Chemin du carbone et photosynthèse

Le chemin du carbone dans la photosynthèse

Depuis des milliards d’années, le carbone du CO2 s’intègre dans la matière organique constitutive du vivant par le processus de photosynthèse. Cette dernière réunit un ensemble de réactions biophysiques et biochimiques. Ils permettent alors aux plantes, aux algues et aux bactéries photosynthétiques de synthétiser des molécules organiques en utilisant l’énergie électromagnétique de la lumière du soleil, du carbone du CO2 de l’air, l’eau et les minéraux du sol. La photosynthèse est à l’origine de la plus grande partie des molécules de la chaîne alimentaire et de la majorité de la biomasse organique de la planète. Elle se réalise dans les chloroplastes qui renferment la machinerie photosynthétique. La photosynthèse est la porte d’entrée du chemin du carbone dans les sols.

Cet article vous explique ce qu’est la photosynthèse, les différences entre les plantes C3  (blé, orge…) et C4 (maïs) et l’importance d’une bonne nutrition pour assurer ce processus primordial pour la production agricole

Qu’est-ce que la photosynthèse ?

Depuis des milliards d’années, le carbone du CO2 s’intègre dans la matière organique constitutive du vivant par le chemin de la photosynthèse. La photosynthèse réunit un ensemble de réactions biophysiques et biochimiques. Cet ensemble permet aux plantes, aux algues et aux bactéries photosynthétiques de synthétiser des molécules organiques en utilisant l’énergie électromagnétique de la lumière du soleil, du carbone du CO2 de l’air, l’eau et les minéraux du sol.

La photosynthèse est à l’origine de la plus grande partie des molécules de la chaine alimentaire et de la majorité de la biomasse organique de la planète. La photosynthèse se
réalise dans les chloroplastes qui renferment la machinerie photosynthétique. L’équation simplifiée de la photosynthèse peut s’écrire comme suit :

CO2 + H2O + énergie lumineuse -> molécules carbonées riches en énergie + O2

Elle se déroule en 2 phases :

  • (1) une phase photochimique très rapide qui convertit via une succession d’oxydo-réduction l’énergie des photons en énergie électrique puis chimique
  • (2) une phase métabolique plus lente qui se déroule dans le stroma (liquide des chloroplastes).

Pendant le processus, le carbone du CO2 se fixe sur un composé phosphorylé à 5 carbones, le robulose-1,5-bisphosphate ou RuBP. L’enzyme qui assure la fixation du carbone sur le RuBP est une carboxylase dénommé RubisCO. Enzyme la plus importante quantitativement dans la biosphère, elle constitue la principale réserve d’azote organique des feuilles. Rapidement, se forme l’acide phosphoglycérique (PGA) qui est ensuite réduit en triosesphosphates.

Pour six molécules de Trioses-P synthétisées, une seule servira à la synthèse de glucides, d’acides aminés, de lipides…, les cinq autres étant utilisées pour régénérer le RuBP.

Les premiers produits de ce cycle étant des molécules à trois carbones, les plantes utilisant ce cycle sont nommés plantes de type C3 (il existe également des plantes appelées C4 comme le maïs, nous verrons la différence plus tard).

Le dilemme de la RubisCO entre CO2 et O2

L’enzyme RubisCO exerce une seconde activité appelée oxygénase. CO2 et O2 sont alors en compétition au niveau des sites catalytiques de la RubisCO et se retrouvent impliqués dans deux activités antagonistes au sein de la même molécule :

  • Le CO2 favorise la fonction carboxylase et donc la photosynthèse,
  • L’O2 favorise la fonction oxygénase lors du processus de photorespiration.

La photorespiration s’exprime surtout chez les plantes poussant dans les régions tempérées (blé, orge, pomme de terre…). Elle est également très liée aux conditions du milieu. Elle est d’autant plus importante que la température et l’éclairement sont élevés et que la teneur en CO2 de l’atmosphère est faible.

La photorespiration est un processus photosynthétique inévitable. Car, il est lié aux propriétés intrinsèques de la RubisCO qui s’est formée lors de l’évolution à une époque où
la teneur en oxygène du milieu était très faible. Certains organismes ont élaboré des stratégies plus originales que celles des plantes en C3 pour réduire efficacement les effets
néfastes de l’O2 sur la RubisCO. C’est notamment le cas des plantes C4 comme le maïs qui ont séparé physiquement la fixation du CO2 et RubisCO.

Les plantes en C4 ont développé un mécanisme efficace de concentration du CO2. Interne à la feuille, ce mécanisme implique deux tissus différents : le mésophylle et la gaine
périvasculaire. Les cellules du mésophylle contiennent des carboxylases spécifiques. Ces derniers catalysent la formation d’un composé à quatre carbones (d’où le nom), l’oxalo-acétate qui se transforme en maltase. Le malate migre dans les cellules de la gaine. Là près décarboxylation, une quantité importante de CO2 s’accumule dans l’environnement proche de la RubisCO favorisant la photosynthèse.

Ce mécanisme de séparation physique a toutefois un coût énergétique supplémentaire par rapport au mécanisme C3. Il existe d’autres mécanismes. Par exemple, pour les plantes grasses, elles sont C3 le jour et C4 la nuit.

Améliorer la photosynthèse ?

Sous fort éclairement et températures élevées, les plantes C4 sont plus efficaces pour assimiler le carbone du CO2 que les plantes C3, à condition que l’eau et les minéraux ne soient pas limitants. Ainsi, les 5 % d’espèces végétales C4 sur la planète fixent 30 % du CO2 mondial. En revanche, dans les régions tempérées, cette différence de capacité
photosynthétique s’estompe. D’ailleurs, si la concentration en CO2 continue à s’élever, les plantes C3 pourraient atteindre des activités photosynthétiques approchant les plantes C4
à condition que les températures restent modérées.

Différentes approches génétiques sont envisagées pour améliorer les capacités du métabolisme photosynthétiques des plantes cultivées C3 :

  • Introduction de voies bactériennes de recyclage des produits de photorespiration chez les plantes
  • Amélioration du système de carboxylation en cherchant des carboxylases plus performantes
  • Introduction du système C4 dans les plantes C3 : des essais sont actuellement en cours sur le riz car le riz se développe dans des zones propices aux plantes C4.

Reste que la première approche est de mettre la plante dans les meilleures conditions pour réaliser sa photosynthèse : gestion du peuplement pour un accès optimal à la lumière pour toutes les plantes et nutrition équilibrée pour les minéraux nécessaires à la photosynthèse :

  • phosphore nécessaire à la RuBP
  • magnésium car c’est le constituant central de la chlorophylle
  • fer qui intervient dans le synthèse de la chlorophylle
  • manganèse qui intervient en liaison avec le fer dans la synthèse de la chlorophylle. Il a un rôle central dans l’oxydation de l’eau lors de la photosynthèse
  • potasse qui joue un rôle dans la synthèse des enzymes nécessaires à la photosynthèse
  • bore et zinc qui aident à la synthèse de la chlorophylle.

Source :
MOROT-GAUDRY Jean-François, JOYARD Jacques (2020), Le chemin du carbone dans la photosynthèse, Encyclopédie de l’Environnement,

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