Redécouvrir la lumière blanche
Spectre large ou spectre étroit
Les technologies d'éclairage horticole se sont considérablement améliorées au cours du siècle dernier, mais la manipulation du spectre lumineux est un concept relativement nouveau. Les plantes ayant tendance à absorber le plus fortement la lumière rouge et bleue, les autres longueurs d'onde ont été considérées comme inutiles à leur croissance et à leur développement. Au fur et à mesure que la technologie LED progressait, la capacité à fournir des spectres individuels a fait de même, et les luminaires roses/violets ont inondé le marché de l'éclairage horticole. Malgré cet afflux de produits, la recherche sur l'éclairage des plantes a continué à explorer les nombreuses interactions entre les plantes et la lumière et a finalement commencé à décourager l'idée que les plantes n'avaient besoin que de deux spectres individuels pour une croissance optimale. Bien qu'il y ait encore beaucoup de divergences sur la fonction principale de la lumière dans la gamme des 550 nm à 600 nm ainsi que dans les bandes d'ondes du rouge lointain et de l'ultraviolet, la recherche a montré de nombreuses fonctions et même des avantages à incorporer ces spectres. Afin de vous aider à comprendre comment les plantes perçoivent la lumière, cet article examine les nombreux récepteurs et pigments connus que les plantes utilisent pour percevoir leur environnement et y répondre.
Comment les plantes utilisent la lumière
La perception de la lumière par les humains et les plantes utilise un grand nombre de molécules identiques, mais nos yeux sont plus facilement trompés. La lumière rouge, bleue et verte à bande étroite, lorsqu'elle est mélangée dans les bonnes proportions, est perçue comme de la lumière blanche par l'œil humain. Cependant, une plante est tout à fait consciente du fait qu'elle reçoit trois spectres individuels et ses habitudes de croissance démontrent cette perception. La lumière blanche à large spectre peut se présenter sous de nombreuses formes en fonction de la source. Pour l'œil humain, ces différents spectres sont généralement perçus comme plus froids (bleus) ou plus chauds (orange/rouge), selon qu'il s'agit d'une lampe aux halogénures métalliques ou d'une lampe à vapeur de sodium à haute pression ou, dans le cas des LED et des ampoules fluorescentes, selon le type de revêtement phosphorescent utilisé. Pour une plante, cependant, chaque longueur d'onde individuelle peut favoriser un comportement de croissance et une réponse photomorphogénique différents.
Les photons entrants sont absorbés par les pigments, qui absorbent la lumière sous forme d'énergie, et par les photorécepteurs, qui perçoivent la lumière sous forme de signal. Lorsqu'ils sont absorbés par le pigment le plus connu, la chlorophylle, les photons peuvent être utilisés pour stimuler la photosynthèse et la croissance. Cependant, la chlorophylle seule, avec son large spectre d'absorption, ne suffit pas à récolter efficacement la lumière. Le "complexe d'antennes" est un concept qui décrit comment des pigments accessoires tels que les caroténoïdes peuvent aider à capter la lumière que la chlorophylle n'absorbe pas ou à dissiper l'excès de lumière sous forme de chaleur (extinction non photochimique) lorsque les centres de réaction photosynthétiques sont surchargés d'énergie entrante.
