La recherche montre que la photorespiration ne protège pas contre les conditions de lumière fluctuantes

La photosynthèse est l’un des processus métaboliques les plus importants dans la nature : elle est essentielle à la croissance des plantes et donc à la production d’aliments à base de plantes. En étroite coopération avec l’Institut Max Planck de physiologie moléculaire des plantes (MPI-MP), une équipe de recherche germano-américaine dirigée par l’Université Heinrich Heine de Düsseldorf (HHU) a étudié si une voie métabolique spécifique de la photosynthèse qui entre en compétition avec la fixation du carbone avait un effet fonction protectrice pour les plantes.

Les résultats sont également pertinents pour la sélection des plantes cultivées, comme l’expliquent les chercheurs dans la revue Communications naturelles.

Pendant la photosynthèse, les plantes convertissent l’énergie lumineuse en énergie chimique. Cette énergie chimique prend la forme de molécules particulières : ATP et NAD(P)H. L’énergie stockée dans ces molécules peut être universellement utilisée pour d’autres processus métaboliques de la plante, par exemple pour fixer le dioxyde de carbone (CO₂) de l’air sous forme d’hydrocarbures comme le sucre.

La protéine catalysante « Rubisco » est importante pour ce processus. Mais Rubisco ne se contente pas de réparer le CO₂, mais aussi, comme réaction secondaire indésirable, de l’oxygène. Au cours du processus, le sous-produit toxique 2-phosphoglycolate est généré, ce qui compromet le CO₂ fixation. Afin d’éliminer le 2-phosphoglycolate perturbateur, un autre processus métabolique énergivore est nécessaire : la photorespiration.

Au cours de la journée, l’intensité lumineuse fluctue fortement, par exemple lorsque le vent souffle sur les feuilles ou en raison des nuages. En conséquence, la quantité d’énergie chimique disponible sous forme d’ATP et de NAD(P)H fluctue également. Une exposition soudaine à une lumière intense peut être nocive pour la plante : comme seules des quantités limitées de molécules précurseurs de l’ATP et du NAD(P)H sont disponibles, seule une partie de l’énergie lumineuse absorbée peut être convertie en énergie chimique. L’excès d’énergie lumineuse provoque des dommages dits photooxydatifs sur les protéines, ce qui les inactive.

Une équipe de recherche dirigée par le professeur Ute Armbruster de l’Institut HHU de photosynthèse moléculaire a maintenant étudié si la photorespiration pouvait protéger les plantes des dommages photooxydatifs dans des conditions de lumière fortement fluctuantes. Leur hypothèse : la photorespiration utilise l’énergie chimique excédentaire, libérant suffisamment de molécules précurseurs pour la production d’ATP et de NAD(P)H.

Des chercheurs de l’Institut Max Planck de physiologie moléculaire des plantes de Potsdam, de l’Université de Potsdam et de l’Université d’État du Michigan à East Lansing ont également participé au projet.

L’objet de l’étude était le cresson de Thale (Arabidopsis thaliana), dans lequel les gènes HPR1 et GGT1 ont été désactivés dans certaines plantes (appelées plantes knock-out). Ces gènes codent pour deux enzymes clés de la photorespiration, qui peuvent être trouvées à différents points de cette voie métabolique. Les plantes ont été exposées à différentes conditions de lumière : lumière fluctuante et lumière constante à deux intensités.

Les chercheurs ont observé la croissance des plantes dans différentes situations d’éclairage. Selon l’hypothèse, les plantes à photorespiration limitée devraient croître moins bien dans des conditions de lumière fortement fluctuantes, car la photorespiration ne peut pas assumer ici une fonction de protection.

Le Dr Thekla von Bismarck, auteur principal de l’étude, déclare : « Notre hypothèse n’a pas été confirmée : la photorespiration ne semble pas jouer un rôle clé dans la protection des plantes pendant les phases de forte lumière dans des conditions de lumière fluctuantes. En fait, les plantes sans photorespiration pleinement fonctionnelle Le processus semble se développer mieux sous une lumière fluctuante que dans des conditions de lumière constante. »

Les partenaires de la coopération de Potsdam ont fourni à l’étude un modèle informatique qui prévoit divers processus métaboliques. Le professeur Armbruster explique : « Le métabolisme des plantes s’est révélé très flexible. Même si les plantes manquent de certaines enzymes photorespiratoires, elles sont capables de compenser ce manque par d’autres voies métaboliques. La voie alternative dépend cependant des conditions de lumière et, pour les plantes sans GGT1, nous ont pu montrer que la lumière fluctuante active une voie métabolique moins nocive en termes de dommages photooxydatifs que la lumière non fluctuante.

Les résultats sont intéressants dans le cadre de l’amélioration des rendements des cultures en contournant synthétiquement la photorespiration. L’activation de la voie métabolique alternative d’une plante dans les chloroplastes pourrait être utilisée pour libérer le CO₂ de la photorespiration à proximité de Rubisco et améliorer ainsi la photosynthèse dans des conditions de lumière dynamique.