Nourrir dix milliards d’êtres humains d’ici 2050 constitue le prochain défi de l’humanité. Les premières civilisations agricoles se sont développées autour de cours d’eau tels que le Nil en Égypte et le Tigre en Mésopotamie, là où les sols sont les plus fertiles. Montréal a également été fondée sur des terres fertiles comme le sont les berges du Saint-Laurent. Néanmoins, depuis le 18e siècle et l’essor de l’industrialisation, les différentes actions humaines menacent les terres agricoles. D’une part, l’exploitation agricole intensive épuise les sols des nutriments essentiels à la croissance des plantes. Cette pratique ne laisse aucune matière organique se décomposer pour nourrir le sol à nouveau. D’autre part, l’étalement urbain recouvre les ressources naturelles de béton, et l’élévation du niveau de la mer menace d’inonder les terres cultivables.
L’équilibre du phosphore dans la cellule, une régulation permanente
Le phosphore, le potassium et l’azote constituent les trois éléments nécessaires à la croissance des plantes. Le phosphore est absorbé directement par les racines sous une forme assimilable, le phosphate inorganique. Ce dernier se lie à d’autres minéraux dans le sol, comme le calcium ou le fer. Le phosphate inorganique est très important dans les cellules, car il participe aux structures et fonctions moléculaires. Il stabilise notamment le matériel génétique des plantes en créant des liens physiques entre les briques de la molécule d’ADN et il entre dans la composition de la membrane des cellules.
La plante régule en continu cet apport nutritionnel du phosphore, et l’entrepose dans des compartiments cellulaires qui servent de « garde-manger » : la vacuole. La vacuole est une citerne d’eau et de nutriments qui assure la survie de la cellule végétale dans des conditions plus difficiles. Ainsi, la plante puise dans des réserves de phosphate à sa disposition et assure un apport continu en cas de pénurie. Afin d’y entreposer le phosphate prélevé du sol, il faut ouvrir des canaux précis à la surface de ce compartiment. Ces derniers s’ouvrent à la suite de la liaison d’une molécule d’inositol pyrophosphate 8 (InsP8). En d’autres termes, c’est le phosphate lui-même qui contribue à former la clé qui ouvre la serrure du compartiment dans lequel la plante l’entrepose. C’est un mécanisme chimique idéal pour mesurer les quantités de phosphate à l’intérieur de la cellule et répondre en temps réel aux besoins du végétal.
Le phosphate inorganique, du sol vers sa forme active
Le phosphate est absorbé directement par les racines, ou grâce à des relations que les plantes entretiennent avec des champignons. Ces champignons sont capables d’aller chercher les nutriments plus loin dans le sol grâce à de petites racines fines qui grandissent rapidement. En contrepartie, les plantes, en utilisant la lumière du soleil, fournissent des sucres aux champignons pour assurer cette croissance rapide. Ces échanges, appelés symbioses, sont bénéfiques pour les deux partenaires. Une fois absorbé, le phosphate inorganique entre dans les cellules par l’intermédiaire de canaux spécifiques ancrés à la membrane des cellules des racines. Plus particulièrement, il est d’abord utilisé sous sa forme brute pour créer de nouveaux organes de la plante. Puis, une fois en grande quantité dans le cytosol, soit le liquide interne de la cellule, le phosphate est pris en charge par des enzymes, c’est-à-dire des petites molécules capables de réaliser spécifiquement la transformation de ce phosphate en composés actifs. Pour ce faire, les enzymes recrutent une molécule d’inositol, un cousin du glucose, sur laquelle ils greffent jusqu’à six phosphates inorganiques provenant du sol. La molécule devient alors un inositol hexaphosphates (InsP6). Ces sucres sont des molécules actives, c’est-à-dire qu’elles peuvent être reconnues par des récepteurs et activer des mécanismes dans la cellule pour répondre à des besoins. Cependant, l’InsP6 n’est pas la forme finale de ce nouveau messager cellulaire. La molécule peut se faire greffer deux groupements phosphates supplémentaires et former une molécule encore plus active : l’inositol pyrophosphate 8 (InsP8).
Malgré leurs allures tranquilles, les végétaux sont des organismes résilients qui s’adaptent en permanence à l’évolution naturelle du climat et aux conséquences de l’action des êtres humains. L’appauvrissement des terres agricoles en nutriments met à mal la santé des végétaux. Comprendre le mécanisme d’assimilation du phosphate par la plante permet d’identifier les acteurs qui régulent cette voie. Ces informations permettront aux chercheur.es de concevoir et sélectionner des variétés capables de croître dans des conditions de carence en nutriments essentiels. Mais repenser l’agriculture de demain est aussi une action de chacun.e, en choisissant de mettre dans son assiette dès aujourd’hui des aliments provenant de chaînes de productions agricoles écoresponsables.
Structure de la molécule d’ADN. L’acide désoxyribonucléique, ou ADN est formé de quatre briques (A : Adénine, T : Thymine, G : Guanine, C : Cytosine) liées chacune à un sucre, le ribose (en violet). Ces quatre briques s’associent entre elles grâce au phosphate (en jaune) et constituent l’information génétique de chaque individu.
Du phosphate inorganique à l’InsP8. Les cellules des racines possèdent des canaux (en bleu) capables de prélever le phosphate inorganique du sol vers le cytosol. Celui-ci est pris en charge par des enzymes, qui le greffent à l’inositol qui devient une molécule active. Sa forme la plus active ouvre des canaux à la surface de la vacuole (en vert) pour entreposer le phosphate inorganique en grande quantité dans le cytosol.
La molécule d’inositol pyrophosphate 8. La molécule d’inositol (en noir) et les six groupements phosphates (en violet) qui forment l’InsP6, ainsi que les deux groupements supplémentaires (en rose) qui permettent de former l’InsP8. Chaque groupement phosphate supplémentaire ajouté à l’inositol modifie ce messager moléculaire qui peut alors ouvrir une serrure différente et répondre à des besoins spécifiques de la plante.
Découvre l'auteur
Souleïmen Jmii
Souleïmen est candidat au doctorat en Biochimie à l’Université du Québec à Montréal. Il s’intéresse à la structure des protéines végétales et étudie au niveau moléculaire la manière dont les plantes s’adaptent aux stress environnementaux (sécheresse, froid, carences…) afin de sélectionner des variantées plus résilients pour l’agriculture. Il est passionné par l’astronomie depuis son plus jeune âge, et ne se sépare jamais de sa musique.
