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Vendredi, Février 3, 2023

Percer le mystère de la respiration des plantes – Des scientifiques découvrent le mécanisme que les plantes utilisent pour contrôler les « bouches »

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Une vue agrandie d'une stomie sur la feuille d'un Tradescantia albiflora albovittata plante, communément appelée plante géante de pouce blanc. XNUMX crédit


Une découverte importante sur les mécanismes par lesquels les plantes ouvrent et ferment leurs stomates pourrait conduire à de nouvelles méthodes de protection des cultures contre les effets du changement climatique, en particulier les niveaux croissants de dioxyde de carbone dans l'atmosphère.

Bien que la respiration soit souvent considérée comme un processus involontaire, il s'agit en fait d'un mécanisme complexe. Les biologistes acquièrent désormais une meilleure compréhension des subtilités de la respiration des plantes, avec des implications importantes pour répondre aux futurs besoins alimentaires du monde.


Une équipe de chercheurs du Université de Californie à San Diego, en collaboration avec des scientifiques estoniens et finlandais et financé par le US National Science Foundation, ont découvert une voie moléculaire jusqu'alors inconnue que les plantes utilisent pour contrôler leur consommation de dioxyde de carbone. Les chercheurs pensent qu'en utilisant ce mécanisme, il pourrait être possible d'améliorer l'efficacité de l'utilisation de l'eau et l'apport de carbone des plantes, ce qui est crucial alors que les niveaux de dioxyde de carbone dans l'atmosphère continuent d'augmenter. À la lumière de cela, l'équipe a déposé un brevet et explore les moyens d'appliquer leurs découvertes au développement d'outils pour les sélectionneurs et les agriculteurs.

La recherche a été récemment publiée dans la revue Les progrès de la science.

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Une vue agrandie de nombreux stomates végétaux sur la feuille d'un Bégonia rex cultorum plante. La largeur de chaque stomie est d'environ 80 microns. XNUMX crédit


Stomates, alors quoi?

Les plantes absorbent du dioxyde de carbone et de l'eau, puis utilisent la lumière pour les transformer en nutriments dont elles ont besoin pour pousser. Ce processus émet également de l'oxygène, que les humains et les autres animaux respirent ensuite. C'est le résumé de base de la photosynthèse. Mais comment ça marche exactement ?

Le processus devient un peu plus clair au niveau microscopique. Sur la face inférieure des feuilles et ailleurs, selon la plante, se trouvent de minuscules ouvertures appelées stomates - des milliers d'entre elles par feuille avec des variations selon les espèces végétales. Comme de petites portes de château, des paires de cellules situées sur les côtés du pore stomatique - appelées cellules de garde - ouvrent leur pore central pour absorber le dioxyde de carbone. Cependant, lorsque les stomates sont ouverts, l'intérieur de la plante est exposé aux éléments et l'eau de la plante est perdue dans l'air ambiant, ce qui peut assécher la plante. Les plantes doivent donc équilibrer l'apport de dioxyde de carbone avec la perte de vapeur d'eau en contrôlant la durée pendant laquelle les stomates restent ouverts.

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Une vidéo très agrandie d'une seule stomie s'ouvrant et se fermant sur une feuille d'une plante Tradescantia spathacea, communément appelée nénuphar. XNUMX crédit

"La réponse aux changements est essentielle pour la croissance des plantes et régule l'efficacité de la plante dans l'utilisation de l'eau, ce qui est important car nous constatons une augmentation de la sécheresse et de la hausse des températures", a déclaré Julian Schroeder, titulaire de la chaire de science végétale du Torrey Mesa Research Institute à l'UC San. Diego, qui a dirigé la nouvelle recherche.


À mesure que le climat change, la concentration de dioxyde de carbone atmosphérique et la température augmentent, affectant l'équilibre entre l'entrée de dioxyde de carbone et la perte de vapeur d'eau à travers les stomates. Si les plantes, en particulier les cultures comme le blé, le riz et le maïs, ne parviennent pas à trouver un nouvel équilibre, elles risquent de se dessécher, les agriculteurs risquent de perdre une production précieuse et davantage de personnes dans le monde risquent de souffrir de la faim. Même avec les progrès de l'agriculture, une étude financée par la NSF et publiée en 2021 a révélé que la productivité agricole mondiale au cours des 60 dernières années est toujours inférieure de 21 % à ce qu'elle aurait pu être sans le changement climatique.

Les scientifiques ont depuis longtemps compris les stomates et l'équilibre entre l'absorption de dioxyde de carbone et la perte d'eau. Ce qu'ils ignoraient jusqu'à présent, c'est comment les plantes détectent le dioxyde de carbone pour signaler aux stomates de s'ouvrir et de se fermer en réponse à l'évolution des niveaux de dioxyde de carbone. Sachant cela, les chercheurs pourront désormais modifier ces signaux - afin que les plantes puissent trouver le bon équilibre entre l'absorption de dioxyde de carbone et la perte d'eau - et permettre aux scientifiques et aux sélectionneurs de plantes de produire des cultures suffisamment robustes pour l'environnement du futur.

Appel aux gardes

Les chercheurs ont identifié une série de protéines qui fonctionnent comme une chaîne de soldats détectant le niveau de dioxyde de carbone et criant « FERMEZ LES PORTES ! pour que les cellules de garde se détendent et ferment les stomates.

"Trouver que le capteur de CO2 dans les plantes est composé de deux protéines était instructif et peut être une raison pour laquelle le mécanisme n'avait pas été identifié jusqu'à présent", a déclaré Schroeder. "Le soutien de la NSF au cours des deux dernières décennies a été essentiel pour localiser cette voie insaisissable."

"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 NSF.

Dans un environnement à faible teneur en dioxyde de carbone où la plante doit garder les stomates ouverts plus longtemps pour obtenir la quantité dont elle a besoin pour la photosynthèse, une protéine connue sous le nom de HT1 active une enzyme qui force les cellules de garde à gonfler, gardant la stomie ouverte.

Lorsque la plante détecte des niveaux accrus de dioxyde de carbone, une deuxième protéine empêche la première de garder les stomates ouverts et les stomates fermés. Si les stomates se ferment avant que la plante ne puisse obtenir suffisamment de ressources pour la photosynthèse, le rendement agricole peut être inférieur ou inexistant.

"Déterminer comment les plantes contrôlent leurs stomates en fonction de l'évolution des niveaux de CO2 crée un autre type d'ouverture - une vers de nouvelles voies de recherche et des possibilités pour relever les défis de société", a déclaré Richard Cyr, directeur du programme NSF qui a étudié la biologie des cellules végétales avant de rejoindre l'agence. .



Référence : "Stomatal CO2/capteur de bicarbonate se compose de deux protéines kinases en interaction, Raf-like HT1 et une activité non kinase nécessitant MPK12/MPK4″ par Yohei Takahashi, Krystal C. Bosmans, Po-Kai Hsu, Karnelia Paul, Christian Seitz, Chung-Yueh Yeh , Yuh-Shuh Wang, Dmitry Yarmolinsky, Maija Sierla, Triin Vahisalu, J. Andrew McCammon, Jaakko Kangasjärvi, Li Zhang, Hannes Kollist, Thien Trac et Julian I. Schroeder, 7 décembre 2022, Les progrès de la science.
DOI : 10.1126/sciadv.abq6161

L'étude a été financée par la National Science Foundation


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