Influence de l'intensité et de la qualité de la lumière
La croissance et le développement des plantes, comme la production de feuilles, de tiges, de racines et d'organes floraux, sont le résultat de processus métaboliques primaires. Les sous-produits de la photosynthèse sont transportés dans toute la plante et utilisés dans les tissus en développement. Cependant, il existe plusieurs autres processus dans les plantes, tels que la coloration, la lutte contre les prédateurs et les infections, la promotion de la pollinisation et des relations symbiotiques, et la défense contre les conditions environnementales telles que la lumière et la température. C'est ce que nous appelons le métabolisme secondaire. Lorsque ces processus entrent en jeu, les ressources sont détournées du métabolisme primaire (croissance) et utilisées pour générer divers attributs essentiels à la qualité des cultures du point de vue de la consommation humaine.
Lorsque nous consommons des plantes en tant qu'aliments ou médicaments, nombre de ces composés peuvent avoir des effets puissants sur les fonctions de base de l'organisme, atténuer les symptômes des maladies chroniques, prévenir les cancers et soulager les problèmes psychologiques généraux tels que l'anxiété et le stress. Dans des environnements contrôlés, nous pouvons influencer ces mécanismes de défense naturels des plantes en manipulant l'intensité et la qualité de la lumière. Il est important de tenir compte du fait qu'il existe un compromis entre l'encouragement de la croissance des plantes (métabolisme primaire) et l'augmentation de la production de métabolites secondaires susceptibles d'améliorer la qualité de votre récolte. Dans cet article, nous nous concentrons sur les métabolites secondaires (flavonoïdes, terpènes, cannabinoïdes et autres) que les plantes produisent en réponse aux signaux environnementaux, sur la manière dont ils affectent la qualité de la récolte et sur ce que vous pouvez faire pour tirer parti de ces mécanismes.
Flavonoïdes
Dans les plantes, les flavonoïdes servent principalement à attirer les insectes (coloration du pollen), à signaler l'établissement de relations avec les microbes du sol, à anticiper et à éliminer les composés susceptibles de provoquer le photoblanchiment et l'inhibition de la croissance, et à photoprotéger (dissiper les longueurs d'onde nocives pour protéger les cellules). Les anthocyanes sont une classe de flavonoïdes visibles sous la forme d'une coloration rouge à violette du tissu foliaire. Les laitues et les herbes à feuilles rouges contiennent souvent de grandes quantités de ces flavonoïdes, qui fonctionnent essentiellement comme un écran solaire pour les plantes. Lorsque la surface d'une feuille est exposée à des longueurs d'onde bleues (400-500 nm) ou ultraviolettes (300-400 nm) d'une intensité suffisamment élevée (différente selon les espèces), le métabolisme secondaire de la plante est déclenché pour plusieurs raisons. La lumière bleue et la lumière ultraviolette (UV) ont des fréquences très élevées, ce qui signifie qu'elles transportent une énorme quantité d'énergie qui peut endommager diverses fonctions cellulaires au sein de la plante. Afin de protéger ces tissus de l'énergie entrante et de nettoyer les "radicaux libres" produits dans la cellule, les plantes produisent des anthocyanes.
L'accumulation d'anthocyanes en réponse à la lumière bleue ou UV augmente avec l'intensité lumineuse. Finalement, un équilibre entre la photoprotection par les anthocyanes et la capture de la lumière par les terpénoïdes (chlorophylle et caroténoïdes) s'établit. Il est important de souligner qu'il s'agit d'un processus secondaire de la plante, qui détourne l'énergie de la croissance. Si l'intensité est suffisamment élevée, on peut observer un changement visible dans la coloration de la culture. La lumière verte (500-550 nm) peut inverser de nombreuses fonctions des plantes qui sont autrement stimulées par l'exposition à la lumière bleue. Un excès de lumière verte par rapport à la lumière bleue peut complètement inverser cette réaction. Une laitue à feuilles rouges cultivée sous une forte proportion de lumière verte peut ne pas devenir rouge du tout. Celles qui sont cultivées sous des lampes HPS (qui ont une très faible proportion de lumière bleue par rapport à la lumière verte, en particulier par rapport aux luminaires LED à large spectre) peuvent avoir du mal à stimuler la production d'anthocyanes dans les salades. L'incorporation d'un luminaire fournissant une lumière bleue supplémentaire n'est pas susceptible de stimuler la coloration des cultures, à moins qu'il n'y ait beaucoup plus de bleu que la portion de vert fournie par la lampe à haute pression. Dans ce cas, il peut être utile de modifier l'éclairage des cultures juste avant la récolte, une fois que la croissance souhaitée a eu lieu. C'est ce que l'on appelle un traitement lumineux de "fin de production" ou EOP.
