Pourquoi le Tournesol tourne-t-il sa tête vers le soleil ? Pourquoi certaines plantes ne fleurissent-elles que la nuit ? Pourquoi d’autres sont plus odorantes à certains moments de la journée? Une partie de la réponse vient d’un mot : la lumière.

Bien plus qu’un simple éclairage, la lumière est pour les plantes un signal, une source d’énergie, une horloge biologique. Elle guide leur croissance, leur développement et leur comportement.

Dans cette série d’articles, nous explorons comment la lumière influence le monde végétal. Le premier épisode s’intéressait au rôle vital de la photosynthèse : lien article. Ce deuxième article explore comment la lumière agit comme un signal déclencheur de nombreuses fonctions essentielles chez les plantes.

Épisode 2 : La lumière, un signal qui déclenche des mécanismes clés chez la plante

Si la lumière est indispensable à la photosynthèse, qui produit l’énergie vitale de la plante, elle joue aussi un rôle d'information, un langage que les plantes savent décrypter, grâce à des récepteurs sophistiqués. 

Le rôle des photorécepteurs dans la perception de la lumière

Contrairement aux animaux, les plantes n’ont ni yeux, ni systèmes nerveux leur permettant de voir la lumière. Toutefois, grâce aux photorécepteurs, elles sont capables de percevoir de nombreuses informations sur la lumière diffusée et vont adapter leurs comportements aux signaux reçus.

Perception de la qualité de la lumière

La qualité de la lumière correspond à sa composition en différentes longueurs d’ondes : rouge, vert, bleu, rouge lointain (far red) et ultraviolet.

Les longueurs d'onde visibles pour les humains vont des couleurs violettes aux couleurs rouges. Les plantes quant à elles sont sensibles aux longueurs d'onde situées dans la plage visible par l'homme, ainsi qu'à celles des régions adjacentes ultraviolets et infrarouges. Les longueurs d’onde sont mesurées en nanomètres.

A noter : La lumière que nous percevons comme blanche est en fait une lumière composée de multiples longueurs d'onde. Ces couleurs correspondent aux différentes parties du spectre lumineux visible par l’homme.

Vous l’avez déjà vue se décomposer ! Lorsqu'un faisceau de lumière blanche traverse un prisme ou passe à travers une goutte d'eau (comme dans un arc-en-ciel), il se décompose en ces différentes couleurs.

 La capture des différentes longueurs d'onde de la lumière se fait par des  récepteurs de lumière de la plante : les photorécepteurs 1

Photorécepteurs : des capteurs de lumière essentiels

• La chlorophylle absorbe principalement la lumière bleue et rouge, et elle réfléchit la lumière verte. C'est ce qui fait que nous voyons les plantes vertes. La chlorophylle est essentielle pour que la plante puisse capter la lumière et fabriquer son énergie par photosynthèse.

Pour plus de détails, n’hésitez pas à consulter notre 1er article sur la photosynthèse.

• Les cryptochromes sont des récepteurs qui répondent à la lumière bleue et à la lumière UVA. Ils sont impliqués dans les fonctions stomatiques, la régulation des rythmes circadiens, l’inhibition de l’élongation de la tige et la floraison.
• Les phototropines captent la lumière bleue. Ils sont responsables de l’orientation de la plante en fonction de la lumière (phototropisme), de l’ouverture stomatique.
• Les UVR8 sont des récepteurs qui aident les plantes à détecter la lumière UV-B

La photomorphogenèse : un signal lumineux à l’origine de changements morphologiques

La photomorphogenèse est un processus fondamental au cours duquel la lumière agit comme un signal pour guider le développement des plantes afin d'obtenir les ressources nécessaires à leur survie (c'est-à-dire accès à de la lumière, accès à de la nutrition, etc.). Dans le cadre de la photomorphogenèse et contrairement à la photosynthèse, ce procédé utilise une faible quantité d’énergie lumineuse, la lumière y joue plutôt un rôle de signal.

Impact de la photomorphogenèse sur la plante

• Lorsqu'une plante reçoit de la lumière bleue, l'entre-noeud (la distance entre les feuilles sur la tige) devient plus court, rendant la plante plus compacte. Cela permet à la plante de mieux utiliser la lumière disponible, particulièrement dans des environnements où la lumière est limitée, comme sous d'autres plantes ou dans des conditions de faible luminosité.

NB : la lumière bleue est importante pour les semis et les jeunes plants parce qu'elle réduit l'étirement et favorise une structure solide, compacte et robuste.

• La lumière rouge favorise la croissance verticale des plantes, ce qui permet aux tiges de s'allonger plus rapidement. Cela est particulièrement important pour les plantes qui doivent atteindre la lumière dans un environnement dense ou ombragé, comme dans les forêts. En réponse à la lumière rouge, les plantes peuvent étirer leurs tiges et atteindre plus facilement des sources lumineuses.

