Un ADN végétal dissimulé révèle les secrets de la photosynthèse

Outre les chromosomes présents dans leur noyau, les cellules des plantes contiennent également de l’ADN dans leurs organelles. Ces petits compartiments spécialisés ont des fonctions bien précises, comme c’est le cas des chloroplastes pour la photosynthèse (capter l’énergie solaire et le CO₂ pour produire des sucres) et des mitochondries (libérer de l’énergie à partir des sucres). Les chloroplastes et les mitochondries contiennent chacune environ 100 à 150 gènes qui déterminent le code des protéines essentielles à leur fonctionnement.

Domaine inexploré des variations génétiques organellaires
 

Pour que les plantes fonctionnent correctement, la coordination doit être optimale entre les gènes des chromosomes, des chloroplastes et des mitochondries. Or, jusqu’à présent, les connaissances sur l’importance des variations génétiques organellaires et sur leur influence sur les performances des plantes étaient très limitées.

Des chercheurs de la Wageningen University & Research (WUR) aux Pays-Bas et de l’université du Michigan aux États-Unis ont remédié à ce problème. Dans une étude publiée ce mois-ci sur le site Internet de la revue scientifique PNAS, ils montrent que les variations génétiques de l’ADN chloroplastique et mitochondrial jouent un rôle clé dans les variations de la photosynthèse des plantes Arabidopsis thaliana (Arabette des dames).

« L’étude du rôle des variations dans les chloroplastes et les mitochondries, particulièrement sur la photosynthèse et sur la production d’énergie, qui était jusque-là inenvisageable, est dorénavant possible », explique Mark Aarts, professeur de génétique végétale à la WUR, qui a supervisé les travaux de recherche.

Analyse de 240 lignées d’Arabidopsis « cybrides »
 

Pour leur étude, les auteurs ont élaboré une nouvelle méthode de génération de cybrides à grande échelle. Dans un cybride, les chloroplastes et les mitochondries d’origine sont tous remplacés par ceux d’une autre plante.

« En combinant les chromosomes d’un des quatre plants d’Arabidopsis avec les chloroplastes et les mitochondries d’un des 60 autres plants d’Arabidopsis, nous avons pu créer 240 cybrides uniques », explique Mark Aarts.

Les plants utilisés dans cette étude proviennent de multiples emplacements géographiques en Europe, en Asie et en Afrique, zones d’implantation naturelle d’Arabidopsis.

C’est la première fois qu’un lot aussi important de cybrides est produit. Mark Aarts estime que cette approche pourrait également être appliquée aux cultures agricoles, ce qui met la méthode à la portée des entreprises de sélection végétale.

« Il était, auparavant, très compliqué et fastidieux d’étudier la contribution des variations chloroplastiques et mitochondriales à la photosynthèse et à la production d’énergie des plantes, mais les choses ont changé ».

Vers une plus grande efficacité de la photosynthèse et de la croissance des plantes
 

L’efficacité de la photosynthèse des plantes dans le champ est relativement faible par rapport à celle de panneaux solaires. Les cultures utilisent en moyenne 1 pour cent seulement de l’énergie solaire qui les atteint. De précédentes recherches ont montré que cette efficacité pourrait, en principe, être cinq à six fois plus élevée. La libération de ce potentiel est au cœur de travaux actuellement menés à l’Institut Jan IngenHousz de Wageningen, où deux des auteurs de l’article sont basés.

Avant, les tentatives visant à améliorer la photosynthèse étaient principalement axées sur l’utilisation de variations génétiques dans les chromosomes. Selon Mark Aarts, cette découverte élargit les possibilités des biologistes et des sélectionneurs qui pourront ainsi étudier et améliorer la photosynthèse et la production d’énergie. Ces travaux devraient contribuer à la création de futures variétés végétales capables de mieux capter et utiliser l’énergie et donc d’avoir une croissance optimale.

« Pour réussir à nourrir une population mondiale en pleine croissance avec des cultures robustes, résilientes au changement climatique et cultivées de manière durable, nous devons absolument réussir à améliorer la capacité des plantes à capter l’énergie solaire et à produire des rendements fiables dans des conditions environnementales variables », ajoute Mark Aarts.

(WUR/wi)

Référence :

Mark G.M. Aarts et al.: Species-wide inventory of Arabidopsis thaliana organellar variation reveals ample phenotypic variation for photosynthetic performance; PNAS; November 27, 2024, 121 (49) e2414024121. https://doi.org/10.1073/pnas.24140241