La lumière est la variable environnementale la plus importante pour la croissance des plantes. Les plantes sont des autotrophes qui ont acquis la capacité d'utiliser l'énergie lumineuse du soleil pour produire une source de nourriture grâce au processus de photosynthèse. Le processus est assez complexe et, pour les besoins de ce guide, nous pouvons utiliser cette définition simplifiée de la photosynthèse : l'utilisation de l'énergie lumineuse pour diviser l'eau (H2O) et fixer le dioxyde de carbone (CO2) pour former des hydrates de carbone (CH2O) et de l'oxygène (O2)(figure 1). L'objectif de ce guide n'est pas de discuter des réactions biochimiques de la lumière dans le cadre de la photosynthèse, mais d'aborder les différentes propriétés de la lumière et leur influence sur la photosynthèse. La qualité (spectre), la quantité (intensité) et la durée (photopériode) sont des propriétés de la lumière distinctes mais liées qui influencent la photosynthèse. La science qui sous-tend chaque propriété sera définie, puis l'application des propriétés sera discutée en ce qui concerne les systèmes d'éclairage horticoles.
Qualité spectrale de la lumière
Le rayonnement photosynthétiquement actif (PAR) est le principal moteur de la photosynthèse chez les plantes. Cependant, toutes les longueurs d'onde de la lumière ne sont pas aussi efficaces pour stimuler la photosynthèse. McCree et Inada ont réalisé plusieurs études dans les années 1970 afin de déterminer l'influence des spectres lumineux sur la photosynthèse. Ces recherches ont abouti à la création d'une courbe de réponse photosynthétique, aujourd'hui connue sous le nom de courbe de McCree. La courbe de McCree(figure 2) montre que la lumière rouge (600-700 nm) est presque deux fois plus efficace que la lumière bleue (400-500 nm) pour stimuler la photosynthèse, la lumière verte (500-600 nm) se situant entre les deux. Avant cette recherche, on pensait souvent à tort que la lumière verte n'était pas utilisée par les plantes pour la photosynthèse, puisque la chlorophylle absorbe principalement la lumière dans les parties rouge et bleue du spectre lumineux visible (d'où la couleur verte des feuilles des plantes). Cependant, des mesures précises et indépendantes de l'activité photosynthétique sous différentes longueurs d'onde effectuées par McCree et Inada ont démontré que la lumière dans le spectre vert (500 - 600 nm) est presque aussi efficace que la lumière bleue pour un nombre considérable d'espèces de plantes. L'explication de ce fait expérimental est que les plantes supérieures ont développé des solutions biochimiques et biophysiques (par exemple, des pigments accessoires) pour utiliser la lumière verte. Ces pigments accessoires (principalement des caroténoïdes) peuvent être considérés comme des molécules de stockage pour les photons qui ne sont pas directement absorbés par la chlorophylle.
La qualité spectrale de la lumière est un élément clé de la conception des systèmes d'éclairage horticole, en particulier dans les applications d'éclairage à source unique (absence de lumière solaire). Les systèmes d'éclairage traditionnels à décharge à haute intensité (HID) (sodium à haute pression et halogénures métalliques) ont toujours été limités lorsqu'il s'agissait de modifier la qualité spectrale de la lumière. L'utilisation de diodes électroluminescentes (DEL) pour les systèmes d'éclairage horticole permet aux fabricants de créer des qualités de lumière spectrale personnalisées et présente de nombreux autres avantages par rapport aux systèmes d'éclairage conventionnels, notamment : une efficacité élevée de la conversion photoélectrique, un faible rendement thermique et des intensités lumineuses réglables. La qualité de la lumière n'influence pas seulement la photosynthèse, mais aussi la morphologie des plantes, connue sous le nom de photomorphogenèse.
Intensité de la lumière
Le nombre de photons absorbés par des photorécepteurs spécialisés, les chloroplastes, influence directement le taux de photosynthèse. Le taux de photosynthèse augmente avec l'intensité lumineuse (PPFD), jusqu'à ce qu'un point de saturation soit atteint. Chaque espèce végétale a un point de saturation de la lumière différent où les niveaux de photosynthèse atteignent un plateau en fonction de l'environnement lumineux dans lequel elle a évolué. La saturation lumineuse se produit à des intensités beaucoup plus faibles chez les plantes qui ont évolué à l'ombre que chez celles qui ont évolué en plein soleil. Cependant, la saturation lumineuse se produit normalement (surtout chez les plantes solaires) lorsqu'un autre facteur (normalement leCO2) est limité(figure 3). Une autre considération importante concernant l'intensité lumineuse est connue sous le nom de point de compensation de la lumière. Les plantes ont une intensité lumineuse minimale requise pour favoriser une croissance d'entretien afin de les maintenir en vie. Comme on peut s'y attendre, le point de compensation de la lumière se produit à des intensités lumineuses plus élevées pour les plantes de soleil que pour les plantes d'ombre. Il est essentiel de fournir des intensités lumineuses adéquates avec une qualité spectrale de lumière correcte pour favoriser la croissance de nouvelles plantes.
