Des chercheurs identifient un capteur de dioxyde de carbone insaisissable dans les plantes qui contrôle la perte d’eau

Il y a plus de 50 ans, des chercheurs ont découvert que les plantes peuvent capter le dioxyde de carbone (CO2) concentrations. Comme CO2 les niveaux changent, les pores « respirants » des feuilles appelés stomates s’ouvrent et se ferment, contrôlant ainsi l’évaporation de l’eau, la photosynthèse et la croissance des plantes. Les plantes perdent plus de 90% de leur eau par évaporation à travers les stomates. La régulation des ouvertures des pores stomatiques par le CO2 est crucial pour déterminer la quantité d’eau que les plantes perdent, et est essentiel en raison des effets accrus du dioxyde de carbone sur le climat et les ressources en eau dans un monde qui se réchauffe.

Mais identifier le capteur de dioxyde de carbone et expliquer son fonctionnement dans les usines est resté un casse-tête de longue date.

En utilisant une combinaison d’outils et d’approches de recherche, des scientifiques de l’Université de Californie à San Diego ont récemment réalisé une percée dans l’identification du CO tant recherché2 capteur dans Arabidopsis plantes et démêlé ses parties fonctionnelles. Yohei Takahashi, scientifique du projet de l’UC San Diego, professeur émérite de l’École des sciences biologiques Julian Schroeder et leurs collègues ont identifié le CO2 mécanisme du capteur et détaillé ses propriétés génétiques, biochimiques, physiologiques et structurelles prévues. Leurs résultats sont publiés le 7 décembre dans Les avancées scientifiques.

Étant donné que les pores stomatiques contrôlent la perte d’eau des plantes, le capteur est vital pour la gestion de l’eau et a des implications pour la sécheresse induite par le climat, les incendies de forêt et la gestion des cultures agricoles.

« Pour chaque molécule de dioxyde de carbone absorbée, une plante typique perd environ 200 à 500 molécules d’eau par évaporation à travers les pores stomatiques », a déclaré Schroeder, président de Novartis et membre du corps professoral du département de biologie cellulaire et développementale. « Le capteur est extrêmement pertinent car il reconnaît quand le CO2 les concentrations augmentent et déterminent la quantité d’eau qu’une plante perd à mesure que le dioxyde de carbone est absorbé. »

Une surprise critique de la nouvelle recherche a été la composition du capteur. Plutôt que de le retracer à une seule source ou protéine, les chercheurs ont découvert que le capteur fonctionne grâce à deux protéines végétales travaillant ensemble. Celles-ci ont été identifiées comme 1) une protéine kinase à « haute température des feuilles1 » connue sous le nom de HT1 et 2) des membres spécifiques d’une famille de protéines kinases activées par un mitogène, ou une enzyme kinase « MAP », connue sous le nom de MPK4 et MPK12.

« Nos découvertes révèlent que les plantes perçoivent les changements de CO2 concentration par l’interaction réversible de deux protéines pour réguler les mouvements stomatiques », a déclaré Takahashi, qui est maintenant basé à l’Institut des biomolécules transformatrices, au Japon. « Cela pourrait nous fournir une nouvelle ingénierie végétale et une cible chimique vers une utilisation efficace de l’eau des plantes et CO2 l’absorption de l’atmosphère. »

Les découvertes de l’équipe, qui ont été déposées dans un brevet de l’UC San Diego, pourraient conduire à des innovations dans l’utilisation efficace de l’eau par les plantes sous forme de CO2 les niveaux montent.

« Cette découverte est pertinente pour les cultures mais aussi pour les arbres et leurs racines profondes qui peuvent assécher les sols s’il n’y a pas de pluie pendant de longues périodes, ce qui peut entraîner des incendies de forêt », a déclaré Schroeder. « Si nous pouvons utiliser ces nouvelles informations pour aider les arbres à mieux réagir aux augmentations de CO2 dans l’atmosphère, il est possible qu’ils assèchent plus lentement le sol. De même, l’efficacité de l’utilisation de l’eau des cultures pourrait être améliorée – plus de récolte par goutte. »

Pour approfondir leur découverte de capteurs, les chercheurs ont collaboré avec l’étudiant diplômé Christian Seitz et le professeur Andrew McCammon du Département de chimie et de biochimie. À l’aide de techniques de pointe, Seitz et McCammon ont créé un modèle détaillé de la structure complexe du capteur. Le modèle impliquait des zones où des mutations génétiques sont connues pour restreindre la capacité des plantes à réguler la transpiration en réponse au dioxyde de carbone. La nouvelle imagerie a montré que les mutants se regroupent dans une zone où les deux protéines du capteur, HT1 et MPK, se rejoignent.

« Ce travail est un merveilleux exemple de recherche motivée par la curiosité qui rassemble plusieurs disciplines – de la génétique à la modélisation en passant par la biologie des systèmes – et aboutit à de nouvelles connaissances capables d’aider la société, dans ce cas en faisant des cultures plus robustes », a déclaré Matthew Buechner, directeur de programme à la Direction des sciences biologiques de la National Science Foundation des États-Unis, qui a soutenu la recherche.

Liste complète des auteurs de l’article : Yohei Takahashi, Krystal Bosmans, Po-Kai Hsu, Karnelia Paul, Christian Seitz, Chung-Yueh Yeh, Yuh-Shuh Wang, Dmitry Yarmolinsky, Maija Sierla, Triin Vahisalu, J. Andrew McCammon, Jaakko Kangasjarvi, Li Zhang, Hannes Kollist, Thien Trac et Julian I. Schroeder.

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