Pourquoi les plantes gaspillent presque toute l'énergie solaire reçue

Introduction : le rendement décevant de la photosynthèse

Un processus vital, mais étonnamment peu efficace

La photosynthèse est souvent présentée comme l'un des mécanismes les plus remarquables du vivant, capable de transformer la lumière du soleil en énergie chimique utilisable par les plantes. Elle est à la base de presque toute la vie sur Terre, fournissant à la fois l'oxygène que nous respirons et la matière organique qui nourrit l'ensemble des chaînes alimentaires de la planète.

Ce processus se déroule au sein des chloroplastes, de minuscules structures présentes dans les cellules végétales, où la lumière capturée sert à assembler des molécules de sucre à partir de dioxyde de carbone et d'eau, dans une séquence de réactions biochimiques d'une extraordinaire complexité moléculaire.

Pourtant, malgré son importance capitale, ce processus est étonnamment peu efficace sur le plan énergétique. En moyenne, les plantes ne convertissent que 1 à 2 pour cent de l'énergie lumineuse qu'elles reçoivent en énergie chimique réellement utilisable pour leur croissance, un rendement qui surprend souvent le grand public habitué à considérer la nature comme optimisée à la perfection.

Un écart considérable entre le potentiel théorique et la réalité

Les scientifiques estiment que le rendement théorique maximal de la photosynthèse, dans des conditions parfaitement optimisées, pourrait atteindre environ 11 pour cent de l'énergie solaire disponible. Mais dans la réalité des champs agricoles et des écosystèmes naturels, ce rendement global réalisable se situe plutôt entre 3 et 6 pour cent, une fois prises en compte toutes les pertes inévitables du système biologique.

Cet écart considérable entre le potentiel théorique et la performance réellement observée sur le terrain a poussé de nombreux chercheurs à se demander s'il serait possible d'intervenir directement sur la machinerie photosynthétique des plantes pour améliorer ce rendement, avec des conséquences potentiellement majeures pour l'agriculture mondiale et la sécurité alimentaire de milliards de personnes.

Combler même partiellement cet écart représenterait un bond considérable pour la production agricole mondiale, sans nécessiter davantage de terres cultivables, d'engrais ou d'eau d'irrigation, des ressources déjà sous forte pression dans de nombreuses régions du globe.

Où disparaît toute cette énergie solaire

Des pertes à chaque étape du processus

Pour comprendre pourquoi le rendement de la photosynthèse reste aussi faible, il faut suivre le trajet de l'énergie lumineuse depuis son arrivée sur la feuille jusqu'à sa transformation finale en sucres et autres composés organiques utilisés par la plante pour grandir et se reproduire.

Une partie importante de la lumière incidente est tout simplement réfléchie par la surface de la feuille ou traverse le tissu végétal sans être absorbée par les pigments photosynthétiques, notamment la chlorophylle, qui n'est efficace que pour certaines longueurs d'onde précises du spectre lumineux visible.

Une autre part significative de l'énergie solaire disponible se présente sous des longueurs d'onde que les pigments végétaux ne peuvent tout simplement pas exploiter, comme certaines franges du rayonnement infrarouge, ce qui réduit encore davantage la quantité d'énergie effectivement disponible pour la réaction photosynthétique elle-même.

D'autres pertes surviennent ensuite lors des multiples étapes biochimiques de conversion, chacune s'accompagnant inévitablement d'une dissipation partielle d'énergie sous forme de chaleur, un phénomène incontournable dans pratiquement tous les processus de transformation énergétique connus en physique et en biologie.

Le rôle coûteux de la photorespiration

L'une des sources de perte les plus significatives porte le nom de photorespiration, un mécanisme biochimique parfois qualifié de gaspillage énergétique par les chercheurs, qui survient lorsque l'enzyme responsable de la fixation du carbone capture accidentellement de l'oxygène plutôt que du dioxyde de carbone.

