Variations dans le cycle de Calvin-Benson : pressions de sélection et optimisation?

Le cycle de Calvin-Benson est la base de la fixation du carbone chez tous les organismes photosynthétiques. Cependant, on sait relativement peu de choses sur la mesure dans laquelle son fonctionnement varie entre les espèces. En utilisant une approche de profilage des métabolites, nous avons découvert des différences dans les niveaux des intermédiaires clés du cycle de Calvin-Benson parmi les espèces C3 et C4. Ces différences dans les pools de métabolites ont été observées entre les espèces C3 ainsi qu’entre les plantes C3 et C4. Ce travail soulève la possibilité intéressante que des pressions de sélection variables sur les composants du cycle de Calvin-Benson ont conduit à son optimisation indépendante entre les espèces.

En 1954, Melvin Calvin, Andrew Benson et James Bassham ont publié la voie métabolique utilisée pour fixer le CO2 atmosphérique – le cycle de Calvin-Benson (Bassham et al., 1954). Leurs découvertes fondamentales reposaient sur l’alimentation de l’algue Chlorella avec du CO2 marqué au 14C et sur le suivi du marquage des métabolites au fil du temps (Bassham et al., 1954 ; Sharkey 2018). Ils ont découvert que le cycle est composé de trois phases : premièrement, l’enzyme ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygénase (Rubisco) fixe le CO2 en utilisant la ribulose-1,5-bisphosphate (RuBP) comme accepteur, produisant deux molécules à 3 carbones, le 3-phosphoglycérate (3-PGA). Deuxièmement, l’ATP et le NADPH générés au cours de la chaîne de transport des électrons photosynthétiques (les réactions de la photosynthèse qui dépendent de la lumière) sont utilisés pour phosphoryler puis réduire le 3-PGA en triose phosphate (triose-P). Troisièmement, l’accepteur de CO2 RuBP est régénéré par une série de réactions (encadré 1). La majorité des enzymes impliquées dans ce cycle ont été découvertes plus tôt ou peu après (Horecker et al. 1951 ; Racker et al., 1953 ; Mayoudan et al., 1957). Depuis lors, il est généralement admis que le fonctionnement du cycle de Calvin-Benson est hautement conservé parmi les différentes espèces végétales.

Encadré 1.

Le cycle de Calvin-Benson

Le cycle de Calvin-Benson est composé de trois phases : (1) la fixation du carbone, (2) la réduction et (3) la régénération de l’accepteur de CO2.

La carboxylation est réalisée par la ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygénase (Rubisco), qui fixe le CO2 en utilisant la ribulose-1,5-bisphosphate (RuBP) comme accepteur et produit ainsi deux molécules de 3 carbones de 3-phosphoglycérate (3-PGA). Le 3-PGA est ensuite phosphorylé par la phosphoglycérate kinase (PGK) et réduit en triose phosphate (triose-P) par la glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase (GAPDH) dans la phase de réduction. Le cycle utilise 3 ATP et 2 NADPH par molécule de CO2 fixe. Le triose-P peut être transporté hors du chloroplaste pour produire du saccharose dans le cytosol. La fructose 1,6-bisphosphate aldolase (FBP ald) peut convertir le triose-P en fructose-6-phosphate (F6P), l’intermédiaire utilisé pour produire de l’amidon. De même, le triose-P peut être converti en RuBP dans une série de réactions de régénération pour fixer davantage de molécules de CO2.

Abréviations : fructose-1,6-bisphosphate (FBP), fructose-1,6-bisphosphatase (FBPase), érythrose-4-phosphate (E4P), sedoheptulose 1,7-bisphosphate aldolase (SBP ald), sedoheptulose-1,7-bisphosphate (SBP), sedoheptulose-1,7-bisphosphatase (SBPase), sédoheptulose-7-phosphate (S7P), transcétolase (TK), ribose-5-phosphate (R5P), xylulose-5-phosphate (Xu5P), ribose-5-phosphate isomérase (RPI), ribulose-5-phosphate épimérase (RPE), ribulose-5-phosphate (Ru5P), phosphoribulokinase (PRK). Les enzymes qui catalysent des réactions irréversibles sont mises en évidence par une flèche lourde en gras (c’est-à-dire Rubisco, FBPase, SBPase et PRK).

