Des biologistes du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l’Énergie (DOE) ont révélé une nouvelle façon d’augmenter la teneur en huile des feuilles et des graines des plantes. Comme décrit dans le journal Nouveau phytologue, les scientifiques ont réussi à identifier et à modifier les composants clés d’une protéine qui protège les gouttelettes d’huile nouvellement synthétisées. Les modifications génétiques protègent essentiellement la protéine de protection de l’huile, permettant ainsi à davantage d’huile de s’accumuler.
“La mise en œuvre de cette stratégie dans le domaine de la bioénergie ou des cultures oléagineuses pourrait aider à répondre à la demande croissante de carburant biodiesel et/ou d’huiles végétales nutritionnellement importantes”, a déclaré John Shanklin, biochimiste au Brookhaven Lab, président du département de biologie du laboratoire et responsable de la recherche.
L’équipe de Shanklin travaille depuis des années pour augmenter l’accumulation d’huile végétale, en particulier dans les parties de la plante comme les feuilles qui ne produisent généralement pas beaucoup d’huile. Ces tissus végétatifs constituent généralement la majorité de la biomasse végétale. Augmenter leur capacité à accumuler du pétrole augmenterait considérablement le contenu énergétique de la biomasse. Et comme les huiles végétales sont des matières premières essentielles à la production de biodiesel, cette stratégie pourrait transformer les cultures en usines respectueuses de l’environnement pour produire des carburants durables.
Pousser, tirer, protéger
Une grande partie de l’équipe de Brookhaven s’est concentrée sur la mise en œuvre de stratégies génétiques qui amènent biochimiquement les cellules végétales à produire plus d’huile et à stocker l’huile nouvellement synthétisée dans des gouttelettes lipidiques – plutôt que de la transporter dans la formation de nouvelles parties de plantes.
“Une fois que le pétrole est produit, il peut être décomposé, et le degré d’accumulation est l’équilibre entre la synthèse et la dégradation”, a expliqué Shanklin.
C’est pourquoi les scientifiques ont également choisi une troisième approche : ils augmentent la production de protéines qui protègent les gouttelettes lipidiques de la dégradation.
L’oléosine est l’une de ces protéines protectrices produites naturellement par les plantes. L’oléosine s’incruste dans la membrane des gouttelettes d’huile et bloque l’accès aux enzymes appelées lipases qui déclenchent la dégradation de l’huile.
“Nous et d’autres augmentons généralement les niveaux de cette petite protéine pour protéger les gouttelettes lipidiques”, a déclaré Shanklin.
Cependant, l’oléosine elle-même peut être décomposée, ce qui limite son efficacité. Ainsi, dans ce nouveau travail, Shanklin et son équipe ont cherché un moyen de protéger le pétrole.
“Il s’agissait d’une énigme complexe que l’auteur principal, Sanket Anokar, a travaillé de manière créative pour résoudre”, a déclaré Shanklin. Anokar est chercheur scientifique au Brookhaven Lab dans le cadre du programme Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI), un centre de recherche en bioénergie financé par le DOE et dirigé par l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign.
Supprimer les signaux de dégradation
“Nous avons conclu que si nous pouvions identifier et éliminer les parties de l’oléosine reconnues par les enzymes de dégradation – les signaux de dégradation – nous pourrions capturer l’oléosine et améliorer l’accumulation de pétrole”, a déclaré Anokar.
En utilisant les preuves d’autres groupes qui avaient adopté une approche différente de ce problème, les scientifiques ont développé des variantes de la protéine oléosine et testé leurs effets sur les feuilles de tabac. L’équipe a d’abord conçu les variantes pour modifier tous les acides aminés soupçonnés d’être impliqués dans la dégradation de l’oléosine. Ensuite, ils ont inversé les mutations une par une, à la recherche des changements les plus importants dans l’accumulation de pétrole. En fin de compte, ils ont pu identifier certaines mutations clés qui rendaient l’oléosine significativement plus résistante à la dégradation.
“Ces changements ont provoqué une accumulation des différentes formes d’oléosine à des concentrations plus élevées, ce qui a permis de protéger le pétrole plus efficacement, de sorte que les concentrations de pétrole ont également augmenté”, a déclaré Shanklin.
Les plantes présentant le mélange de modifications génétiques le plus réussi ont accumulé 54 % d’huile en plus dans leurs feuilles et 13 % de plus dans leurs graines par rapport aux plantes non modifiées.
Surprise aléatoire
Une découverte surprenante a été que les modifications visant à protéger les gouttelettes d’huile n’ont eu aucun effet négatif sur la croissance des plantes ou la germination des graines. Cela était surprenant, car les graines des plantes doivent décomposer l’huile stockée pour favoriser la germination et les premiers stades de croissance des semis, c’est-à-dire jusqu’à ce que la plante s’établisse et ait produit suffisamment de feuilles pour que la photosynthèse puisse commencer et stimuler sa croissance.
“Au départ, nous craignions qu’empêcher la dégradation de l’huile pendant le développement des graines n’entrave ce processus d’établissement”, a déclaré Shanklin. « Mais nous avons constaté que les variantes d’oléosine n’affectent pas l’établissement. Cela nous montre que la plante utilise un mécanisme différent pour décomposer l’huile au début de sa croissance afin que les plants puissent accéder à leur énergie stockée.
“Nous ne savons pas encore ce qu’est ce processus, mais il nous permet d’utiliser des variantes d’oléosine pour augmenter l’accumulation d’huile dans les tissus végétatifs et les graines sans affecter la croissance des plantules”, a déclaré Shanklin.
Cette recherche a été soutenue par le Bureau des sciences du DOE via le CABBI. Il a été lancé avec le soutien du programme ROGUE (Renewable Oil Generated with Ultra-productive Energycane), également dirigé par l’Université de l’Illinois. En plus des études biochimiques et génétiques sur les plantes, l’équipe a utilisé la microscopie confocale au Centre des nanomatériaux fonctionnels (CFN) du Brookhaven Lab, un établissement utilisateur du DOE Office of Science.