Adaptations au changement climatique dans les usines C3, C4 et CAM

Le changement climatique mondial entraîne une augmentation des températures moyennes quotidiennes, saisonnières et annuelles, ainsi qu'une augmentation de l'intensité, de la fréquence et de la durée des températures anormalement basses et élevées. La température et d'autres variations environnementales ont un impact direct sur la croissance des plantes et sont des facteurs déterminants majeurs dans la distribution des plantes. Étant donné que les humains dépendent des plantes, directement et indirectement, une source de nourriture cruciale, il est essentiel de savoir dans quelle mesure ils sont capables de résister et / ou de s'acclimater au nouvel ordre environnemental..

Impact environnemental sur la photosynthèse

Toutes les plantes ingèrent du dioxyde de carbone atmosphérique et le convertissent en sucres et amidons par le biais du processus de photosynthèse, mais elles le font de différentes manières. La méthode (ou voie) de photosynthèse spécifique utilisée par chaque classe de plante est une variation d'un ensemble de réactions chimiques appelées le cycle de Calvin. Ces réactions ont un impact sur le nombre et le type de molécules de carbone qu'une plante crée, les endroits où ces molécules sont stockées et, surtout pour l'étude du changement climatique, la capacité d'une plante à résister à des atmosphères à faible teneur en carbone, à des températures plus élevées et à une réduction de l'eau et de l'azote.

Ces processus de photosynthèse, désignés par les botanistes comme C3, C4 et CAM, sont directement pertinents pour les études mondiales sur le changement climatique, car les plantes C3 et C4 réagissent différemment aux changements de la concentration de dioxyde de carbone atmosphérique et aux changements de température et de disponibilité de l'eau.

Les humains dépendent actuellement d'espèces végétales qui ne prospèrent pas dans des conditions plus chaudes, plus sèches et plus irrégulières. Alors que la planète continue de se réchauffer, les chercheurs ont commencé à explorer des façons d'adapter les plantes à l'environnement changeant. Modifier les processus de photosynthèse peut être une façon de le faire. 

Plantes C3

La grande majorité des plantes terrestres dont nous dépendons pour l'alimentation humaine et l'énergie utilisent la voie C3, qui est la plus ancienne des voies de fixation du carbone, et on la trouve dans les plantes de toutes les taxonomies. Presque tous les primates non humains existants dans toutes les tailles de corps, y compris les prosimiens, les singes du nouveau et de l'ancien monde, et tous les singes, même ceux qui vivent dans des régions avec des plantes C4 et CAM, dépendent des plantes C3 pour leur subsistance..

• Espèce: Céréales céréalières comme le riz, le blé, le soja, le seigle et l'orge; des légumes comme le manioc, les pommes de terre, les épinards, les tomates et les ignames; des arbres comme la pomme, la pêche et l'eucalyptus
• Enzyme: Ribulose bisphosphate (RuBP ou Rubisco) carboxylase oxygénase (Rubisco)
• Processus: Convertir le CO2 en un composé 3-carbone acide 3-phosphoglycérique (ou PGA)
• Là où le carbone est fixé: Toutes les cellules de la mésophylle foliaire
• Taux de biomasse: -22% à -35%, avec une moyenne de -26,5%

Bien que la voie C3 soit la plus courante, elle est également inefficace. Rubisco réagit non seulement avec le CO2 mais aussi avec l'O2, conduisant à la photorespiration, un processus qui gaspille du carbone assimilé. Dans les conditions atmosphériques actuelles, la photosynthèse potentielle dans les plantes C3 est supprimée par l'oxygène jusqu'à 40%. L'ampleur de cette suppression augmente dans des conditions de stress telles que la sécheresse, une forte luminosité et des températures élevées. Alors que les températures mondiales augmentent, les plantes C3 auront du mal à survivre - et comme nous dépendons d'eux, nous aussi.

Plantes C4

Environ 3% seulement de toutes les espèces de plantes terrestres utilisent la voie C4, mais elles dominent presque toutes les prairies des régions tropicales, subtropicales et tempérées chaudes. Les plantes C4 comprennent également des cultures très productives telles que le maïs, le sorgho et la canne à sucre. Bien que ces cultures dominent le domaine de la bioénergie, elles ne conviennent pas entièrement à la consommation humaine. Le maïs est l'exception, cependant, il n'est vraiment digestible que s'il est broyé en poudre. Le maïs et d'autres plantes cultivées sont également utilisés comme aliments pour animaux, convertissant l'énergie en viande - une autre utilisation inefficace des plantes.

