Photomorphogenèse, sœur de la photosynthèse
Photomorphogenèse Introduction
La photosynthèse occupe souvent le devant de la scène lorsqu’il est question de plantes et de lumière, mais l’histoire ne s’arrête pas là. Dans cet article, nous vous invitons à explorer la partie la moins connue de l’histoire, la photomorphogenèse – « photo » fait référence à la lumière et « morphogenèse » au changement et à la croissance.
Dans un article précédent(ici), nous avons abordé les bases de la photosynthèse, en expliquant comment les plantes exploitent l’énergie lumineuse pour créer des sucres destinés à répondre à des besoins métaboliques ultérieurs, tels que la croissance.
Mais qu’est-ce qui déclenche cette croissance ? La réponse se trouve dans une autre facette de l’influence de la lumière : la photomorphogenèse. Nous vous donnerons une vue d’ensemble avec suffisamment de détails pour comprendre le quoi, le où, le comment et le pourquoi de la photomorphogenèse.
Fig 1 Photo de Paul Green sur Unsplash
Pourquoi les plantes ont besoin de grandir et de changer
La croissance des plantes ou les changements morphologiques sont essentiels à leur survie. Deux raisons principales expliquent ce besoin :
- Survie : les plantes doivent croître et s’étendre afin de capter la lumière vitale pour la photosynthèse, permettant la production des sucres nécessaires à leur existence.
- Reproduction : La floraison et la fructification assurent la survie de l’espèce végétale, un processus étroitement lié à la disponibilité de la lumière.
Ces deux besoins fondamentaux reposent sur le rôle de la lumière en tant que facteur critique.
Fig 2 Photo de Josie Weiss sur Unsplash
Le photorécepteur – Recevoir la lumière pour la croissance
Les cellules végétales possèdent une molécule unique appelée photorécepteur, qui est responsable de la réception de l’énergie lumineuse qui déclenche la croissance et les changements morphologiques. Explorons les trois principaux types de photorécepteurs :
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Les phytochromes : Ces photorécepteurs déclenchent les transitions saisonnières des plantes, influençant la germination des graines, la croissance, la floraison et la fructification.
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Cryptochromes : Responsables de la régulation de la croissance, ces photorécepteurs veillent à ce que les plantes ne s’étendent pas trop et conservent une forme efficace pour survivre.
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Phototropines :Ces photorécepteurs guident la croissance de la tige de la plante vers les sources de lumière disponibles.
Figure 3 (Albert Melu sur Unsplash)
Où se trouvent ces photorécepteurs ?
Pour mieux comprendre, précisons l’emplacement des photorécepteurs. Elles sont disséminées dans les cellules végétales et habitent le cytoplasme cellulaire, c’est-à-dire les espaces à l’intérieur de la cellule.
Fig 4 – Les photorécepteurs résident dans le cytoplasme de la cellule.
(à gauche, photo de la plante par Albert Melu, au milieu, photo de la cellule de la plante par Kristian Peters)
Comment les plantes perçoivent les changements saisonniers – Le rôle des phytochromes
Au fil des saisons, vous remarquerez un regain de vie, surtout entre l’hiver et le printemps. Les graines germent, les pousses émergent, les tiges s’étendent, les feuilles se déploient et les plantes adultes fleurissent et portent des fruits. Mais comment les plantes synchronisent-elles leurs actions avec les saisons ? La réponse se trouve dans les phytochromes.
La molécule du phytochrome
Les phytochromes sont simplement des molécules, des groupes d’atomes assemblés en une structure moléculaire 3D. Ils existent dans deux états : Pr et Pfr. Lorsqu’il est exposé à la lumière rouge (620-750 nm), le phytochrome passe de l’état Pr à l’état Pfr. Si un phytochrome à l’état Pfr absorbe une lumière rouge lointaine (700-800 nm), il revient à son état Pr.
Comment le phytochrome détecte les saisons.
La lumière rouge est plus présente pendant les heures de clarté, ce qui entraîne la conversion de Pr en Pfr. À la tombée de la nuit, les phytochromes Pfr se dégradent naturellement en Pr. Par conséquent, le rapport Pr/Pfr fluctue au cours d’une journée de 24 heures, revenant à l’équilibre après la tombée de la nuit.
Cependant, au printemps et en été, l’allongement de la durée du jour entraîne une diminution du rapport Pr/Pfr, qui se maintient pendant plusieurs jours et atteint un seuil qui déclenche la photomorphogenèse.