NB : la lumière rouge est importante pour la régulation de la floraison et la production de fruits

• Le syndrome d'évitement de l'ombre (ou shade-avoidance syndrome) est une réponse adaptative des plantes lorsqu'elles sont privées de lumière, souvent à cause de la concurrence d'autres plantes. Alors que le rouge est absorbé par les plantes, le rouge lointain est transmis. Les plants à l’ombre de la canopée répondent à une augmentation du ratio R (rouge) / Fr (far red), synonyme d’ombrage, par une élongation permettant d’atteindre la lumière. Les plantes allongent leurs entre-nœuds pour se rapprocher des zones mieux éclairées, ce qui augmente leur croissance verticale.

Autres impacts de la photomorphogenèse : 

Ouverture des cotylédons

Les cotylédons, premières feuilles embryonnaires, restent fermés et incolores en absence de lumière. Lorsqu’ils sont exposés à une source lumineuse :

• Ils s’ouvrent et s’étalent, s’écartant de l’axe central de la plante.
• Ils deviennent verts grâce à l’activation de la chlorophylle.
• Ils commencent à photosynthétiser, assurant ainsi l’apport énergétique de la plantule. Cette ouverture est un signe clair que la plante entre dans sa phase autotrophe, c’est-à-dire capable de produire sa propre énergie via la photosynthèse.

Développement des feuilles

Sous l’effet de la lumière, la plante engage un développement foliaire actif :

• Les primordiums foliaires — petits bourgeons au sommet de la tige qui vont former les futures feuilles de la plante -  se développent plus rapidement.
• Les feuilles prennent une forme plus large et aplatie, augmentant la surface de capture lumineuse.
• La structure interne des feuilles se spécialise : formation des tissus palissadiques — tissus composés de cellules allongées, serrées et riches en chloroplastes — et spongieux — tissus plus lâches et remplis d’espaces d’air, favorisant les échanges gazeux.

Ce développement est crucial pour permettre à la plante de capter un maximum d’énergie lumineuse et de réguler les échanges gazeux avec son environnement.

Production de pigments

La lumière stimule la synthèse de plusieurs pigments essentiels au métabolisme et à la protection de la plante :

• Chlorophylle : pigment vert responsable de la capture de l’énergie lumineuse pour la photosynthèse.
• Caroténoïde : pigment jaune et orange ayant un rôle dans la photoprotection et la dissipation de l’excès d’énergie lumineuse.
• Anthocyane : pigment rouge, violet ou bleu qui peut apparaître dans certaines conditions lumineuses et offrir une protection contre les UV ou le stress oxydatif.

Cette pigmentation est fonctionnelle (photosynthèse, photoprotection) et donne un indicateur de la qualité et de l’état physiologique de la plante.

La lumière et la physiologie de la plante

Au-delà de son impact morphologique, la lumière agit comme un puissant signal physiologique, régulant plusieurs fonctions vitales chez la plante :

Ouverture des stomates

• La lumière bleue stimule l'ouverture des stomates sur les feuilles. Ces petites ouvertures permettent à la plante de respirer (faire entrer le CO₂ nécessaire à la photosynthèse) et de transpirer (perdre de l'eau sous forme de vapeur). Une bonne gestion de l'ouverture des stomates aide la plante à réguler sa température et sa consommation d'eau.
• La lumière rouge influencent la fermeture des stomates lorsqu'une plante fait face à des conditions de dessiccation

A noter sur les rapports eau, énergie et rendements dans la plante : la majeure partie de l’énergie solaire incidente - énergie solaire qui arrive sur la surface de la Terre - est convertie en chaleur latente (évapotranspiration), tandis que seulement 1 à 5% sert à la photosynthèse (2) pour fixer le CO2 et fabriquer de la biomasse 2. Le rapport entre la quantité d’eau évaporée et la biomasse produite s’appelle Water Use Efficiency (WUE), ou efficacité d’utilisation de l’eau. Il est ainsi essentiel d’optimiser au maximum l’usage de l’eau et de la lumière pour rendre la culture la plus efficace possible.

Rythmes circadiens

Grâce aux photorécepteurs comme les phytochromes, sensibles à la lumière rouge et rouge lointain, la plante module son horloge biologique interne et détecte la durée du jour (photopériode). La composition spectrale de la lumière varie au cours de la journée, avec une plus grande proportion de lumière rouge lointain tôt le matin et en soirée, ce qui permet aux plantes de synchroniser leurs activités (photosynthèse, ouverture des stomates, floraison) avec les cycles naturels de 24 heures.

Exemple de Belle de nuit et son anthèse—ouverture des fleurs— nocturne

Mirabilis jalapa, ou Belle de nuit, tient son nom de sa particularité étonnante : ses fleurs s’ouvrent uniquement en fin de journée et la nuit.

Ce phénomène est déclenché par l’horloge biologique de la plante, régulée par la lumière ambiante détectée par des photorécepteurs comme les phytochromes.

