Le rôle de la lumière dans le développement des plantes - Ep.1 Photosynthèse
Bien plus qu’un simple éclairage, la lumière est pour les plantes un signal, une source d’énergie et 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. Ce premier épisode sera centré sur le rôle vital de la photosynthèse.
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 et 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.
Ce premier épisode sera centré sur le rôle vital de la photosynthèse.
Épisode 1 : Pourquoi la lumière est-elle vitale pour les plantes? Le rôle de la photosynthèse
Comment une plante se développe-t-elle et d’où tire-t-elle son énergie vitale?
La clé réside dans un processus biochimique essentiel : la photosynthèse.
Grâce à ce mécanisme, les plantes transforment la lumière en énergie utilisable.
Comment fonctionne la photosynthèse ?
La photosynthèse commence par la capture de la lumière par un pigment vert : la chlorophylle, présente notamment dans les feuilles des plantes.
Ce pigment est un photorécepteur qui absorbe l'énergie lumineuse, principalement la lumière rouge et bleue, déclenchant une série de réactions chimiques dans les chloroplastes, les “usines énergétiques” des cellules végétales.
Ces réactions chimiques comprennent :
1- La photolyse de l’eau : l’eau absorbée par les racines est décomposée en oxygène (O₂), protons (H⁺) et électrons (e⁻).
2- La chaîne de transport d’électrons : les électrons libérés alimentent la production d’ATP et de NADPH (deux formes d’énergie chimique).
3- Ces composés ATP et NADPH alimentent le cycle de Calvin-Benson et permettent la conversion du CO2 en glucides (sucres) utilisés pour la croissance de la plante.
L’énergie produite par la photosynthèse : carburant de la plante
Les glucides produits lors de la photosynthèse sont essentiels : ils fournissent l’énergie nécessaire pour fabriquer les composés organiques indispensables à la croissance des cellules de la plante, à la formation de feuilles, de tiges, de racines ou de fruits.
Les glucides produits par la photosynthèse sont des sucres simples (hexoses). Ils sont produits dans la journée lors de la photosynthèse et de l’action de la lumière.
Une partie de ses glucides est convertie en sucres complexes (saccharose et amidon) :
- L’amidon sert de réserve énergétique que la plante peut déstocker pour produire du glucose lorsque la photosynthèse n’a pas lieu.
- Le saccharose est utilisé par la plante pour le transport de l’énergie et des nutriments dans tout le système vasculaire de la plante, notamment vers les racines, les fruits et les autres parties en croissance.
Si l’on suit la quantité d’amidon dans une feuille au cours de la journée1, on observe une oscillation cyclique correspondant à des phases de production et d’exportation.
- durant la journée, la plante produit et stocke l’amidon.
- durant la nuit, la plante exporte cet amidon. Cette exportation nocturne est particulièrement importante pour la croissance des tissus de la plante et la charge des fruits en sucre
Lumière naturelle : variations et impact
La lumière reçue par les plantes varie naturellement selon la saison, l’heure du jour, le climat et même la couverture nuageuse. Trois notions importantes permettent de mieux comprendre ces variations :
La photopériode
C’est la durée pendant laquelle la plante est exposée à la lumière. En été, les jours sont plus longs qu’en hiver. Une photopériode de 16 heures signifie que la plante reçoit de la lumière pendant 16 heures, suivie de 8 heures d’obscurité.
L’intensité lumineuse
Elle correspond à la quantité de lumière que reçoit la plante à un moment donné, mesurée en µmol·m⁻²·s⁻¹ (densité de flux de photons photosynthétiques, ou PPFD). Par exemple, dans le sud de la France en été, la lumière à 8 h du matin est d’environ 200–400 µmol·m⁻²·s⁻¹, et peut atteindre 1800–2000 µmol·m⁻²·s⁻¹ à midi. En hiver, ces valeurs sont beaucoup plus faibles.
L’intensité lumineuse n’est pas constante : elle varie avec la météo et même les mouvements de la canopée. Ces variations jouent certainement un rôle important dans la physiologie de la plante et dans sa capacité photosynthétique.
La qualité de la lumière
Au-delà de la quantité, la qualité de la lumière — c’est-à-dire sa composition en longueurs d’onde — change aussi au cours de la journée.
Ce qu’on appelle la qualité de la lumière c’est la composition de la lumière entre longueur d’ondes (Rouge, Vert, Bleu, Rouge Lointain et Ultraviolet).
La qualité de la lumière varie au cours de la journée. Au lever et au coucher du soleil, le soleil est bas sur l’horizon. Sa lumière traverse une épaisse couche d’atmosphère qui disperse fortement les longueurs d’onde courtes (bleu et violet). Par conséquent, la lumière directe devient riche en rouge et rouge lointain, donnant cette couleur orangée caractéristique du lever ou du coucher. Parallèlement, la lumière diffuse qui vient du ciel est plus riche en bleu.
Cette variation spectrale a un impact important sur les plantes, et implique des photorécepteurs spécialisés qui seront détaillés dans l’article 2 : La lumière, un signal qui déclenche des mécanismes clés chez la plante
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.