Garrett Owen et Roberto Lopez ont démontré une augmentation de la coloration (du vert au rouge/rouge foncé) de quatre variétés de laitue lorsqu'elles reçoivent 100 µmol/m2/s d'éclairage LED supplémentaire (rouge, bleu et un rapport 1:1) pendant 5 à 7 jours avant la récolte. Leur recherche a également démontré que des augmentations progressives de l'intensité lumineuse supplémentaire de 0 à 100 µmol/m2/s entraînaient des quantités croissantes de pigmentation. Ces variétés ont également été cultivées sous des luminaires HPS (fournissant 70 µmol/m2/s supplémentaires), mais ce traitement EOP n'était pas d'une qualité lumineuse suffisante pour atteindre le niveau de coloration souhaité pour le marché. Le message à retenir pour la mise en œuvre de traitements EOP visant à améliorer la qualité des récoltes est que la coloration des récoltes est plus sensible à la lumière bleue, à condition qu'elle soit fournie à une intensité suffisante. En outre, pour éviter l'inhibition de la croissance, ce type d'éclairage supplémentaire est plus efficace lorsqu'il est utilisé en tant que traitement EOP.
Terpènes
Contrairement aux flavonoïdes, qui sont principalement perçus comme amers, les terpènes ont des parfums et des saveurs distincts. Ce sont des huiles très fluides qui confèrent de merveilleux attributs aux fleurs, aux herbes et aux plantes médicinales et qui augmentent considérablement la qualité des produits s'ils sont produits en quantités suffisantes. Par exemple, le limonène est le principal terpène présent dans l'huile essentielle de citron et le myrcène dans celle de mangue. Ces mêmes terpènes peuvent être produits par d'autres espèces telles que diverses herbes et même le cannabis. La plus grande concentration se trouve généralement dans les trichomes non glandulaires (tels que les poils des feuilles de tomate ou de cannabis) et les trichomes glandulaires (tels que les têtes bulbeuses observées sur les feuilles de sucre et les calices de cannabis). L'impact des différentes longueurs d'onde sur la biosynthèse des terpènes a fait l'objet de recherches limitées, mais plusieurs physiologistes végétaux pensent que des longueurs d'onde spécifiques sont nécessaires à l'activation des composants métaboliques requis. En outre, l'augmentation de l'intensité lumineuse incite certaines plantes à produire davantage de trichomes glandulaires. Il existe des preuves que ces trichomes supplémentaires sont générés en tant que site de sécrétion de flavonoïdes défensifs (comme mentionné précédemment, ces composés protègent contre l'excès d'intensité lumineuse et la lumière UV). La synthèse accrue des trichomes glandulaires crée de nouveaux sites pour la biosynthèse et le stockage des terpènes, ce qui peut influencer les concentrations globales de terpènes chez plusieurs espèces végétales. D'une manière générale, la synthèse des terpènes est un sujet d'actualité pour les chercheurs qui étudient les effets de l'intensité et de la qualité de la lumière.
Cannabinoïdes
Les cannabinoïdes sont une classe unique de composés que l'on ne trouve que dans le cannabis. Ces huiles résineuses collantes sont produites dans les trichomes pendant la période de floraison et sont censées protéger les fleurs en développement des insectes (piège collant) ainsi que de l'excès de chaleur dans des conditions solaires changeantes. Il existe plus d'une centaine de cannabinoïdes différents, dont le Δ9-tétrahyrdocannabinol (THC), le cannabidiol (CBD), le cannabigérol (CBG), le cannabinol (CBN) et bien d'autres encore. Le CBG-A (la forme acide carboxylée du CBG) est le substrat précurseur de la production de THC et de CBD. Il ne produit pas le "high" typique de la marijuana, mais certains chercheurs évaluent des effets médicinaux spécifiques, tels que l'atténuation des symptômes de la neuropathie, des troubles cérébraux dégénératifs, du glaucome, de certains cancers et de l'anxiété. La plupart des variétés de cannabis ont été sélectionnées pour produire des quantités élevées de THC et/ou de CBD, laissant derrière elles de faibles concentrations de la plupart des autres cannabinoïdes qui possèdent de nombreuses qualités médicinales. En raison du statut légal actuel du cannabis auprès de la plupart des gouvernements fédéraux, il existe très peu de recherches universitaires sur les effets des différentes longueurs d'onde et de l'intensité sur la production de cannabinoïdes. Les travaux réalisés portaient sur des cultivars de qualité inférieure à ce que l'on trouve aujourd'hui sur le marché. Cependant, de plus en plus de recherches évaluées par des pairs sont menées sur le cannabis et, à mesure que les lois changent, des recherches de qualité seront publiées dans ce domaine.
Nous savons que la lumière UV et peut-être même la lumière bleue de courte longueur d'onde (~400-420nm) peuvent stimuler la production de cannabinoïdes, bien que la production de ces métabolites secondaires se produise de toute façon et que cet effet ne soit qu'un "coup de pouce" à la production et non une nécessité. Nous ne pouvons pas dire grand-chose sur les longueurs d'onde de la lumière qui entraînent une augmentation de la teneur en cannabinoïdes spécifiques, mais nous étudions continuellement les effets des différentes longueurs d'onde sur les métabolites secondaires.