Dans la grande majorité des plantes terrestres, avec les réactions de photosynthèse dépendantes de la lumière, le cycle de Calvin-Benson est principalement réalisé dans les cellules mésophiles des feuilles. Cependant, la Rubisco discrimine mal le CO2 et l’O2 (Bowes et al., 1971) et la fixation d’une molécule d’O2 au lieu du CO2 entraîne la photorespiration – une voie de récupération énergétiquement coûteuse pour récupérer le RuBP. Suite à la chute spectaculaire de la concentration atmosphérique de CO2 il y a 2,3 milliards d’années (Bekker et al., 2004), deux mécanismes de concentration du carbone ont évolué, limitant la quantité de photorespiration. Ces modifications du processus photosynthétique de base, la photosynthèse en C4 et le métabolisme acide des crassulacées (CAM), sont apparues chacune plusieurs fois (Sage et al., 2011). La photosynthèse en C4 implique la séparation spatiale de la photosynthèse de telle sorte que les composants des réactions dépendantes de la lumière et du cycle de Calvin-Benson se produisent dans les cellules du mésophylle et de la gaine des faisceaux (encadré 2). Malgré les différences dans la localisation anatomique de la fixation du carbone, jusqu’à présent, on savait peu de choses sur la façon dont le fonctionnement du cycle de Calvin-Benson peut être différent chez les plantes C4 par rapport aux plantes C3 et également entre les plantes C3.

Encadré 2.

Le mécanisme de concentration du carbone chez les plantes C4

En 1966, Hal Hatch et Roger Slack ont découvert la photosynthèse C4 (Hatch et Slack, 1966), qui implique un mécanisme de concentration du carbone ajouté à la voie de fixation régulière du carbone C3. Ils ont utilisé le marquage au 14C pour démontrer que le CO2 dans les feuilles de canne à sucre était d’abord fixé en un acide à 4 carbones, plutôt qu’en 3-phosphoglycérate (3-PGA) comme chez les plantes C3. Les plantes C4 utilisent la phosphoénolpyruvate carboxylase (PEPC) comme enzyme initiale de fixation du carbone dans les cellules du mésophylle. L’acide à 4 carbones (malate ou aspartate selon le type de photosynthèse C4) produit dans les cellules du mésophylle pénètre ensuite dans les cellules de la gaine des faisceaux, où il est décarboxylé et où le CO2 est libéré. Ce mécanisme de concentration du carbone permet à la Rubisco d’agir presque exclusivement comme une carboxylase au cours du cycle de Calvin-Benson dans les cellules de la gaine des faisceaux. En plus d’une reconfiguration des enzymes métaboliques existantes, la voie C4 nécessite le développement d’une anatomie foliaire spécialisée (anatomie de Kranz) qui comprend une augmentation de l’espacement des nervures et de la taille des cellules de la gaine des faisceaux. Classiquement, trois types différents de photosynthèse C4 ont été reconnus, nommés d’après l’enzyme primaire responsable de la réaction de décarboxylation dans les cellules de la gaine du faisceau : type NAD-ME, NADP-ME ou PEPCK. Abréviations : anhydrase carbonique (CA), oxaloacétate (OA), malate déshydrogénase NADP-dépendante (NADP-MDH), malate (M), enzyme malique NADP-dépendante (NADP-ME), pyruvate (Pyr), pyruvate,orthophosphate dikinase (PPDK), phosphoénolpyruvate (PEP).

