Comment les plantes optimisent la photosynthèse dans des conditions de lumière changeantes

Pour la recherche, les plantes sont souvent cultivées sous un éclairage stable, qui ne reflète pas les conditions naturelles. Dans une série d’expériences avec des conditions d’éclairage changeantes, simulant l’interaction naturelle de la lumière et de l’ombre, des chercheurs de l’Institut Max Planck de physiologie moléculaire des plantes à Potsdam-Golm (Allemagne) et du Collège des sciences naturelles de l’Université d’État du Michigan (États-Unis) révèlent l’importance de deux protéines clés pour le contrôle dynamique de la photosynthèse. L’étude vient d’être publiée dans la revue Nouveau Phytologue.

Les plantes effectuent la photosynthèse pour se développer. Dans ce processus, ils utilisent l’énergie de la lumière du soleil, libèrent de l’oxygène et produisent des glucides, qui sont la ressource alimentaire de base pour tous les humains et presque tous les animaux sur terre. Dans des conditions naturelles, la disponibilité de la lumière peut changer rapidement en très peu de temps.

L’une des principales raisons sont les nuages ​​qui fournissent de la lumière et de l’ombre lorsqu’ils passent devant le soleil. Les feuilles et les branches des plantes peuvent également temporairement fournir de l’ombre lorsqu’elles sont déplacées par le vent. Les plantes ne peuvent pas passer de l’ombre au soleil lorsque la lumière est limitée et, inversement, ne peuvent pas passer du soleil à l’ombre lorsqu’elles sont trop exposées au soleil. Ils doivent réagir aux conditions d’éclairage changeantes par d’autres moyens.

Tout comme pour les humains, trop de soleil est nocif pour les plantes. En particulier, un changement rapide entre une lumière faible et intense est problématique. Comme la rétine de nos yeux, les plantes utilisent des molécules dans leurs feuilles pour capter les particules de lumière. Lorsque la lumière est faible, ces pièges à lumière sont très efficaces pour capter autant de lumière faible que possible.

Si les conditions d’éclairage changent soudainement, trop d’énergie lumineuse peut atteindre la plante. Cette énergie peut surcharger ou endommager l’appareil photosynthétique sensible à l’intérieur des cellules végétales. En conséquence, les plantes doivent constamment adapter leur activité photosynthétique à leurs conditions environnementales afin d’obtenir un rendement lumineux maximal d’une part, mais éviter d’être lésées par trop de lumière d’autre part.

À ce jour, les plantes dans les serres et les laboratoires sont cultivées presque exclusivement dans des conditions d’éclairage stables et uniformes. Par conséquent, notre compréhension du fonctionnement de l’adaptation aux conditions d’éclairage changeantes est très limitée. Dans le pire des cas, cela peut conduire à des plantes qui poussent bien dans les laboratoires et les serres, mais dont les performances sont soudainement bien pires que prévu lorsqu’elles sont cultivées sur le terrain.

Régulation de la photosynthèse dans des conditions d’éclairage changeantes

Les chercheurs autour du Dr Ute Armbruster du MPI-MP de Potsdam-Golm et de David Kramer du College of Natural Science de la Michigan State University (États-Unis) ont examiné la plante modèle Arabidopsis thaliana pour leur étude. Les plantes ont été cultivées dans une grande variété de conditions, y compris la lumière statique, fluctuante et naturelle.

L’étude s’est concentrée sur deux protéines de transport d’ions appelées VCCN1 et KEA3 qui jouent un rôle clé dans l’ajustement dynamique des performances photosynthétiques. Il est connu d’études antérieures que VCCN1 active la protection solaire si la lumière devient soudainement trop forte. Lorsque l’intensité lumineuse diminue, la deuxième protéine KEA3 décompose rapidement cette protection solaire afin que la plante puisse à nouveau capter plus de lumière. Cependant, les deux protéines VCCN1 et KEA3 n’ont jamais été examinées dans des conditions de lumière réalistes.

Les chercheurs ont utilisé une nouvelle approche innovante pour mesurer la photosynthèse en combinaison avec une utilisation ciblée des knockouts de gènes, c’est-à-dire des plantes dont les gènes pour VCCN1 et KEA3 ont été désactivés. Ils montrent que les activités des protéines VCCN1 et KEA3 dépendent des conditions lumineuses dans lesquelles les plantes ont été élevées.

Suite aux suggestions de la responsable du groupe Plant Cultivation Infrastructure, le Dr Karin Köhl, les chercheurs se sont concentrés sur deux facteurs de lumière liés à la croissance dans l’analyse et ont pu montrer que la quantité de lumière reçue par une plante et la fréquence de la lumière les fluctuations ont une forte influence sur la fonction des deux transporteurs d’ions. La fonction protectrice de VCCN1 n’est importante que chez les plantes précédemment cultivées sous faible luminosité.

D’autre part, KEA3 qui abolit la protection, était même actif en période de forte luminosité lorsque les plantes étaient cultivées dans des conditions d’intensités lumineuses élevées. La protection solaire dépend également du degré de fluctuations lumineuses auxquelles les plantes sont exposées. Lorsque les conditions lumineuses changent de manière significative, les plantes produisent le pigment orange zéaxanthine, également impliqué dans la protection solaire. La production de cet écran solaire est également supprimée par KEA3 dans des conditions de forte luminosité.

« Notre étude montre que nous ne devrions pas examiner séparément l’effet de la lumière de croissance et les réponses rapides aux fluctuations de la lumière », a déclaré l’auteur principal de l’étude, Thekla von Bismarck. « L’intégration de multiples échelles de temps et niveaux métaboliques de manière de plus en plus complexe sera un défi futur majeur pour la recherche sur les cultures. Cela fournira des idées clés pour améliorer les rendements des cultures sur le terrain.