Les origines inattendues de la photosynthèse

La conversion de la lumière du soleil en énergie chimique, un processus nommé photosynthèse, est l’un des plus importants processus biologiques sur Terre. La photosynthèse oxygénique entraîne la libération d’oxygène et la fixation de dioxyde de carbone (CO₂), elle est réalisée par les végétaux terrestres, les algues et certaines bactéries appelées cyanobactéries du fait de leur coloration bleue.

Jusqu’à présent, on ignorait l’origine du processus de photosynthèse, apparu il y a 3,8 milliards d’années avec les premières cyanobactéries. Dans une récente publication scientifique, nous montrons qu’au cours de l’évolution, des organismes appartenant à deux domaines du vivant (une bactérie et une archéobactérie) ont contribué à la mise en place du système biologique sur lequel repose la fixation du CO₂.

Or, ces organismes ne sont pas eux-mêmes photosynthétiques.

Arbre phylogénétique des trois domaines du vivant : les eucaryotes sont représentés en rouge, les archées en vert et les bactéries en bleu. Tim Vickers at English Wikimédia

Ce résultat, publié dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), est l’aboutissement de travaux initiés il y a plus de quarante ans. Il a pu être établi au sein d’une équipe internationale associant l’Université de Lorraine et l’Inra France, les universités de Freiburg (Allemagne) et de Berkeley (États-Unis).

La photosynthèse, clé de voûte des équilibres biologiques

 

Le CO₂ fixé par les organismes doués de photosynthèse est utilisé pour la synthèse de sucres. La photosynthèse est ainsi à l’origine de l’essentiel de l’énergie et de la matière organique sur Terre. Elle joue aussi un rôle clé dans le maintien constant du taux d’oxygène et dans la réduction de la teneur en CO₂, un important gaz à effet de serre, dans l’atmosphère terrestre.

L’efficacité de fixation du CO₂ par les plantes conditionne notamment les rendements des cultures agricoles. Mieux connaître le fonctionnement et la régulation de la photosynthèse pourrait permettre de mieux contrôler la productivité végétale.

 

 

La photosynthèse végétale consiste à combiner le dioxyde de carbone de l’atmosphère à l’eau absorbée par les racines à l’aide de l’énergie solaire captée par les feuilles avec libération d’oxygène afin de produire des sucres. Wattcle/Wikipédia, CC BY-SA

 

Les enzymes, au cœur de la fixation du CO₂

 

Dans les cellules des plantes, la fixation du CO₂ fait intervenir une série enzymes constituant un cycle métabolique. Les enzymes sont des protéines qui catalysent les réactions chimiques. Les enzymes permettent à des réactions de se produire à des vitesses qui peuvent être des millions de fois plus rapides qu’en leur absence. Comme toute protéine, la séquence peptidique constitutive d’une enzyme est directement liée à la séquence nucléotidique de l’ADN des gènes qui codent cette dernière. En d’autres termes, chaque enzyme est codée par un gène.

Les chercheurs étudient deux de ces enzymes depuis plus de quarante ans : la fructose-1,6-bisphosphatase (ou FBPase) et la sédoheptulose-bisphosphatase (ou SBPase). Grâce à des analyses biochimiques et génétiques réalisées sur un organisme végétal, la mousse Physcomitrella patens, nous avons mis en évidence leur structure moléculaire et leur mode d’action. C’est ainsi que nous avons retracé l’évolution du système photosynthétique.

Croisement génétique entre deux domaines du vivant

 

Bien que les deux enzymes isolées à partir de la mousse soient assez similaires dans leur mode d’action et dans leur structure hormis quelques détails toutefois très importants pour leur régulation, elles sont issues d’organismes appartenant à deux domaines du vivant différents. L’analyse de l’origine des deux gènes codant pour ces enzymes indique que l’une provient de bactéries non photosynthétiques, et l’autre, d’organismes ancestraux appelés Archées.

Ainsi les systèmes photosynthétiques reposent sur un assemblage de gènes acquis à partir d’organismes plus primitifs qui ne sont pas eux-mêmes photosynthétiques. Ces gènes se sont adaptés au fonctionnement très particulier des organismes pratiquant la photosynthèse oxygénique.

Les précurseurs des végétaux sont apparus il y a 3,8 milliards d’années à la faveur d’échanges génétiques inattendus. Ce nouvel éclairage sur les origines de la photosynthèse pourrait ouvrir des pistes pour l’amélioration du rendement des cultures agricoles.

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