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Pourquoi certaines plantes ont appris à mieux fixer le carbone?

Le processus dit C4 (dit aussi Hatch-Slack) de fixation du carbone par les plantes leur permet de fabriquer du carbone à partir du gaz carbonique de l'atmosphère. Paru dans les PNAS, un article daté du 6 novembre 2018 montre que ce n'est pas la baisse en concentration de CO2, mais la diminution des quantités d'eau accessibles aux plantes à partir de la mi-oligocène qui a entraîné cette mutation favorable de C3 en C4.

Le C3 et C4, un processus à la base de la photosynthèse

Les plantes fabriquent du carbone à partir du gaz carbonique de l'atmosphère. Elles peuvent ensuite l'utiliser pour fabriquer les sucres et autres molécules biologiques dont elles se nourrissent.
Le terme de C4(1) fait référence au 4 molécules du carbone qui est le produit de ce mode de fixation. Celui-ci est une forme plus élaborée du processus dit C3. Les deux sont à la base de la photosynthèse qui a permis aux plantes d'apparaître et se développer dans un univers primitif en utilisant la lumière pour fabriquer le carbone organique dont elles ont besoin.




Rappelons que de la mi-oligocène (30 millions d'années avant notre temps) jusqu'au Miocène tardif (- 5 millions d'années), la concentration en CO2 de l'atmosphère est tombée d'un tiers, pour des raisons encore mal comprises, d'un tiers. Les plantes utilisaient précédemment le processus photosynthétique C3. A cette époque sont apparues des plantes ayant découvert et développé le processus C4 plus efficace. Ces dernières ont depuis coexisté en compétition avec les précédentes.

Pour quelles raisons est apparu le C4 ?

Mais pour quelles raisons est apparu le C4, résultant vraisemblablement d'une mutation favorable?
Si l'on pensait que ceci s'expliquait par la baisse de la concentration en CO2  atmosphérique, ayant alors entraîné cette évolution adaptative, un article daté du 6 novembre 2018 que vient de publier le site scientifique PNAS [voir Sources ci-dessous] , montre que c'est plutôt la diminution des quantités d'eau accessibles jusque-là par les plantes qui a déclenché cette mutation favorable. Cette diminution a tenu à un changement climatique ayant entraîné des épisodes plus nombreux de sécheresse.
Différence totale d'assimilation du CO2 entre C4 et C3, sous différentes concentrations de CO2
Différence totale d'assimilation du CO2 entre C4 et C3, sous différentes concentrations de CO2

Les scientifiques pensent pouvoir montrer, par l'étude des documents fossiles obtenus, qu'avec l'apparition de plantes disposant du C4, des terrains devenus désertiques se sont à nouveau couvert de végétation. Aujourd'hui environ un quart de la couverture végétale de la planète est composé de végétaux C4. C'est le cas notamment d'espèces aujourd'hui importantes pour l'alimentation humaine, telles le maïs et la canne à sucre.

Ajoutons pour notre part une considération que ne mentionne pas explicitement l'article : si la sécheresse s'étendait à la suite du réchauffement climatique actuel, ce serait un enjeu vital de pouvoir obtenir, par manipulation génétique ou par mutation artificielle, de nouvelles plantes disposant de nouveaux processus photosynthétiques plus efficaces que les actuels C3 et C4. Inutile de dire que l'objectif est plus facile à exprimer qu'il ne l'est à atteindre en pratique.
 
Jean-Paul Baquiast

  • (1) Parmi de nombreux autres articles consacrés au C4, voir  "La fixation du carbone chez les plantes en C4".
     
  • "C4 photosynthesis and climate through the lens of optimality", par par Haoran Zhou, Brent R. Helliker, Matthew Huber, Ashley Dicks & Erol Akçay - Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNA), 6 novembre 2018.
    Abstract :
    CO2, temperature, water availability, and light intensity were all potential selective pressures that determined the competitive advantage and expansion of the C4photosynthetic carbon-concentrating mechanism over the last ∼30 My. To tease apart how selective pressures varied along the ecological trajectory of C4 expansion and dominance, we coupled hydraulics to photosynthesis models while optimizing photosynthesis over stomatal resistance and leaf/fine-root allocation.

    We further examined the importance of nitrogen reallocation from the dark to the light reactions. We show here that the primary selective pressures favoring C4 dominance changed through the course of C4 evolution. The higher stomatal resistance and leaf-to-root ratios enabled by C4 led to an advantage without any initial difference in hydraulic properties. We further predict a reorganization of the hydraulic system leading to higher turgor-loss points and possibly lower hydraulic conductance. Selection on nitrogen reallocation varied withCO2 concentration.

    Through paleoclimate model simulations, we find that water limitation was the primary driver for a C4advantage, with atmosphericCO2 as high as 600 ppm, thus confirming molecular-based estimates for C4 evolution in the Oligocene. Under these high-CO2 conditions, nitrogen reallocation was necessary.
    Low CO2 and high light, but not nitrogen reallocation, were the primary drivers for the mid- to late-Miocene global expansion of C4. We also predicted the timing and spatial distribution for origins of C4 ecological dominance. The predicted origins are broadly consistent with prior estimates, but expand upon them to include a center of origin in northwest Africa and a Miocene-long origin in Australia.

     
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