Une équipe internationale incluant des chercheurs de l'Université Cornell, du Boyce Thompson Institute, de l'Université d'Édimbourg et d'autres institutions a découvert comment les plantes anthocères utilisent une protéine modifiée, RbcS-STAR, pour regrouper l'enzyme photosynthétique clé Rubisco dans des compartiments semblables à des pyrénoïdes. Ce mécanisme améliore la capture du carbone et pourrait augmenter les rendements des cultures de jusqu'à 60 pour cent tout en réduisant les besoins en eau et en engrais.
La Rubisco, ou ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase, est l'enzyme la plus importante de la planète pour la photosynthèse, fixant le dioxyde de carbone en sucres qui alimentent la croissance des plantes et forment la base de la chaîne alimentaire. Cependant, elle est lente et sujette à se lier à l'oxygène à la place, surtout dans les climats qui se réchauffent, entraînant un gaspillage d'énergie, des sous-produits toxiques et une croissance limitée. Les anthocères, petites plantes terrestres apparentées aux mousses, surmontent cela en utilisant RbcS-STAR, une version de la petite sous-unité de la Rubisco avec une « queue » ou segment supplémentaire qui agit comme du velcro ou un lien. Cette modification regroupe les enzymes Rubisco dans des compartiments denses similaires aux pyrénoïdes algaux, concentrant le CO2 et minimisant l'interférence de l'oxygène. « La Rubisco est sans doute l'enzyme la plus importante de la planète car elle est le point d'entrée pour presque tout le carbone dans la nourriture que nous mangeons », a déclaré Fay-Wei Li, professeur adjoint au Boyce Thompson Institute et à l'Université Cornell, co-responsable de l'étude. « Mais elle est lente et facilement distraite par l'oxygène, ce qui gaspille de l'énergie et limite l'efficacité de la croissance des plantes. » Contrairement aux algues, qui utilisent des protéines séparées pour le regroupement, les anthocères modifient la Rubisco elle-même. « Nous pensions que les anthocères utiliseraient quelque chose de similaire à ce que font les algues – une protéine séparée qui rassemble la Rubisco », a déclaré Tanner Robison, étudiant de troisième cycle et co-premier auteur. « Au lieu de cela, nous avons découvert qu'ils ont modifié la Rubisco elle-même pour faire le travail. » L'équipe a démontré la modularité de RbcS-STAR en l'introduisant dans une espèce d'anthocère dépourvue de pyrénoïdes naturels et dans Arabidopsis, une plante à fleurs modèle. Dans les deux cas, des structures semblables à des pyrénoïdes se sont formées – même lorsque seule la queue STAR était attachée à la Rubisco native. « Nous avons même essayé d'attacher seulement la queue STAR à la Rubisco native d'Arabidopsis, et cela a déclenché le même effet de regroupement », a déclaré Alistair McCormick, professeur à l'Université d'Édimbourg et co-responsable. « Cela nous dit que STAR est vraiment la force motrice. C'est un outil modulaire qui peut fonctionner dans différents systèmes végétaux. » « Cela empêche la rubisco de toucher l'oxygène, car elle la met dans une maison et pompe ensuite beaucoup de CO2 dans la maison », a expliqué Laura Gunn, biologiste des plantes synthétiques à Cornell et co-auteur. Les chercheurs estiment que cela pourrait augmenter la croissance et les rendements des cultures de jusqu'à 60 pour cent, permettant aux plantes de fermer leurs stomates plus souvent pour conserver l'eau. Cela pourrait également réduire la dépendance aux engrais synthétiques gourmands en énergie. Des défis subsistent, y compris l'ingénierie d'une livraison efficace de CO2 vers les agrégats. « Nous avons construit une maison Rubisco, mais ce ne sera pas une maison efficace à moins que nous ne mettions à jour le HVAC », a noté Gunn. Robert Wilson, biochimiste au MIT, a salué les résultats : « C'est très impressionnant... c'est un mécanisme complètement nouveau et novateur par lequel un aspect important de la biochimie de la rubisco se produit. » L'étude, publiée dans Science en 2026, offre une voie pour améliorer la photosynthèse dans des cultures comme le blé et le riz pour une agriculture durable face à la demande alimentaire mondiale croissante.