Pendant les mois d’hiver, avec des jours plus courts, il y a moins de lumière rouge et le rapport Pr-Pfr augmente, ce qui inhibe la photomorphogenèse.
Ce rapport est généralement représenté sous forme de pourcentage (Fig.6), mais nous l’appellerons le rapport Pr-to-Pfr.
Voir un autre article sur le PSS (Phytochrome Photostationary state) ici.
Fig 5 – Le phytochrome est une molécule qui change de forme après avoir absorbé la lumière.
Figure 6 – L’état du phytochrome est basé sur un pourcentage de rapport entre ses deux formes.
La croissance de la tige est la division cellulaire
L’allongement des tiges, l’expansion des feuilles, la floraison et le développement des fruits se manifestent par la division cellulaire, qui est finalement contrôlée par le matériel génétique de l’ADN dans le noyau de la cellule végétale.
Le noyau reçoit régulièrement des signaux environnementaux et des événements de signalisation (par exemple, l’activité des phytochromes) pour déterminer si une action, telle que la division cellulaire, est nécessaire. Lorsqu’il sent que les conditions sont mûres pour la division cellulaire, le noyau déclenche le« cycle cellulaire« , c’est-à-dire le processus de division cellulaire.
Outre l’état du phytochrome, d’autres conditions environnementales doivent être vérifiées avant que la division cellulaire n’ait lieu :
- Température
- Humidité
- Disponibilité des nutriments et de l’eau
- Activité hormonale (oui, les plantes ont aussi des hormones)
- Activité enzymatique (liée à l’activité hormonale)
- Interaction avec d’autres photorécepteurs
Cela signifie que même si l’activité des phytochromes favorise la division cellulaire, elle peut ne pas déclencher la photomorphogenèse en raison, par exemple, de températures extrêmement froides. Il s’agit d’un processus hautement orchestré et étroitement contrôlé.
Fig 7 – Le noyau de la cellule végétale contrôle toutes les fonctions de la division cellulaire.
Figure 8 – La quatrième étape du cycle cellulaire est la division cellulaire (Mitose) – par Ali Zifan (wikipedia-CCBY-SA 4.0)
Fig 9 – De la graine à la germination
De la graine à la pousse
Les graines réagissent aux variations saisonnières de la lumière – en cas de soleil intense et de jours longs, la lumière rouge est abondante, le rapport Pr/Pfr est faible et les conditions de germination sont favorables.
Cependant, il arrive souvent que les graines tombent dans des zones ombragées sous la canopée, où la lumière rouge est plus faible et la lumière rouge lointaine plus forte. Ce phénomène est dû au fait que les feuilles de la canopée absorbent la lumière rouge mais laissent passer la lumière rouge lointaine à travers la feuille.
Cette disproportion de la lumière rouge lointaine sous la canopée entraîne un niveau Pr plus élevé, indiquant de mauvaises conditions d’éclairage. Au lieu d’essayer de germer et d’atteindre la lumière, les graines inhibent la germination. Il s’agit d’un mécanisme de survie, qui consiste à ne pas gaspiller les ressources et à rester en sommeil jusqu’à ce que de meilleures conditions arrivent.
De la germination à la plantation
Lorsqu’une jeune pousse se transforme en véritable plante, elle suit les mêmes schémas saisonniers d’attente de jours plus longs et de lumière rouge.
Si une plante se trouve dans une zone ombragée ou sous la canopée, elle perçoit davantage de lumière rouge lointaine (Pr/Pfr plus élevé), mais contrairement à la dormance des graines, la plante tentera d’atteindre la lumière par l’allongement de la tige et l’expansion des feuilles.
Il existe un deuxième type de photorécepteur, appelé phototropine, qui réagit à la lumière bleue et à la lumière UV-A. Il est principalement considéré comme un moyen d’orienter la plante vers la lumière. On les trouve surtout à l’extrémité des branches. Les phytotropines peuvent détecter si la lumière éclaire d’un côté et pas de l’autre et se courber alors vers la lumière.
Figure 10 – Sous la canopée, dans des conditions de faible luminosité, les plantes réagissent à la lumière rouge lointaine par l’allongement des tiges et l’expansion des feuilles.
Original Plant Images by Freepik
Les plantes savent quand arrêter leur croissance : Cryptochromes
Les plantes ne peuvent pas croître indéfiniment, c’est pourquoi il existe un mécanisme d’inhibition de la croissance.
