La photosynthèse est essentielle à la quasi-totalité de la vie sur Terre, mais son principal moteur moléculaire est loin d'être parfait. L'enzyme RubiscoLa Rubisco, enzyme responsable de la fixation du dioxyde de carbone (CO₂) atmosphérique, est réputée pour sa lenteur et commet souvent une erreur coûteuse : au lieu de capter le CO₂, elle réagit avec l’oxygène (O₂). Ce problème réduit l’efficacité photosynthétique et limite la productivité des plantes. Au cours de l’évolution, divers organismes ont développé des solutions pour surmonter cette limitation en concentrant le CO₂ à proximité de la Rubisco. Parmi ces solutions, on peut citer : pyrénoïdes, des structures microscopiques surtout connues chez les algues. Mais il existe une exception surprenante parmi les plantes terrestres : cornées.
Dans une nouvelle étude, Robison et ses collègues montrent pourquoi ces petites bryophytes méritent une attention particulière.Les anthocérotes sont les seules plantes terrestres connues à posséder des pyrénoïdes, des compartiments riches en Rubisco capables d'accroître la disponibilité du CO₂ pour la photosynthèse. Plus qu'une simple curiosité évolutive, ces structures pourraient fournir des pistes précieuses pour améliorer l'efficacité photosynthétique des plantes cultivées.
Bien que les pyrénoïdes aient été largement étudiés chez les algues, ceux présents chez les anthocérotes sont apparus indépendamment. Cela signifie que ces organismes ont atteint une solution fonctionnelle similaire par une voie évolutive différente. Pour les auteurs, cette convergence fait des anthocérotes un système particulièrement intéressant pour comprendre comment les mécanismes de concentration du carbone peuvent évoluer dans les environnements terrestres, où la disponibilité en eau et la diffusion du CO₂ posent des défis différents de ceux rencontrés en milieu aquatique.
Cette étude synthétise plus d'un siècle de recherche et révèle que les pyrénoïdes des anthocérotes sont bien plus diversifiés qu'on ne le pensait. Différentes lignées présentent des architectures distinctes, allant de structures compactes et bien définies à des formes plus irrégulières traversées par thylakoïde Membranes. Cette diversité suggère qu'il n'existe pas de méthode unique pour construire un système efficace de concentration du carbone.
L'un des aspects les plus intrigants concerne la manière dont ces structures sont assemblées. Chez les algues telles que ChlamydomonasLa formation des pyrénoïdes dépend de protéines spécialisées qui favorisent l'agrégation de la Rubisco. Chez la cératophylle Anthocéros agrestisLa condensation semble être induite par une version inhabituelle de la petite sous-unité de la Rubisco elle-même. La protéine qui stimule la condensation possède une extension terminale capable de favoriser l'auto-association, permettant ainsi à la Rubisco de s'organiser en une matrice condensée sans dépendre du même ensemble de protéines que celui présent chez les algues.
Un autre point intéressant est que les pyrénoïdes des anthocérotes semblent relativement stables. Alors que certaines algues réorganisent rapidement ces structures en réponse aux conditions environnementales, les pyrénoïdes des Anthocéros agrestis présentent un comportement plus constitutif, restant présents même sous différentes concentrations de CO₂.
D'un point de vue évolutif, cette étude conforte l'idée que la recherche d'une plus grande efficacité photosynthétique peut aboutir à des solutions similaires chez des lignées très éloignées phylogénétiquement. L'existence d'un mécanisme de concentration du carbone chez un groupe aussi ancien de plantes terrestres suggère que plusieurs voies évolutives peuvent mener à un même objectif : accroître la disponibilité du CO₂ pour la Rubisco, favorisant ainsi des taux de photosynthèse plus élevés et une croissance végétale accrue.
Mais l'implication la plus intéressante se situe peut-être en dehors du champ de la biologie évolutive. Selon les auteurs, les pyrénoïdes des anthocérotes pourraient inspirer de futures stratégies d'ingénierie photosynthétique. Plutôt que de tenter de transférer intégralement les systèmes algaux dans les plantes cultivées, une approche plus réaliste consisterait à combiner des composants déjà présents chez les anthocérotes avec les mécanismes algaux de transport et de concentration du carbone. Cette stratégie modulaire pourrait constituer une voie plus accessible pour améliorer l'efficacité d'utilisation du carbone chez les plantes cultivées.
En établissant des liens entre évolution, physiologie et biotechnologie, cette étude démontre que les pyrénoïdes des anthocérotes sont bien plus que de petites sphères vertes à l'intérieur des chloroplastes. Ils représentent une solution évolutive sophistiquée aux défis de la photosynthèse et, potentiellement, une source d'inspiration pour le développement des plantes cultivées de demain.
LIRE L'ARTICLE:
Robison TA, Villarreal A JC, Li FW, Gunn LH. 2026. Pyrénoïdes de la cératophylle : une exception terrestre riche d'enseignements en matière d'ingénierie. Physiologie végétale. https://doi.org/10.1093/plphys/kiag247
Traduction portugaise par Pablo O. Santos.
Photo de couverture: Anthocéros agrestis de Михаил Языков (iNaturalist, CC BY 4.0).
