L’ingénierie des cultures pour répondre aux besoins alimentaires d’une population mondiale croissante
La demande mondiale en denrées alimentaires est en hausse. Avec l’accroissement de la population mondiale et l’augmentation des revenus dans les pays en développement, la demande mondiale en denrées alimentaires devrait doubler d’ici à 2050. Pour répondre à cette demande, l’agriculture doit être plus durable et aussi plus productive. Les rendements agricoles devront augmenter de 2,4 % chaque année, ce qui constitue un défi. En effet, les principales cultures vivrières telles que le maïs, le riz et le blé plafonnent actuellement à une augmentation annuelle de 1 %. Une équipe de recherche dirigée par le professeur Andreas Weber, de l’Université Heinrich Heine en Allemagne, a mis au point une solution qui pourrait déboucher sur des plantes plus productives et consommant moins de ressources. Réalisée avec le soutien du projet GAIN4CROPS, financé par l’UE, la solution est axée sur la photorespiration et le métabolisme des plantes en C4, deux des principaux objectifs de l’amélioration du rendement des cultures. L’étude des chercheurs a été publiée dans la revue «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America».
Un aperçu de la photorespiration et du métabolisme des plantes en C4
Chez la plupart des espèces végétales mondiales, appelées plantes en C3 en raison du composé à trois carbones, le 3‑phosphoglycérate, qui se forme lorsque le CO2 est fixé, la photorespiration est un processus métabolique gaspilleur. Ce processus commence lorsque l’enzyme de fixation du carbone, la ribulose‑1,5‑bisphosphate carboxylase/oxygénase (rubisco), agit sur l’oxygène plutôt que sur le CO2, créant ainsi des produits toxiques que la plante doit recycler. Au cours de ce processus, la plante perd une grande partie de l’énergie produite par la photosynthèse et libère du carbone précédemment fixé, ce qui entraîne une baisse de productivité. Toutefois, les plantes en C4 — ainsi nommées en raison du composé à quatre carbones produit au cours de la photosynthèse — ont la capacité de limiter la photorespiration en utilisant une enzyme autre que la rubisco lors de la première étape de la fixation du carbone. Pour réduire les effets néfastes de la photorespiration et améliorer la croissance et le rendement des plantes, les scientifiques introduisent de nouvelles voies métaboliques pour contourner la photorespiration ou imitent les mécanismes de concentration du carbone des plantes en C4. La solution de l’équipe de recherche allemande relie deux des principaux objectifs de l’amélioration du métabolisme des plantes en combinant la photorespiration et le métabolisme des plantes en C4. Comme indiqué dans un communiqué de presse publié sur le site web de GAIN4CROPS, les scientifiques ont «transformé une nouvelle voie de contournement de la photorespiration, la voie microbienne BHAC, en un mécanisme de conservation du carbone dans les plantes». Ils ont introduit des enzymes de la voie BHAC dans une plante modèle, Arabidposis thaliana, et ont réussi à convertir «le produit toxique de la photorespiration en une rampe de lancement d’un cycle synthétique en C4, sans dissiper de carbone, d’azote ou d’énergie». L’étude de preuve de concept ouvre la voie à une meilleure productivité agricole à l’avenir. «L’amélioration de la durabilité est probablement le plus grand défi du XXIe siècle et, même s’il n’existe pas de solution miracle unique, la combinaison de différentes solutions pourrait permettre une amélioration efficace», a fait remarquer Andreas Weber dans le même communiqué de presse. Les chercheurs du projet GAIN4CROPS (Rewiring photorespiration using natural and synthetic pathways to sustainably increase crop yield) travaillent à l’élaboration de voies métaboliques synthétiques hautement efficaces qui stimuleront la fixation du carbone. L’objectif du projet est de jouer un rôle dans la satisfaction des besoins en denrées alimentaires et en carburant d’une population mondiale croissante confrontée au changement climatique. Pour plus d’informations, veuillez consulter: site web du projet GAIN4CROPS
Mots‑clés
GAIN4CROPS, culture, photorespiration, plante, carbone, CO2, C4, métabolisme
