Guide de la photo-morphogenèse

Depuis de nombreuses années, nous savons que la lumière est responsable de la croissance des plantes par le biais de la photosynthèse ; Cependant, l'influence de la lumière sur le développement des plantes n'a été bien comprise qu'au cours du siècle dernier. La couleur de la lumière (qualité spectrale de la lumière) n'est pas seulement une variable importante pour la photosynthèse, mais elle agit également comme un paquet d'informations pour signaler les réponses développementales médiées par la lumière chez les plantes, telles que : la germination des graines, l'élongation des tiges et la floraison. Le terme utilisé pour décrire ces réponses chez les plantes est la photomorphogenèse (photo = lumière et morphogenèse = processus qui permet à un organisme de développer sa forme). La morphologie des plantes (architecture végétale) est extrêmement importante dans l'agriculture en milieu contrôlé où l'espace de culture vertical ou horizontal peut être limité. En fonction de l'architecture végétale souhaitée, il peut y avoir d'autres aspects des systèmes d'éclairage horticole à prendre en compte que la fourniture d'une source de lumière photosynthétique. Le rayonnement photosynthétiquement actif (400 - 700 nm) est principalement utilisé pour la photosynthèse.Cependant, les plantes peuvent percevoir des longueurs d'onde allant des UV-C (260 nm) au rouge lointain (730 nm) à l'aide de photorécepteurs distincts qui ne sont pas utilisés pour la photosynthèse. Ces photorécepteurs entraînent une réponse adaptative des plantes dans des conditions environnementales changeantes afin de réguler les étapes clés du développement des plantes qui dépendent fortement du spectre de la lumière et, dans certains cas, du moment, de la périodicité et de l'exposition globale. Cette dernière est généralement appelée fluence et se mesure en micromoles de photons par mètre carré de surface. Il existe des réponses de fluence très faible, faible et élevée, les niveaux de lumière suffisants correspondants allant de la lumière des étoiles (pour la fluence très faible) à la lumière directe du soleil (pour la fluence élevée). L'objectif de cet article est de décrire les réponses photomorphogéniques des plantes afin de vous aider à réfléchir.

Réactions à la lumière rouge et à la lumière rouge lointaine

En ce qui concerne la photomorphogenèse, les processus de développement les mieux compris sont ceux qui sont contrôlés par la lumière rouge et rouge lointain. (pour les besoins de cette discussion, nous désignerons par lumière rouge (R) la région spectrale située autour de 660 nm et par lumière rouge lointaine (FR) celle située autour de 730 nm). Pour mieux comprendre l'influence de ces deux régions spectrales sur le développement des plantes, il faut d'abord comprendre l'importance du pigment connu sous le nom de phytochrome, qui est responsable des réponses médiées par la lumière R et FR. Le phytochrome est une protéine pigmentaire qui existe sous deux formes interchangeables - une forme absorbant la lumière rouge (Pr) et une forme absorbant le rouge lointain (Pfr). Le phytochrome passe d'une forme à l'autre en absorbant la lumière correspondante jusqu'à ce qu'un équilibre soit établi (photoéquilibre du phytochrome), la quantité relative de chaque forme dépendant principalement du rapport entre la lumière R et la lumière FR dans le spectre lumineux. En d'autres termes, lorsque Pr absorbe la lumière R, il est converti en Pfr, et lorsque Pfr absorbe la lumière FR, il est converti en Pr (les spectres des deux formes se chevauchent quelque peu, et le phytocrome absorbe également une partie de la lumière bleue, mais pour les besoins de ce guide, nous n'en parlerons pas). La prévalence de l'une ou l'autre forme (qui dépend du rapport spectral R/FR) peut stimuler ou inhiber un certain nombre de processus de développement tels que : la germination des graines, le déroulement des feuilles, la formation de chlorophylle et l'élongation des tiges. En outre, le phytochrome est le facteur de contrôle de la promotion (ou de la suppression) de la floraison chez les espèces végétales photopériodiques. Par souci de concision et pour discuter des applications importantes liées aux systèmes d'éclairage horticoles, nous nous concentrerons sur l'influence du phytochrome sur la floraison et l'élongation des tiges.

