La modélisation révèle le rôle de la photorespiration dans la stabilisation du cycle de Calvin.
Le cycle de Calvin est l’étape de la photosynthèse qui utilise l’énergie stockée par les réactions dépendantes de la lumière pour former du glucose et d’autres molécules glucidiques.
La photorespiration émerge de la compétition d’O2 et Cie2 au site actif de l’enzyme Rubisco. L’oxygénation réduit les taux de carboxylation et réduit donc l’assimilation nette du carbone et l’efficacité énergétique de la photosynthèse. De plus, l’un des produits de l’oxygénation de Rubisco, le 2-Phosphoglycolate (2-PG), est un puissant inhibiteur de plusieurs enzymes essentielles (SBPase et TPI) impliquées dans le cycle de Calvin.
Parce que le cycle de Calvin est directement lié au taux de fixation du carbone, sa régulation est cruciale pour la stabilité métabolique globale, et est donc impérative pour la capacité de la plante à faire face aux fluctuations environnementales, par exemple, les changements d’intensité lumineuse ou de température.
Des recherches sont en cours pour réduire les pertes photorespiratoires, et donc augmenter la photosynthèse nette, par génie génétique.
Dans un article récemment publié dans en silicone Plantes, Pr. Thomas Nägele et son doctorant Jakob Hernandez de Ludwig-Maximilians-Universität München utilisent la modélisation cinétique structurelle pour déterminer à quel point les éléments de photorespiration sont nécessaires à la stabilité du cycle de Calvin.
La modélisation cinétique décrit les processus physiques et biochimiques dans un système biologique à l’aide d’équations, et sa sortie fournit des informations sur le comportement du système. La modélisation cinétique repose sur la connaissance des valeurs des paramètres qui décrivent l’affinité d’une enzyme pour son substrat, la vitesse d’une réaction et la sensibilité de l’enzyme à l’inhibition par des molécules régulatrices. Le cycle de Calvin est actionné par 11 enzymes différentes qui catalysent 13 réactions. Selon Hernandez, « les valeurs des paramètres des enzymes du cycle de Calvin sont rares car elles sont difficiles à mesurer et variables en fonction de facteurs tels que la température et le pH. Nous avons surmonté cet obstacle en combinant la modélisation cinétique avec la modélisation structurelle. »
En utilisant modélisation cinétique standardles valeurs de paramètre suivantes sont généralement nécessaires :
- vitesse de réaction maximale,
- l’affinité d’une enzyme pour le substrat, et
- affinité de l’enzyme pour l’inhibiteur.
Dans modélisation cinétique structurelleon utilise des valeurs alternatives plus faciles à obtenir :
- quantité de substrats et de produits, et
- taux d’interconversion enzymatique.
Tout d’abord, deux versions du modèle cinétique structurel – incluant ou excluant la photorespiration – ont été exécutées pour déterminer si, et dans quelle mesure, la photorespiration stabilise le cycle de Calvin. La stabilité indique que les concentrations de métabolites essentiels sont dans un état stable durable permettant au cycle de se poursuivre. Hernandez et Nägele ont découvert que l’inclusion de la photorespiration stabilisait de manière significative le cycle de Calvin et était donc un processus nécessaire dans un environnement changeant.
Ensuite, les auteurs ont étudié quels éléments de la photorespiration étaient nécessaires à la stabilité du cycle de Calvin. Ils se sont d’abord concentrés sur l’inhibiteur 2-PG, qui est créé en tant que produit de la photorespiration. Le modèle comprenant la photorespiration a été exécuté avec différents niveaux d’inhibition par le 2-PG pour déterminer son effet sur la stabilité du cycle de Calvin. Il a été constaté que la régulation par le 2-PG augmentait la stabilité du cycle de Calvin.
Hernandez conclut que « la valeur de ce travail réside dans l’estimation d’un compromis entre l’assimilation du carbone et la stabilisation métabolique sous les changements environnementaux ».
LIRE L’ARTICLE:
Jakob Sebastian Hernandez, Thomas Nägele, La fonction de compromis de la photorespiration dans un environnement changeant, en silicone Plantes, 2022 ; diac022, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac022
Cet article fait partie du numéro spécial sur la modélisation multi-échelle de la photosynthèse.
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