Ce mécanisme oblige la plante à dépenser une énergie considérable pour recycler les composés toxiques ainsi produits, une dépense qui, selon les estimations des scientifiques, peut représenter jusqu'à un quart de l'énergie potentiellement disponible chez certaines cultures majeures comme le soja ou le blé cultivés à grande échelle.

Réduire ce gaspillage énergétique lié à la photorespiration est ainsi devenu l'une des cibles privilégiées des programmes de recherche cherchant à améliorer artificiellement le rendement photosynthétique des plantes cultivées à travers le monde.

Le programme RIPE, financé par la Fondation Gates

Une mission clairement affichée : réinventer la photosynthèse

C'est précisément pour s'attaquer à ce problème qu'a été créé le programme de recherche RIPE, dont la mission consiste à faire progresser la science et l'ingénierie de la photosynthèse, en poursuivant des découvertes fondamentales capables d'ouvrir de nouvelles voies vers de meilleurs rendements agricoles et une résistance accrue aux stress environnementaux.

Ce programme est dirigé par le chercheur Stephen Long de l'université de l'Illinois, et rassemble un large consortium de partenaires internationaux, parmi lesquels figurent notamment l'organisme australien CSIRO, l'université de Lancaster, l'université de Californie à Berkeley, l'université de Cambridge, l'université d'Essex ainsi que plusieurs centres de recherche agronomique américains spécialisés.

Un financement massif venu de la philanthropie

Fondé en 2012 grâce à une première subvention de 25 millions de dollars répartie sur cinq ans, le programme RIPE a été financé initialement par la Fondation Bill et Melinda Gates, avant de bénéficier en 2017 d'un réinvestissement additionnel de 45 millions de dollars, provenant à la fois de la fondation elle-même, du Fonds pour la recherche agricole et alimentaire et du département britannique du développement international.

En 2018, la Fondation Gates a de nouveau injecté 13 millions de dollars supplémentaires dans le programme, avant qu'un nouveau financement de 34 millions de dollars, sur quatre ans, ne soit accordé en 2022 par l'organisation Gates Ag One, spécifiquement destiné à étendre les recherches vers des cultures comme le niébé et le soja, particulièrement importantes pour la sécurité alimentaire de nombreux pays en développement.

Ce niveau de financement philanthropique, rare dans le domaine de la recherche fondamentale en biologie végétale, traduit l'importance stratégique accordée par ses bailleurs de fonds à l'amélioration du rendement photosynthétique comme réponse potentielle aux défis alimentaires mondiaux des décennies à venir.

Des gains de rendement déjà mesurés sur le terrain

Une étude marquante publiée dans la revue Science

En 2019, une étude publiée dans la prestigieuse revue Science a démontré qu'il était possible d'augmenter le rendement de certaines cultures de près de 40 pour cent en modifiant génétiquement les voies de recyclage liées à la photorespiration, un résultat considéré comme une avancée majeure et largement relayé dans la communauté scientifique internationale.

Cette expérience, menée sur deux années consécutives dans des conditions réelles de culture en plein champ, a montré que les plantes génétiquement modifiées poussaient significativement plus haut et produisaient environ 40 pour cent de biomasse supplémentaire, principalement grâce à des tiges près de 50 pour cent plus volumineuses que celles des plantes témoins non modifiées.

Pour mettre ce chiffre en perspective, il faut savoir que les techniques classiques de sélection variétale n'apportent généralement que des gains annuels d'environ 1 pour cent, ce qui rend d'autant plus remarquable un bond de rendement aussi important obtenu en une seule intervention génétique ciblée sur ces cultures.

Des résultats complémentaires sur la protection contre la lumière excessive

Une autre approche explorée par les équipes du programme RIPE consiste à agir sur les mécanismes de photoprotection des plantes, ces systèmes naturels qui dissipent l'excès de lumière sous forme de chaleur pour éviter d'endommager l'appareil photosynthétique en cas d'exposition solaire trop intense.

