Tout comme une lumière intense peut endommager la vue humaine, une exposition excessive à la lumière peut endommager des composants essentiels de la photosynthèse. Une étude récente vise à mieux comprendre comment les plantes protègent leur fonction photosynthétique de l’excès de lumière.
La photosynthèse est un processus vital qui permet aux plantes de convertir l'énergie lumineuse en énergie chimique. Elle se compose de deux étapes : les réactions dépendantes de la lumière et le cycle de Calvin. Dans les réactions dépendantes de la lumière, l'énergie lumineuse est captée par la chlorophylle et transférée aux complexes protéiques photosystème II et photosystème I, qui déclenchent le transport d'électrons pour produire de l'ATP et du NADPH. Ces produits sont ensuite utilisés dans le cycle de Calvin pour convertir le dioxyde de carbone en sucre.
L'excès de lumière entraîne une absorption d'énergie trop importante, ce qui conduit à la formation d'espèces réactives de l'oxygène qui peuvent endommager la machinerie photosynthétique, en particulier le photosystème II. Cette altération de la photosynthèse induite par la lumière est connue sous le nom de photoinhibition.
Les mécanismes que les plantes utilisent pour se protéger des effets nocifs de la lumière excessive sont appelés photoprotecteur dissipation dépendanteLes mécanismes de photoprotection comprennent, entre autres, la dissipation de l’excès d’énergie sous forme de chaleur, empêchant la formation d’espèces réactives de l’oxygène nocives, et le transfert d’énergie aux molécules de chlorophylle dans d’autres complexes photosystémiques pour équilibrer la distribution d’énergie et minimiser le stress.
L'énergie lumineuse absorbée par la chlorophylle peut avoir l'un des trois destins:il peut être utilisé pour stimuler la photosynthèse, être dissipé sous forme de chaleur ou être réémis sous forme de fluorescence. Ces trois processus se produisent en compétition. La fluorescence est relativement facile à mesurer, c'est pourquoi les chercheurs l'utilisent pour quantifier la photoinhibition. En général, dans des conditions de forte luminosité, la dissipation d'énergie dépendante de la photoprotection et de la photoinhibition augmente, diminuant ainsi la photosynthèse et la fluorescence.
Malgré des progrès considérables dans notre compréhension de la photoinhibition, les mécanismes exacts par lesquels le stress lumineux inflige des dommages à la machinerie photosynthétique font encore l’objet de débats.
Tim Nies, doctorant à l'Université Heinrich Heine de Düsseldorf, et ses collègues ont récemment publié une étude détaillant leurs quantification et explication des mécanismes à l'origine de la photoinhibitionIls ont développé un modèle mathématique de la photosynthèse, puis utilisé des données expérimentales pour améliorer leur modèle et identifier les mécanismes clés impliqués dans l'extinction non photochimique.
« Notre modèle fournit une description dynamique de la chaîne de transport d’électrons photosynthétiques, de l’extinction non photochimique et de la photoinhibition, ce qui nous permet de simuler les changements à court et à long terme de la fluorescence émise par les tissus photosynthétiques. Avec ce modèle, nous avons établi un cadre qui peut être utilisé pour étudier le lien entre les mécanismes de photoprotection et les dommages infligés par une forte luminosité, qui est loin d’être entièrement compris », explique Nies.
Les auteurs ont recueilli des données expérimentales sur les photodommages et la fluorescence qui ont ensuite été utilisées pour affiner leur modèle. Ils ont utilisé quatre traitements censés produire différents niveaux de photoprotection et de photoinhibition : type sauvage Arabidopsis Thaliana et npq1 les plantes mutantes ont été traitées soit avec de la lincomycine, soit avec de l'eau comme témoin. npq1 les plantes mutantes manquent d'une enzyme cruciale impliquée dans la photoprotection, tandis que la lincomycine inhibe la synthèse des protéines dans les chloroplastes, empêchant la réparation de la machinerie photosynthétique en raison des dommages causés par la lumière.
Lorsqu'il est exposé à un excès de lumière, npq1 les plantes traitées à la lincomycine étaient les plus sensibles au stress lumineux, suivies des plantes de type sauvage traitées à la lincomycine, npq1 plantes traitées avec de l'eau, puis plantes sauvages traitées avec de l'eau. Cette gamme de réponses a fourni aux auteurs un riche ensemble de données pour affiner leur modèle.
Les auteurs ont commencé leur analyse informatique avec des hypothèses simples pour leur modèle et ont progressivement ajouté de la complexité en se basant sur des recherches antérieures jusqu'à ce qu'il corresponde précisément aux données expérimentales. Cela leur a permis d'identifier deux mécanismes clés de la façon dont les photodommages affectent la fluorescence.
Les plantes peuvent se protéger de l’excès de lumière en dissipant l’excès d’énergie sous forme de chaleur. Les auteurs ont d’abord simulé les capacités de dissipation de chaleur des complexes sains du photosystème II et de ceux dont les complexes sont endommagés par la lumière comme étant les mêmes. Des recherches antérieures suggèrent que les complexes sains et endommagés du photosystème II peuvent différer dans leur efficacité à dissiper la chaleur dans des conditions de forte luminosité. En incluant ce facteur dans leur modèle, les chercheurs ont pu simuler plus précisément les variations observées dans les traitements expérimentaux.
Les molécules de chlorophylle peuvent transférer de l'énergie aux molécules voisines dans d'autres complexes photosystémiques pour la collecte d'énergie lumineuse et la photoprotection. Cependant, les chercheurs ne sont pas d'accord sur la possibilité de transférer de l'énergie des complexes photosystémiques II sains vers des complexes photosystémiques II endommagés. Les auteurs ont effectué des simulations qui ont permis ou restreint le transfert d'énergie entre les complexes photosystémiques II sains et ceux endommagés. Ils ont découvert que le fait de permettre le transfert d'énergie vers des complexes endommagés améliorait la capacité du modèle à reproduire les différences entre le type sauvage et le type endommagé. npq1 mutant. Ces résultats suggèrent qu'un transfert d'énergie du photosystème II sain vers le photosystème II endommagé pourrait se produire.
Nies conclut : « En continuant à ajouter de la complexité à notre modèle, nous avons pu identifier des composants essentiels au modèle. Ce travail permet de clarifier les processus qui contribuent aux changements dynamiques de la photosynthèse sous un stress lumineux élevé et d’attirer une attention particulière sur la nécessité de les inclure dans les modèles mathématiques de la photosynthèse. »
LIRE L'ARTICLE:
Tim Nies, Shizue Matsubara, Oliver Ebenhöh, Un modèle mathématique de photoinhibition : exploration de l'impact des processus d'extinction, in silico Plants, Volume 6, Numéro 1, 2024, diae001, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diae001
Le code de cette recherche est disponible en accès libre sur GitHub à l'adresse https://gitlab.com/qtb-hhu/models/2023-photoinhibition.