Pigments accessoires sont principalement des caroténoïdes tels que le bêta-carotène, la lutéine, la zéaxanthine, l'anthéraxanthine et la violaxanthine. Ces pigments sont de couleur jaune à orange et absorbent le plus fortement dans la gamme de 450 nm à 550 nm. Certains de ces pigments changent de forme en fonction des conditions d'éclairage par des processus appelés époxydation et désépoxydation. Si la fluence est trop élevée, l'appareil photosynthétique peut être endommagé. Il est donc important qu'une plante soit capable de gérer cette énergie entrante. Sous la lumière pure du soleil, où la fluence peut fluctuer tout au long de la journée, le complexe d'antennes s'ajuste pour accepter ou dissiper la lumière. Lorsque la fluence est faible, la violaxanthine capture les photons et transfère cette énergie à la chlorophylle, améliorant ainsi l'efficacité de l'absorption de la lumière. Lorsque la fluence est élevée, la violaxanthine est désépoxydée (convertie) en zéaxanthine qui dissipe alors les photons excédentaires sous forme de chaleur. Le bêta-carotène fonctionne de manière similaire à la violaxanthine et la lutéine fonctionne comme la zéaxanthine, mais sans ce processus d'interconversion appelé "cycle de la xanthophylle". Ce flux d'énergie entre les pigments se produit spontanément lorsqu'ils sont "excités" par des photons. Il est intéressant de noter que les caroténoïdes qui protègent les plantes de la lumière et améliorent leur capacité à la capter peuvent également remplir des fonctions similaires dans les yeux de nombreuses espèces animales. Il existe plusieurs autres pigments végétaux qui ne sont pas associés au complexe photosynthétique de capture de la lumière, notamment l'anthocyanine et le lycopène. Bien que ces composés absorbent la lumière, leur principale fonction est de protéger les cellules et l'ADN contre les rayons UV nocifs et d'éliminer les "radicaux libres" tels que le peroxyde d'hydrogène, afin d'éviter que les cellules ne subissent d'autres dommages.
Photorécepteurs Dans la plupart des cas, les photorécepteurs sont des protéines associées à un "chromophore" qui absorbe certaines longueurs d'onde de la lumière et envoie ensuite à la plante un signal qui influence la photomorphogenèse. Il existe plusieurs types de photorécepteurs et leurs plages d'absorption de la lumière se chevauchent. Cryptochromes utilisent la lumière dans la gamme de 300 nm à 500 nm, bien qu'ils absorbent le plus fortement à 350 nm (UV-A) et 450 nm (bleu). Ce récepteur, lorsqu'il est excité par la lumière, empêche l'élongation des hypocotyles (tige principale des plantules) et intervient même dans la floraison et la photopériode chez certaines espèces. Phototropines sont également des photorécepteurs absorbant le bleu/UV-A, mais avec un pic d'absorption beaucoup plus important à 450 nm. On pense qu'ils régulent le phototropisme (processus par lequel les plantes se déplacent en réponse à la lumière), l'ouverture des stomates (ouverture et fermeture), le mouvement des chloroplastes (organites photosynthétiques) à l'intérieur des cellules des feuilles et l'inhibition de l'expansion des feuilles. Phytochromes Les phytochromes sont parmi les photorécepteurs les plus connus, car ils peuvent fortement influencer la floraison. Il est peu connu que les phytochromes absorbent la lumière dans la gamme de 300 nm à 800 nm. La plupart des fonctions connues résultent toutefois des pics d'absorption à 660 nm dans la zone Pr et 730 nm dans la forme Pfr forme. Les phytochromes changent constamment de forme et atteignent un "photoéquilibre" (pour plus d'informations, voir le "Guide de la photomorphogenèse") qui est régulé par le rapport spectral et le PPFD présents dans l'environnement de croissance. En fonction du photo-équilibre du phytochrome, différents signaux sont envoyés aux voies métaboliques de la plante qui régulent de nombreux processus, notamment la germination, l'établissement de la plantule, l'élongation de la tige, l'expansion des feuilles et, bien sûr, la floraison et la photopériode. Les différents rapports de lumière R:FR reçus par une plante déterminent la façon dont la plante se développe en termes de compacité, de taille des fleurs, de nombre de fleurs, etc. Il existe plusieurs autres photorécepteurs récemment découverts et insuffisamment étudiés (récepteur UV-B corrélé à l'accumulation d'anthocyanes), mais ils ne seront pas abordés dans cet article.