Corrélation entre la lumière et l’activité photosynthétique
Il existe une corrélation directe entre l’intensité lumineuse et l’activité photosynthétique de la plante2. L’activité photosynthétique augmente avec l’intensité lumineuse, jusqu’à un point de saturation (IS) où l’activité photosynthétique est maximale.
En dessous d’un certain seuil (point de compensation IC), la respiration consomme plus de carbone que ce que la plante peut en fixer, ralentissant sa croissance.
Toutes les longueurs d’onde n’ont pas le même effet sur l’activité photosynthétique.
La chlorophylle, photorécepteur impliqué dans la photosynthèse, absorbe principalement de la lumière rouge et bleue et elle réfléchit la lumière verte3. C’est d’ailleurs pour cette raison que nous voyons les plantes vertes.
Dans le graphique montrant l’activité photosynthétique selon les longueurs d’onde et l’intensité lumineuse délivrée, on peut constater qu’un ratio RB (rouge/bleu) de 1:1, c'est-à-dire avec autant de rouge que de bleu (courbe bleue ciel) à des niveaux d’activité photosynthétiques très proche d’une lumière blanche qui est constituée de toutes les longueurs d’onde (courbe noire).
Cela confirme que les longueurs d’onde les plus efficaces dans l’activité photosynthétique sont les bleues et les rouges
Lumière pulsée : une photosynthèse plus efficace ?
Dans la nature, la lumière peut aussi varier, par exemple au cours de temps longs (comme des passages nuageux) ou des temps plus courts (mouvement de la canopée). Les chercheurs utilisent de la lumière pulsée pour essayer de comprendre l'impact d'une alternance rapide entre lumière et obscurité sur le développement de la plante.
Certaines études montrent que l'utilisation de la lumière pulsée peut stimuler positivement la photosynthèse et la croissance des plantes :
- sur des plants de tomates, Tennessen et al. (1995)5 ont constaté un meilleur taux photosynthétique avec des impulsions de 198 ms de lumière, 2 ms d'obscurité.
- sur des semis de pomme de terre, Jao et Fang (2004)6 ont observé une amélioration de la croissance avec des LED à 720 Hz et un rapport cyclique de 50 %.
- sur des plants de laitue, Yoneda et Mori (2004)7 ont obtenu une augmentation du poids frais et de l'activité photosynthétique avec des impulsions à 10 kHz et un rapport cyclique de 50 %.
Cependant, Hashimoto et al. (1988)8 ont rapporté des résultats défavorables dans la production de laitue avec des lampes fluorescentes pulsées à 37 kHz (37 000 oscillations par secondes), comparées à celles à 60 Hz (60 oscillations par secondes).
Ces différences soulignent la nécessité d’approfondir les recherches sur la compréhension des effets de la lumière pulsée à différentes longueurs d'onde, fréquences et rapports cycliques.
Conclusion
La photosynthèse est la source métabolique principale des plantes et le cœur de l’activité végétale.
Plusieurs facteurs influencent son efficacité :
- l’intensité lumineuse, c’est à dire la quantité de lumière disponible, impacte directement l’activité photosynthétique ;
- la qualité de la lumière, notamment les longueurs d’onde rouges et bleues qui sont les plus absorbées par la chlorophylle
- la durée et régularité de l’exposition qui rythme la photosynthèse
- l’alternance jour/nuit, essentielle pour la gestion des réserves de la plante et pour sa croissance
La photosynthèse est donc étroitement liée aux conditions environnementales dans lesquelles la plante pousse.
D’un point de vue agronomique, la maîtrise de ces paramètres ouvre des perspectives passionnantes : ajustement de la photopériode, optimisation de l’intensité et du spectre lumineux, technologies innovantes d’éclairage ou de diffusion... autant de leviers pour améliorer la croissance, la santé et la qualité des cultures — tout en réduisant les coûts énergétiques.
Toutefois, il n’existe pas de recette universelle. Chaque espèce végétale réagit différemment à la lumière. Il faut donc adapter les stratégies d’éclairage en fonction des besoins spécifiques, des objectifs de culture et des critères de qualité.
Chez Orius, notre ambition est de maximiser la conversion de l’énergie en biomasse en assurant une couverture végétale optimale de la surface éclairée. Pour ce faire, nous veillons à ne pas dépasser le point de saturation de la photosynthèse et à surveiller rigoureusement les facteurs pouvant en limiter l’efficacité, notamment la concentration en CO₂. Cependant, notre démarche ne se limite pas à la recherche d’un rendement ou d’une production de biomasse maximale. Nous visons également à optimiser les qualités intrinsèques des plantes, en nous intéressant de près à leur profil phytochimique et aux composés actifs qu’elles synthétisent.
A suivre dans les prochains articles de notre série dédiée à la lumière :
Épisode 2 : La lumière, un signal qui déclenche des mécanismes clés chez la plante
Épisode 3 : Quand la lumière façonne la chimie des plantes
Bibliographie
7. Yoneda, K. & Mori, Y. Method of cultivating plant and illuminator for cultivating plant. (2004).