Variation des métabolites du cycle de Calvin-Benson entre les espèces

Le cycle de Calvin-Benson est sans doute l’une des voies biochimiques les plus critiques sur terre, en tant que voie d’assimilation du carbone chez les plantes – le cœur de la photosynthèse. Mais toutes les espèces végétales font-elles fonctionner cette voie de la même manière ? Arrivault et al. (2019) ont établi le profil de l’abondance des métabolites du cycle de Calvin-Benson de cinq plantes C3 (dont Arabidopsis et plusieurs cultures importantes comme le riz, le blé et le manioc) et de quatre plantes C4 (dont le maïs). Les métabolites totaux ont été extraits des feuilles matures et mesurés par chromatographie liquide en phase inverse couplée à la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS). Pour une quantification fiable, les échantillons ont été dopés avec des standards de métabolites internes marqués aux isotopes ; le 3-PGA a été quantifié par voie enzymatique. Les profils des métabolites des différentes espèces végétales ont été comparés à l’aide d’une analyse en composantes principales.

De manière frappante, Arrivault et al. (2019) ont découvert des différences substantielles dans les profils des métabolites des intermédiaires du cycle de Calvin-Benson parmi les cinq espèces C3 qu’ils ont étudiées. Les intermédiaires qui variaient le plus comprenaient les niveaux absolus de 3-PGA, triose-P, ribulose-5-phosphate (Ru5P) et xylulose-5-phosphate (Xu5P). Les niveaux relatifs de RuBP par rapport aux niveaux des intermédiaires impliqués dans la régénération de RuBP étaient variables entre les espèces. De plus, les auteurs ont démontré une variabilité dans les niveaux relatifs des paires de métabolites telles que le fructose-1,6-bisphosphate (FBP) et le fructose-6-phosphate (F6P), qui sont liés par la réaction irréversible de la FBPase ; et dans la paire de métabolites sedoheptulose-1,7-bisphosphate (SBP) et sedoheptulose-7-phosphate (S7P), qui sont interconvertis de manière irréversible par la SBPase. Dans la plupart des cas, les cinq espèces C3 se sont clairement séparées les unes des autres dans l’analyse en composantes principales. Le degré de séparation dépendait de la normalisation des données en fonction du poids frais, de la teneur en chlorophylle ou de la teneur en protéines. La variation de ces intermédiaires au sein des cinq espèces C3 indique des différences dans la manière dont les plantes exploitent la même voie de fixation du carbone. Ces informations ont des conséquences sur les stratégies visant à améliorer la photosynthèse. Par exemple, la SBPase peut limiter le taux de photosynthèse (Zhu et al., 2007) et sa surexpression peut augmenter l’efficacité photosynthétique (Lefebvre et al., 2005 ; Feng et al. 2007 ; Ding et al., 2016 ; Driever et al., 2017). Ainsi, la modification de l’activité d’une seule enzyme du cycle de Calvin-Benson peut avoir un impact sur le taux de photosynthèse, puis sur la biomasse et le rendement. Cependant, on sait que l’efficacité de cette approche varie selon les espèces. La variation préexistante des niveaux des métabolites SBP et S7P entre les espèces C3 signalée par Arrivault et al. (2019) est donc importante et peut donner un aperçu de la réponse variable de la photosynthèse à l’augmentation des quantités de SBPase.

Puisque le mécanisme de concentration du carbone des plantes C4 limite la photorespiration, il était peut-être moins surprenant que le premier produit de la photorespiration, le 2-phosphoglycolate (2-PG), soit moins abondant chez les espèces C4 que chez les espèces C3. En outre, les plantes C4 présentaient des niveaux de RuBP inférieurs à ceux des plantes C3, ce qui est cohérent avec leur moindre investissement dans la Rubisco. Cependant, même lorsque les niveaux de 2-PG et de RuBP étaient exclus de l’ensemble des données, les niveaux de métabolites C3 et C4 se séparaient presque toujours dans l’analyse en composantes principales. Ces différences étaient cohérentes, que les données soient normalisées par rapport au poids frais, à la teneur en chlorophylle ou à la teneur en protéines, et les changements indiquent donc que les enzymes responsables de la génération des métabolites entreprennent la catalyse à des taux différents dans les différentes espèces. Les auteurs utilisent le terme de « mode de fonctionnement » du cycle de Calvin-Benson pour décrire ces différences, c’est-à-dire que le cycle fonctionne différemment selon les espèces, même si les mêmes enzymes sont impliquées, ce qui entraîne les modifications observées dans les niveaux relatifs des intermédiaires. Ils proposent donc que les différences dans le cycle de Calvin-Benson entre les plantes C3 et C4 sont plus larges qu’une simple relocalisation spatiale vers les cellules de la gaine des faisceaux dans ces dernières, et impliquent une adaptation du mode de fonctionnement du cycle.