Photo-acclimatation
Tant que le dioxyde de carbone, l'eau et les nutriments ne limitent pas la croissance de la plante et qu'il s'agit d'une espèce à croissance rapide, des intensités lumineuses plus élevées entraîneront une croissance plus rapide et une production accrue de métabolites secondaires. Cependant, une intensité lumineuse trop élevée peut endommager les cellules, en particulier chez les espèces sensibles, en produisant des radicaux libres tels que le peroxyde d'hydrogène à l'intérieur des cellules. En surface, vous pouvez remarquer cet effet sous la forme d'un photoblanchiment (taches blanches sur les feuilles) si la plante n'est pas photoacclimatée à cette intensité. De nombreux cultivateurs remarquent ce problème lorsqu'ils transfèrent des plantes d'une phase de propagation des semis ou d'enracinement dans laquelle l'intensité lumineuse est faible, à une phase hautement productive sous une intensité lumineuse élevée. Dans le cadre du processus de photoacclimatation, les espèces très productives ou à croissance rapide accumuleront probablement plus de chlorophylle pour capter plus de lumière. Si l'intensité est trop élevée, la production de divers caroténoïdes (pour plus d'informations, voir [...pigments et photorécepteurs]) augmente pour protéger les centres de réaction photosynthétiques et dissiper une partie de la lumière.
C'est pourquoi l'augmentation de l'intensité lumineuse peut avoir un rendement décroissant, étant donné que davantage de lumière est dissipée en réponse à une intensité lumineuse plus élevée. Pour une photoacclimatation productive de vos plantes avec peu ou pas de photoblanchiment (qui inhibe la croissance), il est préférable d'augmenter progressivement l'intensité lumineuse ou d'utiliser un voile d'ombrage pendant une semaine ou deux. L'acclimatation lente des plantes à des intensités lumineuses plus élevées peut être réalisée à l'aide d'éclairages à gradation, après avoir déterminé le PPFD souhaité (en fonction de la capacité de l'appareil et de l'espèce) et créé une série d'augmentations progressives de l'intensité (en commençant légèrement au-dessus de l'intensité de propagation) au fil du temps. Une méthode moins sophistiquée pour obtenir le même résultat (si vos lampes ne peuvent pas être graduées) consisterait à commencer avec une distance de séparation plante-lampe beaucoup plus grande que celle souhaitée, puis à rapprocher lentement la lampe des plantes (ou vice-versa) sur la même durée.
Comme indiqué précédemment, les anthocyanes peuvent s'accumuler dans les feuilles de nombreuses espèces en réponse à une lumière bleue ou UV d'intensité suffisante. Un mécanisme similaire protège les fruits de certaines cultures comme les tomates et les poivrons. Lorsque vous cultivez des poivrons verts, vous pouvez remarquer que certaines surfaces de fruits exposées à une plus grande quantité de lumière présentent des taches de couleur jaune à orange. Cette accumulation de caroténoïdes photoprotecteurs empêche les fruits d'être endommagés. Le lycopène, un caroténoïde de couleur orange à rouge, joue un rôle similaire dans les fruits de la tomate. Comme la plupart des autres métabolites secondaires induits par la lumière, la production de ces caroténoïdes s'accélère avec l'augmentation de l'intensité lumineuse.
Conclusion
Nous savons que la proportion de longueurs d'onde fournies aux plantes ainsi que l'intensité modifient complètement les résultats photomorphogéniques ainsi que les concentrations phytochimiques (métabolites secondaires). L'augmentation de l'intensité lumineuse induit la production de divers métabolites secondaires dans les plantes comme forme de protection. La lumière bleue et la lumière UV ont l'influence la plus puissante sur le métabolisme secondaire par rapport aux autres longueurs d'onde, et cette influence varie en fonction de l'intensité. Du point de vue de la production, ces métabolites améliorent souvent la qualité des produits en raison de leurs vertus médicinales pour l'homme et de leurs effets sur la coloration des cultures. Ces effets varient en fonction de la génétique en jeu et sont très variables d'une espèce à l'autre. Certaines espèces sont plus tolérantes à cette réaction et ont besoin d'intensités lumineuses plus élevées pour réagir, tandis que d'autres ne le sont pas. Une méthode éprouvée pour "obtenir le meilleur des deux mondes" consiste à utiliser un traitement EOP dans lequel les plantes poussent et se développent dans des conditions optimales pour le métabolisme primaire (large spectre), puis sont transférées sous un traitement lumineux favorisant le métabolisme secondaire (intensité plus élevée ou longueurs d'onde spécifiques) avant la récolte, une fois que la culture s'est fortement développée. Dans l'ensemble, l'aspect le plus important à retenir est que le métabolisme secondaire détourne les ressources de la croissance de la plante. Lorsque vous choisissez ou modifiez votre système d'éclairage, tenez compte de ces réactions innées des plantes pour vous assurer que votre système est optimal pour l'espèce et le marché que vous visez.