Lorsqu’une plante s’étend au-dessus de la canopée, ses feuilles sont exposées à l’ensemble du spectre de la lumière solaire, y compris la lumière bleue (400-500 nm) et les UV-A (320-400 nm). À ce stade, les cryptochromes entrent en jeu. Ces photorécepteurs absorbent ces longueurs d’onde de la lumière mais agissent en inhibant la croissance des tiges et des feuilles.
Cette inhibition a un but : une hauteur excessive peut rendre les plantes plus vulnérables aux effets du vent et de la gravité, tout en entravant l’absorption efficace des nutriments et de l’eau. C’est une adaptation à la survie que d’essayer de rester court et compact.
Fig 11 – Lorsqu’une plante dépasse la canopée, la lumière bleue et les UV-A activent les chryptochromes pour inhiber la croissance.
Original Plant Images by Freepik
De la plante à la fleur
Le processus de floraison et de fructification est en grande partie le même. Des jours plus longs avec une augmentation de la lumière rouge conduisent à la transformation de Pr en Pfr, réduisant le rapport Pr/Pfr et encourageant la floraison.
Certaines plantes sont classées comme plantes de jours longs et fleurissent lorsque les jours sont plus longs avec un rapport Pr/Pfr plus faible. À l’inverse, les plantes de jours courts fleurissent lorsque les jours sont plus courts et que le rapport Pr/Pfr reste plus élevé. Cela signifie que certaines plantes, comme le Poinsettia, fleurissent généralement pendant les mois d’hiver.
Figure 12 – Photo de ameenfahmy sur Unsplash
De la plante au fruit
Le parcours de la plante au fruit varie d’un arbre ou d’une plante fruitière à l’autre. Par exemple, les pommiers sont sensibles à la longueur du jour et à l’activité du phytochrome, qui influence la fructification.
En revanche, les plantes neutres par rapport au jour, comme les citronniers, commencent à fructifier en fonction de facteurs tels que la régulation hormonale, la température, les précipitations et l’humidité du sol. Dans les climats doux, les citronniers peuvent porter des fruits tout au long de l’année, malgré les variations saisonnières de l’éclairage.
Fig 13 – Photo de Zoe Schaeffer sur Unsplash
Relation entre la photosynthèse et la photomorphogenèse
La photomorphogenèse comporte de nombreuses activités, qui nécessitent toutes de l’énergie. D’où vient cette énergie ? Il provient du sucre, qui est le sous-produit de la photosynthèse.
La photosynthèse s’appuie sur la photomorphogenèse pour croître et atteindre la lumière afin que les feuilles puissent l’absorber pour fabriquer du sucre. La photomorphogenèse s’appuie sur la photosynthèse pour fournir les sucres nécessaires à toutes ses activités.
Figure 14 – La photosynthèse et la photomorphogenèse partagent une relation symbiotique
Applications pratiques de la compréhension de la photomorphogenèse
Les agriculteurs spécialisés de haut niveau et les organismes de recherche continuent d’utiliser des techniques d’éclairage pour améliorer les stratégies de croissance des plantes. Ils utilisent des éclairages LED dynamiques et des PAR-mètres spectraux pour manipuler et mesurer l’éclairage rouge, rouge lointain et bleu, en tirant parti des informations sur la photomorphogenèse pour améliorer la qualité, la quantité et la rapidité d’exécution de leurs produits.
Fig 15 – Les PAR-mètres spectraux mesurent la lumière liée à la photomorphogenèse.
Résumé
Nous venons de parcourir les bases de la photomorphogenèse, de la lumière à l’activation des phytochromes dans le cytoplasme, à la division cellulaire dans le noyau, et enfin à la croissance et au changement de la plante – c’est cela la photomorphogenèse.
Il convient toutefois de noter que les voies de signalisation lumineuse, les réactions chimiques, l’activité hormonale et enzymatique et l’expression génétique sont encore très étroitement imbriquées et complexes.
Il convient également de noter que les espèces végétales varient et présentent des particularités évolutives.
Mais nous espérions donner aux agriculteurs une longueur d’avance avec une vue d’ensemble de cet aspect évolutif fascinant de la biomécanique végétale et encourager de nouvelles stratégies de culture sous lumière pour améliorer la qualité et la rapidité de leurs produits.
Figure 16 – Photomorphogenèse
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Le siège d'UPRtek, la R&D et la fabrication sont tous basés à Taiwan, avec une représentation mondiale par le biais de nos revendeurs certifiés.
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