Étant donné que les spectres d'absorption de ces photorécepteurs se chevauchent largement, la plupart des réponses photomorphogéniques sont corégulées. Certaines réponses peuvent être activées et désactivées par un récepteur, mais l'expression de cette réponse peut être amplifiée par un autre récepteur. L'énigmatique "horloge circadienne" qui régule tant de fonctions chez les plantes est le résultat de l'activité de multiples photorécepteurs qui entraînent un rythme de croissance basé sur la photopériode, le spectre lumineux et le PPFD. Ce rythme de croissance au sein d'une plante influence fortement les résultats photomorphogéniques. Cependant, tout comme la photosynthèse, il existe un spectre d'action pour toutes les réponses photomorphogéniques qui est dicté par un mélange de signaux provenant de ces photorécepteurs et qui ne reflète pas nécessairement le spectre d'absorption.
Supplémentation en longueurs d'onde spécifiques ou en spectre large
Lorsque vous envisagez d'utiliser un éclairage à bande étroite, les éléments les plus importants à prendre en compte sont de savoir si vos plantes sont déjà exposées à une lumière à large spectre (solaire pour les serres, ou un appareil à large spectre pour les applications d'éclairage à source unique) et quelles cultures vous cultivez. Lorsque les plantes sont déjà exposées à un éclairage à large spectre à partir d'une source unique, il est logique de compléter avec un éclairage à bande étroite uniquement s'il y a un effet photomorphogénique désiré que votre culture ne peut pas obtenir sans être exposée à une bande d'ondes spécifique. Cependant, si vous cultivez sous rayonnement solaire et avec une DLI élevée, votre culture peut ne pas être aussi sensible aux changements du spectre lumineux, car le rayonnement solaire est déjà assez large et peut noyer les avantages photomorphogéniques de l'éclairage à bande étroite. Un autre aspect à prendre en compte lors de la culture sous rayonnement solaire est la nécessité ou non d'augmenter la DLI. Si vous complétez avec un appareil à bande étroite comme méthode d'augmentation de la DLI, vous risquez de constater des incohérences dans la qualité du produit car le rayonnement solaire augmente et diminue tout au long de l'année, exposant vos cultures à des quantités différentes de lumière solaire et de lumière à bande étroite. Si votre DLI est constante et que vous souhaitez uniquement induire une réponse photomorphogénique telle que la coloration, la compacité ou l'enracinement, il peut être judicieux d'ajouter plus de lumière bleue. Cependant, la DLI a souvent plus d'impact sur les caractéristiques souhaitées que le spectre. Si vous cultivez une plante à fleurs/fruits et que vous souhaitez seulement encourager la croissance des fleurs/fruits (avec une DLI et une photopériode suffisantes), il peut être bénéfique d'ajouter plus de lumière rouge, car la lumière de 660 nm encourage les réponses du phytochrome dans de nombreuses espèces, ce qui envoie des signaux dans toute la plante pour encourager la croissance reproductive.
Conclusion
L'éclairage à bande étroite peut assurer une croissance acceptable pour de nombreuses espèces. Cependant, les plantes utilisent plusieurs photorécepteurs et pigments différents qui régulent de manière coopérative la croissance et le développement. Les plantes ont développé ces réponses photomorphogéniques sous un éclairage à large spectre et il est très rare qu'une espèce donnée exprime une réponse à un éclairage à bande étroite qui ne peut pas être obtenue par un éclairage à large spectre si la DLI est suffisante. Pour une qualité de produit constante et la capacité de produire un large éventail d'espèces cultivées sans complications dues à l'éclairage, les appareils à large spectre sont un choix plus sûr. Les différentes espèces peuvent réagir différemment aux changements de spectre lumineux. Des recherches sont constamment en cours pour nous aider à comprendre comment les cultures individuelles réagissent aux différents spectres lumineux et, dans certains cas, il existe des preuves évidentes du type d'éclairage qui convient le mieux à une culture. Si vous n'êtes pas sûr de la réaction de votre culture, il est prouvé que l'apport d'une lumière à large spectre améliore la qualité, la régularité et le rendement des cultures.
