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
Human and plant light perception use many of the same molecules, however, our eyes are more easily fooled. Narrow band red, blue, and green light when mixed in the right proportion are perceived as white light to the human eye. However, a plant is quite aware of the fact that it is receiving three individual spectra and its growth habit will demonstrate that perception. Broad spectrum white light can come in many forms depending on the source. To the human eye, we mostly perceive these different spectra as cooler (blue) or warmer (orange/red) depending if it is a metal halide or high-pressure sodium lamp, or in the case of LEDs and fluorescent bulbs, what type of phosphor coating is used. To a plant however, each individual wavelength may promote a different growth habit and photomorphogenic response.
Incoming photons are absorbed by pigments, which absorb light as energy, and photoreceptors which perceive light as a signal. When absorbed by the most known pigment, chlorophyll, photons can be used to drive photosynthesis and growth. However, chlorophyll alone with its wide-ranging absorption spectrum is not enough to efficiently harvest light. The “antenna complex” is a concept that describes how accessory pigments such as carotenoids can assist both in capturing light that chlorophyll does not absorb, or dissipating excess light as heat (non-photochemical quenching) when photosynthetic reaction centers are overloaded with incoming energy.
Accessory pigments are primarily carotenoids such as beta-carotene, lutein, zeaxanthin, antheraxanthin, and violaxanthin. These pigments are yellow to orange in color and absorb most strongly in the range of 450 nm to 550 nm. Some of these pigments change forms based on lighting conditions through processes called epoxidation and de-epoxidation. If fluence is too high, damage can occur to the photosynthetic apparatus, so it is important for a plant to be able to deal with this incoming energy. Under pure sunlight where fluence may fluctuate throughout the day, the antenna complex adjusts to accept or dissipate light. When fluence is low, violaxanthin will capture photons and transfer this energy to chlorophyll, improving efficiency of light absorption. When fluence is high, violaxanthin is de-epoxidated (converted) into zeaxanthin which then dissipates excess photons as heat. Beta-carotene functions similarly to violaxanthin and lutein functions like zeaxanthin but without this interconversion process called the “Xanthophyll Cycle.” This flow of energy between pigments occurs spontaneously as they become “excited” by photons. Interestingly, carotenoids that protect plants from light and improve their ability to capture light can also serve similar functions within the eyes of many animal species. There are several other plant pigments unassociated with the photosynthetic light-harvesting complex including anthocyanin and lycopene. Though these compounds do absorb light, their main function is to protect cells and DNA from damaging UV radiation as well as scavenge “free radicals” such as hydrogen peroxide, preventing further cellular damage.
Photoreceptors in most cases are proteins paired with a “chromophore” that absorbs certain wavelengths of light and then sends a signal to the plant that influences photomorphogenesis. There are several different types of photoreceptors and their light absorption ranges overlap. Cryptochromes use light in the range of 300 nm to 500 nm though it most strongly absorbs at 350 nm (UV-A) and 450 nm (blue). This receptor, when excited by light, prevents elongation of hypocotyls (main stem of seedlings) and even mediates flowering and photoperiod in some species. Phototropins are also blue/UV-A absorbing photoreceptors but with a much stronger absorption peak at 450 nm and are thought to regulate phototropism (process in which plants move in response to light), stomatal aperture (opening and closing), movement of chloroplasts (photosynthetic organelles) within leaf cells, and inhibition of leaf expansion. Phytochromes are some of the more famous photoreceptors as they can strongly influence flowering. It is a little known fact that phytochromes actually absorb light in the range of 300 nm to 800 nm. Most of the known functions however, are a result of the absorption peaks at 660 nm in the Pr form and 730 nm in the Pfr form. Phytochromes are constantly changing form and reach a “photoequilibrium” (more information available in the “Guide to Photomorphogenesis”) that is regulated by spectral ratio and PPFD present in the growing environment. Depending on the photoequilibrium of phytochrome, different signals are sent to metabolic pathways within the plant that regulate many processes including germination, seedling establishment, stem elongation, leaf expansion, and of course flowering and photoperiod. Different ratios of R:FR light received by a plant will dictate how the plant develops in terms of compactness, flower size, flower number, etc. There are several other newly discovered and under-researched photoreceptors (UV-B receptor correlated with anthocyanin accumulation) but these will not be discussed in this article.
Since there is much overlap in the absorption spectra of these photoreceptors, most photomorphogenic responses are co-regulated. Some responses may be turned on and off by one receptor, but the expression of that response can be amplified by another receptor. The enigmatic “circadian clock” that regulates so many functions within plants is a culmination of activity from multiple photoreceptors entraining a rhythm of growth patterns based on photoperiod, light spectrum, and PPFD. This rhythm of growth patterns within a plant strongly influences photomorphogenic outcomes however, just like photosynthesis, there is an action spectrum for all photomorphogenic responses that is dictated by a mixture of signals from these photoreceptors and does not necessarily mirror the absorption spectrum.
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.