• Espèce: Commun dans les graminées fourragères des latitudes inférieures, le maïs, le sorgho, la canne à sucre, le fonio, le tef et le papyrus
• Enzyme: Phosphénolpyruvate (PEP) carboxylase
• Processus: Convertir le CO2 en intermédiaire 4 carbone
• Où le carbone est fixé: Les cellules de mésophylle (MC) et les cellules de gaine en faisceau (BSC). Les C4 ont un anneau de BSC entourant chaque veine et un anneau extérieur de MC entourant la gaine du faisceau, connu sous le nom d'anatomie de Kranz.
• Taux de biomasse: -9 à -16%, avec une moyenne de -12,5%.

La photosynthèse C4 est une modification biochimique du processus de photosynthèse C3 dans laquelle le cycle de style C3 se produit uniquement dans les cellules intérieures de la feuille. Autour des feuilles se trouvent des cellules de mésophylle qui contiennent une enzyme beaucoup plus active appelée phosphoénolpyruvate (PEP) carboxylase. En conséquence, les plantes C4 prospèrent sur de longues saisons de croissance avec beaucoup d'accès au soleil. Certains sont même tolérants au sel, ce qui permet aux chercheurs de déterminer si les zones qui ont connu une salinisation résultant des efforts d'irrigation passés peuvent être restaurées en plantant des espèces C4 tolérantes au sel.

Plantes CAM

La photosynthèse CAM a été nommée en l'honneur de la famille de plantes dans laquelle Crassulacé, la famille stonecrop ou la famille orpine, a d'abord été documentée. Ce type de photosynthèse est une adaptation à la faible disponibilité en eau et se produit dans les orchidées et les espèces de plantes succulentes des régions arides.

Chez les plantes qui utilisent la photosynthèse CAM complète, les stomates des feuilles sont fermés pendant la journée pour réduire l'évapotranspiration et ouverts la nuit afin d'absorber le dioxyde de carbone. Certaines usines C4 fonctionnent également au moins partiellement en mode C3 ou C4. En fait, il y a même une plante appelée Agave Angustifolia qui bascule entre les modes selon le système local.

• Espèce: Cactus et autres succulentes, Clusia, agave tequila, ananas.
• Enzyme: Phosphénolpyruvate (PEP) carboxylase
• Processus: En quatre phases liées à la lumière du soleil disponible, les plantes CAM collectent le CO2 pendant la journée, puis fixent le CO2 la nuit en tant qu'intermédiaire à 4 atomes de carbone.
• Où le carbone est fixé: Vacuoles
• Taux de biomasse: Les taux peuvent tomber dans les gammes C3 ou C4.

Les usines de CAM présentent les rendements d'utilisation de l'eau les plus élevés dans les usines, ce qui leur permet de bien fonctionner dans des environnements limités en eau, tels que les déserts semi-arides. À l'exception de l'ananas et de quelques espèces d'agave, comme l'agave tequila, les plantes CAM sont relativement inexploitées en termes d'utilisation humaine pour les ressources alimentaires et énergétiques.

Évolution et ingénierie possible

L'insécurité alimentaire mondiale est déjà un problème extrêmement aigu, ce qui rend dangereuse la dépendance continue à l'égard de sources alimentaires et énergétiques inefficaces, en particulier lorsque nous ne savons pas comment les cycles des plantes seront affectés à mesure que notre atmosphère deviendra plus riche en carbone. On pense que la réduction du CO2 atmosphérique et l'assèchement du climat de la Terre ont favorisé l'évolution du C4 et du CAM, ce qui soulève la possibilité alarmante que le CO2 élevé puisse inverser les conditions qui ont favorisé ces alternatives à la photosynthèse en C3.

Les preuves de nos ancêtres montrent que les hominidés peuvent adapter leur alimentation au changement climatique. Ardipithecus ramidus et Ar anamensis étaient tous deux tributaires des plantes C3, mais lorsqu'un changement climatique a transformé l'Afrique orientale des régions boisées en savane il y a environ quatre millions d'années, l'espèce qui a survécu-Australopithecus afarensis et Kenyanthropus platyops-étaient des consommateurs mixtes C3 / C4. Il y a 2,5 millions d'années, deux nouvelles espèces avaient évolué: Paranthropus, dont l'attention s'est déplacée vers les sources de nourriture C4 / CAM, et Homo sapiens qui consommait des variétés de plantes C3 et C4.