L’ouverture nocturne permet d’attirer ses principaux pollinisateurs : les papillons de nuit.

Production d’hormones

La lumière influence la synthèse et la distribution d’hormones végétales comme l’auxine, la gibbérelline ou l’acide abscissique, qui contrôlent la croissance, la dormance, la floraison et les réponses au stress. 

Exemple du Tournesol et de sa course au soleil

Mais alors qu’est ce qu’il se passe avec le Tournesol? Pourquoi et comment suit-il le soleil toute la journée ?

Lorsque les phototropines du tournesol détectent la lumière, une hormone de croissance, l’auxine, est aussitôt acheminée vers la partie de la tige située à l’ombre. En d’autres termes, la plante pousse plus vite côté ombre, entraînant un déséquilibre qui fait pencher sa tête en direction de l’astre. La nuit, tout change ! Seule la "face ouest" de la tige grandit, ramenant la tête du tournesol vers l’est. Les fleurs ainsi orientées emmagasinent plus de chaleur dès les premiers rayons du soleil et sont plus appréciées des abeilles.

Ce processus dure seulement pendant la période de développement du tournesol. Une fois que sa fleur s'ouvre, il s'oriente en direction du lever du soleil et s'immobilise définitivement 3.

Réponses au stress et métabolisme

Par exemple, la lumière UV-B, perçue via le récepteur UVR8, déclenche des mécanismes de protection contre les dommages cellulaires, comme la production de composés antioxydants ou de pigments protecteurs. Ces mécanismes seront plus détaillés dans l’article 3 de notre série : Quand la lumière façonne la chimie des plantes.

La lumière, mais pas seulement !

La lumière constitue un signal majeur qui déclenche de nombreux mécanismes physiologiques chez la plante. Mais elle n’agit jamais seule : ses effets sont souvent modulés par d’autres facteurs environnementaux, comme la température ou la disponibilité en eau.

• Par exemple, la température influence la vitesse des réactions biochimiques et le rythme de développement. Certaines plantes, comme les céréales d’hiver, nécessitent une période de froid prolongée (vernalisation) en combinaison avec des signaux lumineux pour induire la floraison.
• De même, la disponibilité en eau interagit avec la lumière pour réguler la transpiration, la croissance et les réponses au stress hydrique. En conditions de forte lumière et de chaleur, les stomates peuvent se fermer pour limiter les pertes d’eau, au détriment de la photosynthèse.
• Enfin, d’autres signaux, comme la gravité (gravitropisme) ou les interactions biotiques (avec des micro-organismes, insectes ou autres plantes), déclenchent aussi des réponses physiologiques, souvent en coordination avec les signaux lumineux.

Conclusion

Dans notre premier article, nous avons exploré la photosynthèse, cœur du métabolisme végétal et moteur fondamental de l'activité des plantes. Dans ce second volet, nous avons mis en perspective un autre rôle majeur de la lumière: celui de signal déclencheur qui module la morphologie, la physiologie et les comportements des plantes.

D’un point de vue agronomique, maîtriser la lumière ouvre des perspectives passionnantes : façonner la morphologie des plantes, déclencher des phases phénologiques clés, ou encore piloter leur métabolisme. Ce que révèle l’étude du monde végétal, c’est sa complexité. Il ne suffit pas de parler de « lumière optimale » : chaque longueur d’onde, chaque intensité lumineuse, chaque durée d’exposition peut entraîner des effets très différents, de la croissance à la floraison, en passant par la forme de la plante elle-même — et qui influence à son tour sa capacité à capter la lumière.

Aussi, la lumière n’agit jamais seule. Elle interagit avec la température, la disponibilité en eau, et bien d’autres facteurs pour orchestrer le développement de la plante. C’est l’ensemble de ces signaux qui va façonner la trajectoire de la plante.

C’est dans cette logique que nous avons conçu, chez Orius, des unités innovantes comme la Biomebox ou la Biomecell. Ces systèmes permettent de recréer un environnement complexe et maîtrisé, un biome qui crée les conditions idéales de culture des plantes. Grâce à ces unités de culture hautement performantes, notre équipe de recherche en biologie peut optimiser toutes les phases de développement végétal — de la germination à la floraison, jusqu’à la fructification.

A suivre le prochain (et dernier!) article de notre série dédiée à la lumière : Épisode 3 : Quand la lumière façonne la chimie des plantes

Bibliographie

1. Kang, W. H., Kim, J., Yoon, H. I. & Son, J. E. Quantification of Spectral Perception of Plants with Light Absorption of Photoreceptors. Plants 9, 556 (2020).

2. Zhu, X.-G., Long, S. P. & Ort, D. R. Improving photosynthetic efficiency for greater yield. Annu. Rev. Plant Biol. 61, 235–261 (2010).

3.Atamian, H. S. et al. Circadian regulation of sunflower heliotropism, floral orientation, and pollinator visits. Science 353, 587–590 (2016).