco a été victime de son propre succès, créant une atmosphère riche en oxygène. Incapable de distinguer de façon fiable entre les deux molécules, la Rubisco capte l’oxygène au lieu du dioxyde de carbone environ 20 % du temps, ce qui donne un composé toxique pour les plantes qui doit être recyclé par le processus de photorespiration.
« La photorespiration est anti-photosynthèse « , a déclaré l’auteur principal Paul South, biologiste moléculaire de recherche au Service de recherche agricole, qui travaille sur le projet RIPE dans l’Illinois. « Cela coûte à la plante une énergie et des ressources précieuses qu’elle aurait pu investir dans la photosynthèse pour produire plus de croissance et de rendement. »
La photorespiration prend normalement un chemin compliqué à travers trois compartiments de la cellule de la plante. Les scientifiques ont mis au point d’autres voies pour réorienter le processus, ce qui a permis de raccourcir considérablement le trajet et d’économiser suffisamment de ressources pour stimuler la croissance des plantes de 40%. C’est la première fois qu’une résolution de photorespiration a été testé dans des conditions agronomiques réelles.
« Tout comme le canal de Panama a été un exploit technique qui a augmenté l’efficacité du commerce, ces raccourcis photorespiratoires sont un exploit technique qui s’avère un moyen unique d’accroître considérablement l’efficacité de la photosynthèse « , a déclaré Stephen Long, directeur du RIPE, directeur de la chaire Ikenberry Endowed University en sciences végétales et biologie végétale à Illinois.
L’équipe a conçu trois itinéraires de rechange pour remplacer les circuits natifs. Pour optimiser les nouvelles voies, ils ont conçu des constructions génétiques à l’aide de différents ensembles de promoteurs et de gènes, créant essentiellement une série de feuilles de route uniques. Ils ont testé ces feuilles de route sur 1 700 plantes afin d’évaluer les plus performantes.
Au cours de deux années d’études sur le terrain, ils ont constaté que ces plantes modifiées se développaient plus rapidement, poussaient plus haut et produisaient environ 40% plus de biomasse, dont la plupart se trouvaient dans des tiges de 50% plus grandes.
L’équipe a testé leurs hypothèses sur le tabac : une plante modèle idéale pour la recherche sur les cultures parce qu’elle est plus facile à modifier et à tester que les cultures vivrières, mais contrairement aux autres modèles de plantes, elle développe un couvert foliaire et peut être testée sur le terrain. Aujourd’hui, l’équipe se sert de ces résultats pour augmenter le rendement du soja, du niébé, du riz, de la pomme de terre, de la tomate et de l’aubergine.
« La Rubisco a encore plus de mal à extraire le dioxyde de carbone de l’oxygène à mesure qu’il se réchauffe, ce qui provoque davantage de photorespiration « , a déclaré Amanda Cavanagh, co-auteure et chercheuse postdoctorale de l’Illinois travaillant sur le projet RIPE. « Notre objectif est de construire de meilleures plantes qui peuvent supporter la chaleur aujourd’hui et à l’avenir, afin d’aider les agriculteurs à se doter de la technologie dont ils ont besoin pour nourrir le monde. »
Bien qu’il faudra probablement plus d’une décennie pour que cette technologie se traduise en cultures vivrières et obtienne l’approbation réglementaire, le RIPE et ses promoteurs sont déterminés à faire en sorte que les petits exploitants agricoles, en particulier en Afrique subsaharienne et en Asie du Sud-Est, aient accès sans redevances à toutes les avancées du projet.
Crédits photos : Claire Benjamin/RIPE Project