Adaptation C3 à C4

Le processus évolutif qui a transformé les plantes C3 en espèces C4 s'est produit non pas une fois mais au moins 66 fois au cours des 35 derniers millions d'années. Cette étape évolutive a conduit à une performance photosynthétique améliorée et à une efficacité accrue d'utilisation de l'eau et de l'azote.

En conséquence, les plantes C4 ont deux fois plus de capacité photosynthétique que les plantes C3 et peuvent faire face à des températures plus élevées, moins d'eau et l'azote disponible. C'est pour ces raisons que les biochimistes tentent actuellement de trouver des moyens de déplacer les caractères C4 et CAM (efficacité des processus, tolérance aux températures élevées, rendements plus élevés et résistance à la sécheresse et à la salinité) dans les plantes C3 afin de compenser les changements environnementaux auxquels sont confrontés les changements climatiques mondiaux. chauffage.

Au moins certaines modifications C3 sont considérées comme possibles parce que des études comparatives ont montré que ces plantes possèdent déjà certains gènes rudimentaires similaires en fonction à ceux des plantes C4. Alors que les hybrides de C3 et C4 ont été poursuivis plus de cinq décennies, en raison de l'inadéquation des chromosomes et du succès de la stérilité hybride est resté hors de portée.

L'avenir de la photosynthèse

Le potentiel d'amélioration de la sécurité alimentaire et énergétique a entraîné une augmentation marquée de la recherche sur la photosynthèse. La photosynthèse fournit notre alimentation et nos fibres, ainsi que la plupart de nos sources d'énergie. Même la banque d'hydrocarbures qui réside dans la croûte terrestre a été créée à l'origine par la photosynthèse.

Alors que les combustibles fossiles sont épuisés - ou si les humains limitent l'utilisation des combustibles fossiles pour prévenir le réchauffement climatique - le monde devra relever le défi de remplacer cet approvisionnement énergétique par des ressources renouvelables. S'attendre à l'évolution des humainssuivre le rythme du changement climatique au cours des 50 prochaines années n'est pas pratique. Les scientifiques espèrent qu'avec l'utilisation de la génomique améliorée, les plantes seront une autre histoire.

Sources:

• Ehleringer, J.R .; Cerling, T.E. «Photosynthèse C3 et C4» dans «Encyclopedia of Global Environmental Change», Munn, T .; Mooney, H.A .; Canadell, J.G., éditeurs. pp 186-190. John Wiley and Sons. Londres. 2002
• Keerberg, O .; Pärnik, T .; Ivanova, H .; Bassüner, B .; Bauwe, H. "La photosynthèse C2 génère environ 3 fois plus de niveaux de CO2 foliaire chez les espèces intermédiaires C3-C4 Journal of Experimental Botany 65 (13): 3649-3656. 2014Flaveria pubescens"
• Matsuoka, M .; Furbank, R.T .; Fukayama, H .; Miyao, M. "Ingénierie moléculaire de la photosynthèse c4" dans Revue annuelle de la physiologie végétale et de la biologie moléculaire végétale. pp 297-314. 2014.
• Sage, R.F. "Efficacité photosynthétique et concentration en carbone dans les plantes terrestres: les solutions C4 et CAM" dans Journal of Experimental Botany 65 (13), pp. 3323-3325. 2014
• Schoeninger, M.J. "Stable Isotope Analyses and the Evolution of Human Diets" dans Revue annuelle d'anthropologie 43, pp. 413-430. 2014
• Sponheimer, M .; Alemseged, Z .; Cerling, T.E .; Grine, F.E .; Kimbel, W.H .; Leakey, M.G .; Lee-Thorp, J.A .; Manthi, F.K .; Reed, K.E .; Wood, B.A .; et al. "Preuve isotopique des premiers régimes d'hominine" dans Actes de l'Académie nationale des sciences 110 (26), p. 10513-10518. 2013
• Van der Merwe, N. "Isotopes du carbone, photosynthèse et archéologie" dans Scientifique américain 70, pp 596-606. 1982