Perspectives futures

Établir que le mode de fonctionnement du cycle de Calvin-Benson peut varier est intéressant, surtout si l’on considère que la structure de la voie (en termes d’enzymes impliquées et de leur séquence de réaction dans le cycle) a été hautement conservée. Cependant, au cours des millions d’années qui se sont écoulées depuis la première apparition du cycle, le rapport entre l’oxygène et le CO2 dans l’atmosphère a considérablement changé. On pense que ces changements ont contribué à l’évolution de certaines espèces végétales vers des mécanismes de concentration du carbone. Les auteurs proposent maintenant que les faibles niveaux de CO2, combinés à des conditions environnementales spécifiques, ont pu conduire au développement de différents modes de fonctionnement du cycle de Calvin-Benson. Ainsi, la variation des profils de métabolites observée pourrait refléter des pressions de sélection distinctes sur la façon dont le cycle de Calvin-Benson est régulé dans différentes lignées de plantes. L’approche utilisée par les auteurs pour analyser les intermédiaires du cycle de Calvin-Benson pourrait maintenant être appliquée à davantage d’espèces, et cela serait particulièrement intéressant si celles-ci couvraient un plus grand nombre de familles de plantes dans divers environnements. Cela pourrait révéler si la variation suit strictement les taxons phylogénétiques ou les environnements spécifiques auxquels les plantes se sont adaptées.

De plus, les plantes C4 analysées dans Arrivault et al. réalisent toutes le type de photosynthèse C4 NADP-ME. Ainsi, une ligne prometteuse d’étude supplémentaire serait d’explorer si des changements similaires dans les intermédiaires du cycle de Calvin-Benson sont observés dans les trois types de métabolisme C4, ou s’ils sont spécifiques au type NADP-ME.

Ce travail est un excellent point de départ pour découvrir comment ces différents modes de cycle de Calvin-Benson sont contrôlés au niveau moléculaire. Si le profilage des métabolites permet une approche non biaisée pour évaluer la variation des niveaux d’intermédiaires entre différentes espèces, les causes sous-jacentes de ces différences restent à déterminer. La variation entre les espèces pourrait résulter de différences dans l’expression des gènes et les activités protéiques qui en découlent, de variations dans la séquence des acides aminés ayant un impact sur la cinétique, ou de la régulation post-traductionnelle des enzymes. Notamment, presque toutes les enzymes du cycle de Calvin-Benson sont soumises à au moins une forme de régulation redox, principalement via le système thiorédoxine (TRX)/ferredoxine (Fd) (Buchanan et Palmer, 2005 ; Michelet et al. 2013). L’intégration de ces données de transcription, d’abondance de protéines et d’activité enzymatique aux niveaux de métabolites peut révéler la base moléculaire de la variation. En outre, les variations observées dans les pools de métabolites peuvent également être liées à la demande de certains intermédiaires, en particulier ceux qui sont retirés du cycle de Calvin-Benson. Par exemple, le flux à travers le cycle peut être influencé par les voies de sortie pour permettre la synthèse de l’amidon (via F6P), du saccharose et des isoprénoïdes (via triose-P), des acides aminés via la voie du shikimate (via E4P), ainsi que de la thiamine et des nucléotides (via R5P) (Raines, 2011).

Arrivault et al. (2019) rapportent une variation intéressante dans la façon dont les composants du cycle de Calvin-Benson fonctionnent chez différentes espèces végétales. Cela catalysera sûrement d’autres études sur la façon dont les plantes ont adapté cette voie fondamentale et ancienne de fixation du carbone à différents environnements.

.