Certains arbres tropicaux ont développé une stratégie étonnante pour économiser l’eau : ils absorbent le dioxyde de carbone pendant la nuit, ce qui leur permet de garder leurs pores fermés durant la journée. Des chercheurs de l’Université de Vienne viennent de décrypter comment cette forme spéciale de photosynthèse, appelée CAM, a évolué de manière multiple au sein d’un même genre d’arbres, grâce à des millions d’années de remaniement génétique. Ces travaux, publiés dans Nature Communications, pourraient inspirer le développement de cultures résistantes à la sécheresse.
Une énigme photosynthétique vieille de 200 ans
Vers 1800, le naturaliste Alexander von Humboldt a fait une observation intrigante en étudiant un arbre tropical. Lorsqu’il a placé une de ses feuilles dans l’eau, il n’a pas observé les bulles d’oxygène habituellement produites en plein soleil. L’explication réside dans un fonctionnement inhabituel : au lieu d’absorber le CO2 pendant la journée, la plante garde ses stomates fermés lorsque le soleil brille, limitant ainsi la perte d’eau par évaporation. Elle absorbe le dioxyde de carbone la nuit, le fixe chimiquement et le stocke sous forme d’acide malique. Cette stratégie porte le nom de photosynthèse CAM (Crassulacean Acid Metabolism). Si les scientifiques connaissent depuis longtemps le fonctionnement du CAM, la façon dont il a évolué au sein du genre Clusia, et pourquoi différentes espèces l’utilisent de manières variées, demeurait jusqu’ici un mystère. Le genre Clusia présente un intérêt particulier car il abrite les seuls arbres connus utilisant le CAM et affiche un éventail exceptionnellement large de stratégies photosynthétiques, de la photosynthèse C3 conventionnelle à un CAM très prononcé.
Une duplication génomique ancienne qui a redessiné la photosynthèse
Pour comprendre cette évolution, l’équipe dirigée par Wolfram Weckwerth a comparé les génomes de trois espèces de Clusia présentant différents phénotypes CAM : Clusia rosea, Clusia minor et Clusia major. Les chercheurs ont combiné des données moléculaires avec des mesures du fonctionnement des plantes dans des conditions environnementales réalistes en serre. L’analyse génomique a révélé que les trois espèces sont d’anciens polyploïdes : à un moment de leur histoire évolutive, leurs génomes ont été multipliés, puis réorganisés sur de longues périodes. « Au cours du processus, des copies de gènes sont perdues, désactivées ou acquièrent de nouvelles fonctions », explique Hannes Kramml, premier auteur de l’étude. Son collègue Johannes Herpell précise que « les gènes cruciaux pour le stockage nocturne du CO2 dans le métabolisme CAM sont particulièrement affectés ». Plutôt que de simplement porter des copies supplémentaires des mêmes gènes, les plantes ont progressivement transformé ces génomes dupliqués en quelque chose de différent. Comme le résume Wolfram Weckwerth : « Les génomes ne se sont pas simplement multipliés ; sur des millions d’années, ils ont été réorganisés, réduits et fonctionnellement recâblés. Cette énorme plasticité explique la diversité physiologique du CAM dans le genre Clusia ».
Trois arbres, trois stratégies distinctes face à la sécheresse
Les chercheurs ont ensuite examiné comment ces différences génétiques affectaient les plantes elles-mêmes, en surveillant les arbres tout au long de la journée dans des conditions de serre quasi naturelles, avec des apports en eau variables. L’équipe a combiné des mesures physiologiques avec des analyses de l’activité génétique, des protéines et des produits métaboliques. Les trois espèces ont révélé des approches remarquablement différentes. Clusia rosea utilise un CAM fort et stocke des quantités substantielles de dioxyde de carbone sous forme d’acide malique durant la nuit. Clusia minor active principalement le CAM lorsqu’elle subit des conditions stressantes. Quant à Clusia major, elle emploie une stratégie hybride combinant photosynthèse C3 et CAM. Ces différences physiologiques étaient également visibles dans les modèles d’activité génétique et de métabolisme, permettant aux chercheurs de relier le comportement des plantes aux changements génomiques identifiés. Les résultats suggèrent que le CAM au sein du genre Clusia n’a pas été produit par un seul événement évolutif, mais par des cycles répétés de réorganisation génomique ayant généré différentes versions de cette stratégie d’économie d’eau.
Des pistes pour des cultures plus résistantes à la sécheresse
Ces découvertes pourraient avoir des implications au-delà des arbres tropicaux. Les plantes CAM nécessitent substantiellement moins d’eau que celles qui dépendent entièrement de formes plus conventionnelles de photosynthèse, ce qui en fait des modèles potentiellement utiles pour développer des cultures résilientes face au climat. Les nouvelles informations génomiques disponibles pourraient aider les chercheurs à identifier les processus métaboliques impliqués dans la fixation efficace du CO2 et une utilisation optimale de l’eau. À plus long terme, ces connaissances pourraient contribuer à développer des cultures mieux adaptées aux conditions environnementales arides. Cette recherche illustre comment la compréhension des mécanismes évolutifs naturels peut inspirer des solutions concrètes face aux défis agricoles liés au changement climatique.
Cette étude révèle comment la nature a bricolé durant des millions d’années pour créer plusieurs solutions au même problème : survivre à la sécheresse. Les trois stratégies CAM identifiées chez les arbres Clusia montrent que l’évolution peut emprunter des chemins multiples, façonnés par d’anciennes duplications génomiques suivies de remaniements complexes. Au-delà de l’intérêt scientifique fondamental, ces travaux ouvrent des perspectives concrètes pour l’agriculture du futur. En décryptant les mécanismes génétiques permettant à ces arbres tropicaux d’économiser l’eau, les chercheurs nous offrent des pistes prometteuses pour développer des cultures capables de prospérer malgré la sécheresse croissante.
Source : ScienceDaily
