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Comment les plantes photosynthétisent-elles ?

L’ azote est un élément essentiel non seulement pour les plantes mais aussi pour les animaux. On estime qu’en 2015, l’agriculture consommera plus de 190 millions de tonnes d’engrais azotés. Ils sont coûteux, leur production et leur utilisation sont associées à l’émission de quantités importantes de gaz à effet de serre. De nombreux effets environnementaux négatifs, tels que l’érosion du sol ou la contamination de l’eau, sont observés. Les engrais doivent être utilisés malgré le fait que nous avons une source abondante, libre et « écologique » d’azote, qui est l’atmosphère. Les scientifiques américains et britanniques devront relever un défi ambitieux pour mettre au point un moyen pour les plantes d’utiliser l’azote atmosphérique, ce qui signifierait effectivement seulement assez que les engrais azotés n’auraient pas besoin d’être produits et utilisés. National Foundation for Science (NSF, USA) et Council of Biological and Biotechnology Research (BBSRC, Wlk. Royaume-Uni) la somme de 12 millions de dollars permettra de financer la recherche de quatre bandes.

Faites-nous connaissance brièvement avec ces quatre projets :

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1. Nitroplaste — organelles cellulaires synthétiques (somme de 1,89 million de dollars) Carnegie Institution de Washington, Penn State University, Massachusetts Institute of Technology, Université de Glasgow, Imperial College Londres

L’ objectif du projet est de concevoir une unité cellulaire synthétique capable de lier l’azote atmosphérique. Les cyanobactéries ont des mécanismes cellulaires par lesquels ces micro-organismes sont capables de lier l’azote à l’aide de l’énergie solaire. Les scientifiques prévoient de copier ce processus dans les cellules de bactéries non fixatrices d’azote. Cela impliquera la nécessité d’identifier l’ensemble du groupe de gènes responsables de ce phénomène chez les cyanobactéries. La réorganisation de certains mécanismes du métabolisme de l’hôte sera également nécessaire.

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2.Nitrogénase tolérante à l’oxygène (1,87 million de dollars) État du Michigan Université, Imperial College de Londres

La réaction de liaison atmosphérique à l’azote est catalysée par l’enzyme nitrogénase. Cette enzyme est bloquée par l’oxygène, qui se produit abondamment dans les cellules végétales (c’est aussi la principale raison pour laquelle les plantes ne lient pas l’azote atmosphérique). Certains organismes ont des mécanismes éduqués qui protègent la nitrogénase. Dans la nature, il existe une forme de cette enzyme qui « tolère » la présence d’oxygène. Cette enzyme a été décrite par des chercheurs allemands en 1990. On le trouve dans une bactérie qui habite des environnements hautement toxiques. Comme c’est le cas dans ces types de découvertes exceptionnelles, la bactérie précieuse n’a pas pu être retrouvée depuis.

L’ objectif principal du projet est d’être presque un travail de détective. Les scientifiques se rendront dans les zones les plus inaccessibles du monde à la recherche des « bactéries manquantes ». En cas de succès, les chercheurs analyseront scrupuleusement le génome et le métabolisme micro-organisme. Ils essaieront ensuite de transférer la nitrogénase tolérante à l’oxygène vers les cellules végétales.

3. Plante de symbiose artificielle — bactérie (5,09 millions de dollars) Université d’État du Montana, Université du Wisconsin Madison, Massachusetts Institute of Technology, Fondation Samuel Roberts Nobel, Centre John Innes

Au cours de l’évolution, certaines plantes ont développé un mécanisme de coopération (symbiose) avec les bactéries du sol, qui, dans des excroissances spéciales sur les racines, lient et convertissent l’azote atmosphérique en composés utilisés par l’hôte. Les scientifiques essaieront de copier ce mécanisme dans des plantes économiquement importantes (p. ex., les céréales). Pour ce faire, ils tenteront de modifier les mécanismes d’interaction entre les bactéries et les espèces de graminées (un proche parent des céréales). Ils espèrent former une symbiose artificielle.

4. Développement d’un modèle pour le mécanisme de fixation de l’azote dans les cellules aérobies photosynthèse (3,87 millions de dollars) Université de Washington, Université d’État de Penn

Les cyanobactéries procèdent à la photosynthèse et lient l’azote atmosphérique. Ils gèrent cela en séparant ces deux processus (dans l’espace ou dans le temps). Une souche a été caractérisée (Cyanothece 51142) qui peut effectivement « concilier » ces deux processus les uns avec les autres de manière à ne pas nuire à l’autre.

L’ objectif principal de la recherche est de concevoir le mécanisme de liaison de l’azote atmosphérique dans les cellules végétales. Le modèle pour les scientifiques est la souche Cyanothece 51142 susmentionnée de cyanobactéries. Les chercheurs caractériseront d’abord avec précision les gènes responsables de la fixation de l’azote, puis les transféreront à une autre cyanobactérie qui n’avait pas cette compétence. La prochaine étape consistera à placer la même construction dans les chloroplastes de cellules végétales.

Chacun des projets est très ambitieux. Si même l’un d’eux réussira, il a de bonnes chances de révolutionner l’agriculture. Sur les progrès des scientifiques, je vais essayer de vous informer régulièrement.

Recherche en collaboration : Nitroplast : Organelle synthétique fixant l’azote à lumière, Nitrogénase tolérante à l’oxygène, Ingénierie Symbiose synthétique entre les plantes et les bactéries pour livrer de l’azote aux cultures, Conception de la capacité de fixation de l’azote dans les cellules photosynthétiques oxygènes.

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