En ajustant génétiquement la vitesse à laquelle les plantes désactivent ce mécanisme protecteur lorsque la lumière diminue à nouveau, par exemple à l'ombre d'un nuage passager, les chercheurs ont obtenu des gains de rendement compris entre 14 et 20 pour cent lors d'essais en champ répétés, constituant l'une des premières démonstrations concrètes que la photosynthèse peut être modifiée pour produire de meilleurs rendements agricoles.

Un enjeu direct pour la sécurité alimentaire mondiale

Une pression démographique qui s'intensifie

Selon les estimations de l'Organisation des Nations unies pour l'alimentation et l'agriculture, la production alimentaire mondiale devra augmenter d'environ 70 pour cent d'ici 2050 pour répondre à la croissance démographique attendue et à l'évolution des habitudes de consommation dans de nombreuses régions du globe.

Face à cette pression considérable, et compte tenu des limites physiques imposées par la disponibilité des terres cultivables et des ressources en eau douce, améliorer le rendement photosynthétique des cultures existantes apparaît comme l'une des rares voies capables de générer des gains de productivité suffisamment importants sans nécessiter d'extension massive des surfaces agricoles.

Une solution parmi d'autres, pas une réponse unique

Les chercheurs du programme RIPE insistent néanmoins sur le fait que l'amélioration de la photosynthèse ne constitue qu'une des multiples pistes à combiner pour répondre au défi alimentaire mondial, aux côtés d'autres approches comme la réduction du gaspillage alimentaire, l'amélioration des pratiques agricoles ou encore la lutte contre les ravageurs et les maladies des cultures.

Cette approche combinée reste toutefois particulièrement prometteuse, car elle s'attaque directement à la limite biologique fondamentale de toute production agricole, à savoir la quantité d'énergie solaire qu'une plante parvient réellement à convertir en matière utile pour l'alimentation humaine et animale.

Conclusion : un potentiel encore largement inexploité

Ce que révèlent les avancées récentes

Les travaux menés par le programme RIPE et par d'autres équipes de recherche à travers le monde démontrent clairement que le faible rendement naturel de la photosynthèse n'est pas une fatalité biologique définitive, mais bien une caractéristique qui peut être significativement améliorée grâce à des interventions génétiques ciblées et rigoureusement testées sur le terrain.

Les gains déjà observés, qu'il s'agisse des 40 pour cent obtenus en corrigeant les pertes liées à la photorespiration ou des 14 à 20 pour cent liés à l'optimisation de la photoprotection, dépassent très largement ce que peuvent offrir les méthodes traditionnelles de sélection variétale sur une période comparable.

Un chemin encore long avant une adoption généralisée

Il reste néanmoins un chemin considérable à parcourir avant que ces cultures génétiquement optimisées ne soient largement adoptées par les agriculteurs du monde entier, notamment en raison des cadres réglementaires variés encadrant les organismes génétiquement modifiés selon les pays et les continents.

Ces recherches sur l'efficacité photosynthétique illustrent malgré tout une voie scientifique concrète et déjà partiellement validée pour répondre à l'un des plus grands défis du siècle à venir, celui de nourrir une population mondiale toujours croissante sans épuiser davantage les ressources limitées de notre planète.

Signé Maxime Marquette, chroniqueur

Sources

Sources primaires

RIPE — Realizing Increased Photosynthetic Efficiency, université de l'Illinois — page officielle du programme

Nature — Photosynthesis : publications scientifiques sur l'efficacité photosynthétique

PNAS — Proceedings of the National Academy of Sciences, recherches sur la biologie végétale

Sources secondaires

Futura Sciences — Analyses vulgarisées sur la photosynthèse et l'agriculture

Sciences et Avenir — Couverture des avancées en biologie végétale et agronomie

National Geographic — Reportages sur la sécurité alimentaire mondiale et l'agriculture durable