Photopériodisme

Il existe des plantes à jours longs (qui ont besoin de nuits courtes pour fleurir)Les plantes à jours courts (nécessitant des nuits longues) et les plantes à jours neutres qui n'ont pas de besoins spécifiques en matière de photopériode. Cette dépendance à l'égard de la photopériode est appelée photopériodisme, mais c'est en fait la durée de la période d'obscurité (skotopériode) qui régule la floraison des espèces végétales photopériodiques. En l'absence de lumière, Pfr se transforme lentement en Pr, et plus la skotopériode augmente, plus la quantité relative de Pr augmente. Les plantes à jours longs (qui ont une skotopériode courte) ne fleuriront pas si Pfr se transforme en Pr pendant la skotopériode, tandis que les plantes à jours courts (qui ont une skotopériode longue) ne fleuriront que si Pfr se transforme en Pr pendant la skotopériode. Les réponses photopériodiques des phytochromes se produisent dans une gamme de fluence faible (aussi basse que 1 µmol/m2), de sorte qu'il suffit d'un bref éclair de lumière R pendant une skotopériode pour que Pr se transforme à nouveau en Pfr. Par exemple, la floraison d'une plante de jour long peut être induite par une interruption de la nuit, en utilisant une série de brefs éclairs de lumière rouge avec des niveaux de flux de photons aussi bas que quelques µmoles/m2/s. Inversement, les plantes de jours courts peuvent être amenées à fleurir par un seul flash de lumière FR pure au tout début de la photopériode d'obscurité, après avoir éteint toutes les autres lumières. Cela ajoute effectivement quelques heures à la période d'obscurité pour la floraison, ce qui peut être utilisé pour prolonger la période de lumière pour la croissance et optimiser ainsi les rendements des plantes. L'application des méthodes ci-dessus à des plantes dont les exigences en matière de photopériode sont opposées retarderait la floraison, ce qui peut aussi être souhaitable dans certains cas (par exemple, pour fournir des fleurs de la meilleure qualité possible à temps pour certains jours fériés). Une bonne stratégie d'économie d'énergie (et donc de réduction des coûts) consiste à utiliser un jeu de lampes pour la croissance et un autre pour le contrôle de la photopériode lorsque c'est nécessaire. La réponse du phytochrome se situant dans la gamme des faibles fluences, le nombre de luminaires nécessaires pour le contrôle de la photopériode peut être bien inférieur à celui des luminaires nécessaires à la croissance. En outre, le temps de fonctionnement nécessaire au contrôle de la photopériode peut être beaucoup plus court, par exemple quelques minutes à la fois. La lumière FR n'étant que partiellement photosynthétiquement active, son utilisation dans l'éclairage horticole est souvent limitée pour des raisons d'efficacité énergétique.

Réponse à l'évitement de l'ombre

Une autre réponse photomorphogénique R et FR importante pour les systèmes d'éclairage en horticulture est appelée réaction d'évitement de l'ombre. La lumière rouge lointaine est transmise à travers les tissus foliaires plus rapidement que la lumière rouge, ce qui entraîne un enrichissement de la lumière rouge lointaine par rapport à la lumière rouge pour les plantes cultivées sous des canopées. Lorsqu'un faible rapport R:FR est perçu par les pigments phytochromes, une réponse d'évitement de l'ombre est activée pour allonger les hypocotyles ou les tiges afin de dépasser les plantes voisines. Ceci est très important lorsqu'il s'agit de la qualité spectrale de la lumière des systèmes d'éclairage horticoles. Les éclairages photopériodiques qui fournissent un faible rapport R:FR pour favoriser l'écoulement peuvent également induire une réponse d'évitement de l'ombre chez les plantes, ce qui peut entraîner un port de croissance indésirable (en particulier si un port de croissance compact est préféré).