Les systèmes d'éclairage horticole peuvent être utilisés de deux manières pour augmenter l'intensité de la lumière afin de favoriser la photosynthèse. La lumière supplémentaire peut être fournie par les systèmes d'éclairage dans les serres, généralement dans des conditions de limitation de la lumière (par exemple, les mois d'hiver dans les latitudes septentrionales, les conditions nuageuses ou une combinaison des deux), ou comme source unique de lumière photosynthétique dans un environnement intérieur contrôlé (par exemple, une chambre de croissance, un entrepôt, une tente de culture, etc. L'un des principaux avantages de l'utilisation des LED pour l'une ou l'autre application est la faible production thermique à la surface de la diode. L'obtention d'un PPFD très élevé avec les lampes HID a toujours été limitée par la distance à laquelle les lampes doivent être maintenues par rapport au couvert végétal, car ces lampes émettent un pourcentage élevé d'énergie sous forme de lumière infrarouge (IR). La lumière IR n'est pas photosynthétiquement active et augmente de manière significative la température des plantes. Par conséquent, une méthode pour atténuer cette réaction consiste à augmenter la distance entre la lampe et le couvert végétal (ce qui entraîne une diminution de l'intensité lumineuse et limite les environnements dans lesquels elles peuvent être utilisées à des installations à hauts plafonds). Avec une gestion thermique appropriée, les LED dissipent la majeure partie de leur chaleur à l'arrière de la diode. Par conséquent, les appareils d'éclairage peuvent être placés à des distances beaucoup plus faibles du couvert végétal, ce qui permet de fournir aux plantes des niveaux PPFD très élevés (≥ 1 000 µmol/m2/s).
Durée de la lumière
La durée d'exposition à la lumière (photopériode) est la durée pendant laquelle une plante est exposée à la lumière au cours d'une période de 24 heures. La durée d'une photopériode peut influencer l'intensité lumineuse globale qu'une plante reçoit en 24 heures, qui à son tour influence la croissance globale. Ce phénomène est décrit comme l'intégrale de lumière journalière(DLI), qui est définie comme le PPFD cumulé délivré pendant 24 heures, et est exprimée en mol/m2/j. La photopériode influence également le passage de la croissance végétative à la croissance reproductive chez plusieurs espèces végétales. Cependant, c'est en fait la période d'obscurité (skotopériode) et non la photopériode qui détermine le moment où certaines espèces passent à la croissance reproductive. Le photorécepteur phytochrome est principalement responsable de la signalisation de la transition vers la croissance reproductive dans les cultures photopériodiques(pour en savoir plus, cliquez ici pour lire notre guide sur la photomorphogenèse). Les plantes à jour court (nuit longue) fleurissent lorsque le phytochrome perçoit une longue nuit ininterrompue (généralement ≥ 12 heures). Les plantes à jour long (nuit courte) fleurissent pendant les nuits courtes (généralement ≤ 12 heures). Par ailleurs, plusieurs espèces de plantes sont neutres du point de vue diurne, la photopériode n'influençant pas la floraison.
Les systèmes d'éclairage horticole peuvent être utilisés pour fournir une lumière photopériodique afin d'allonger la durée du jour pour favoriser la floraison des plantes à jours longs ou supprimer la floraison des plantes à jours courts, quelle que soit la saison ou le climat. Traditionnellement, les lampes HID, incandescentes ou fluorescentes ont été utilisées pour fournir un éclairage photopériodique dans les serres. Cependant, ces technologies sont relativement inefficaces pour convertir l'énergie électrique en PAR. Les systèmes d'éclairage Fluence convertissent l'énergie électrique en PAR de manière plus efficace que ces technologies d'éclairage. Voir cette publication de l'Université d'État de l'Utah pour plus d'informations.
Conclusion
Les travaux des docteurs McCree et Inada ont été fondamentaux pour comprendre l'influence de la qualité spectrale de la lumière sur la photosynthèse ; cependant, l'étude de la photobiologie n'en est qu'à ses débuts et les progrès rapides des technologies LED ont permis aux chercheurs d'approfondir les travaux des phytotechniciens précédents. Il reste encore beaucoup à faire dans l'étude de la photobiologie, et Fluence Bioengineering travaille avec des phytotechniciens de renommée mondiale et des producteurs commerciaux pour continuer à explorer l'interaction entre la vie et la lumière.