Réponse à la lumière bleue et verte

Réponse à la lumière bleue

Les cryptochromes et les phototropines sont deux importants photorécepteurs de la lumière bleue. La lumière bleue est importante pour toute une série de réponses des plantes, telles que la suppression de l'élongation des tiges, le phototropisme (flexion vers une source de lumière), le mouvement des chloroplastes à l'intérieur des cellules, l'ouverture des stomates et l'activation de l'expression des gènes (certains sont morphogéniques et d'autres non). L'ouverture des stomates et le contrôle de la hauteur sont particulièrement importants pour les systèmes d'éclairage horticoles. Une faible teneur globale en lumière bleue dans le spectre de croissance (par exemple, moins de 10 % du flux total de photons) peut entraîner un œdème foliaire (gonflement des feuilles) et des problèmes de développement chez plusieurs espèces de plantes. La teneur absolue en lumière bleue a un effet de plus en plus marqué sur la réduction de la hauteur des plantes. Cela peut être souhaitable dans certains cas (par exemple pour produire des semis plus compacts et réduire les coûts de transport), mais conduit généralement à une efficacité photosynthétique plus faible de la lumière en ce qui concerne la consommation d'énergie. Une teneur relative élevée en lumière bleue réduit la surface foliaire de la plante et peut être indésirable pour cette raison. La lumière proche de l'UV a un effet similaire à celui de la lumière bleue, avec une efficacité photosynthétique encore plus réduite, en particulier en dessous de 400 nm (bien que les autres effets puissent être plus importants en comparaison). Elle affecte également la biosynthèse des composés responsables de la saveur de certains fruits, l'augmentation de la concentration en anthocyanes, ainsi que celle d'autres composés qui ne sont pas directement produits par la seule photosynthèse. Lorsque l'utilisation de la lumière UV proche est nécessaire pour contrôler un mécanisme sensoriel correspondant ou la production d'une molécule spécifique d'intérêt par la plante, il peut être nécessaire de parvenir à un compromis en termes d'efficacité globale, de la même manière que pour l'utilisation de la lumière rouge lointaine.

Réponse au feu vert

La lumière verte (500 - 600 nm) est le spectre le moins bien compris en ce qui concerne les réponses photmorphogéniques des plantes. Les effets de contrôle de la lumière verte sont généralement opposés à ceux de la lumière rouge et bleue. Par exemple, il a été démontré que la lumière verte inversait la réduction de la hauteur des plantes et l'accumulation d'anthocyanes induites par la lumière bleue. Les photorécepteurs phytochromes et cryptochromes mentionnés précédemment réagissent également à la lumière verte, mais dans une mesure nettement moindre que pour la lumière rouge ou bleue. Jusqu'à présent, tous les efforts déployés par les chercheurs pour trouver des photorécepteurs répondant principalement à la lumière verte n'ont pas donné de résultats définitifs. Toutefois, il convient de mentionner que l'ajout de la lumière verte dans le spectre des systèmes d'éclairage horticole s'est avéré bénéfique pour la croissance de plusieurs espèces de plantes. Comme la lumière rouge lointaine, la lumière verte pénètre plus profondément dans les feuilles et les canopées que la lumière rouge ou bleue, et peut augmenter de manière significative le taux de photosynthèse. L'ajout de lumière verte améliore également de manière significative l'indice de rendu des couleurs (IRC) d'un système d'éclairage horticole, ce qui permet aux producteurs de surveiller efficacement les cultures pour détecter les maladies ou les symptômes de carence en nutriments ou de toxicité, sans avoir recours à des lunettes spécialisées.

Conclusion

Dans les systèmes d'éclairage horticole, il existe un certain nombre de choix, en particulier lorsqu'il s'agit d'utiliser des lampes à LED.La qualité de la lumière peut varier d'une composition spectrale à bande étroite (rose ou violet) à un large spectre (souvent appelé blanc). En fonction de la culture que vous produisez, le choix d'un système d'éclairage horticole à LED avec la qualité de lumière appropriée est essentiel, non seulement pour stimuler la photosynthèse, mais aussi pour obtenir les réponses morphologiques souhaitées. Les systèmes Fluence PhysioSpec Broad R4 et Greenhouse ont été personnalisés pour fournir les meilleures réponses photosynthétiques et photomorphogéniques à une variété d'espèces végétales. Fluence fournit également des spectres lumineux personnalisés pour déclencher les réponses photomorphogéniques.