Une nouvelle technologie appelée « analyse spectrale » permet de balayer rapidement un champ entier de plantes pour saisir les améliorations de leur capacité naturelle à récolter l’énergie du soleil. Il s’agit là d’une évolution majeure qui pourrait grandement améliorer le rendement des cultures. Les chercheurs ont mis au point des cultures plus productives en améliorant la photosynthèse, le processus naturel que toutes les plantes utilisent pour convertir la lumière du soleil en énergie et en rendement agricole.

Moins de 10 secondes pour l’analyse spectrale « new age »

Cette méthode permettra, à terme, de mesurer les améliorations que les ingénieurs agronomes apportent progressivement à la machine de photosynthèse d’une plante en une dizaine de secondes, comparativement à la méthode traditionnelle qui prend parfois plus de 30 minutes. Il s’agit d’une avancée majeure, car elle permet aux équipes en place d’analyser une énorme quantité de matériel génétique afin d’identifier efficacement les caractères qui pourraient grandement améliorer le rendement des cultures. La méthode traditionnelle d’évaluation de la photosynthèse analyse l’échange de gaz à travers la feuille et fournit une énorme quantité d’informations, mais il faut 30 minutes pour mesurer chaque feuille ce qui se révèle particulièrement chronophage dans un contexte ultra-concurrentiel.

Une méthode plus rapide, ou « à haut débit », appelée analyse spectrale, a donc permis l’analyse de la lumière réfléchie par les feuilles pour prédire la capacité photosynthétique en un temps record estimé pendant les tests à seulement 10 secondes. La question à laquelle les différents chercheurs ayant pris part à l’expérimentation cherchent à répondre est la suivante : pouvons-nous appliquer des techniques spectrales pour prédire la capacité photosynthétique lorsque nous avons génétiquement modifié l’appareil photosynthétique ? Avant cette étude, les chercheurs ne savaient pas si le changement des voies photosynthétiques de la plante modifierait le signal détecté par les mesures spectrales.

Une avancée majeure dans un contexte de croissance démographique mondiale

L’analyse spectrale nécessite des modèles personnalisés pour traduire les données spectrales en mesures de la capacité photosynthétique qui doivent être recréées chaque année. Le prochain défi de la communauté scientifique consiste à déterminer ce qu’elle peut effectivement mesurer afin de pouvoir construire des modèles prédictifs qui pourront être utilisés année après année pour comparer les résultats dans le temps. Bien qu’il reste encore des obstacles à surmonter, l’analyse spectrale est une technique qui change la donne et qui peut être utilisée pour évaluer une variété d’améliorations photosynthétiques afin d’identifier les changements qui sont les plus susceptibles d’augmenter considérablement et durablement les rendements des cultures. Ces outils peuvent aider les agriculteurs et les chercheurs à accélérer les efforts pour développer des cultures à haut rendement pour les agriculteurs qui travaillent à nourrir le monde entier. Dans un contexte de croissance démographique mondiale et face aux nombreuses craintes sur la sécurité alimentaire de la planète, cette percée scientifique majeure est prometteuse, dans la mesure où elle permet l’espoir quant à une amélioration des rendements dans le respect des terres.

L’équilibre des budgets énergétiques n’est pas seulement l’affaire des gouvernements, comme l’ont observé des scientifiques dans une étude sur la façon dont la lumière est utilisée dans la relation symbiotique entre les animaux et les plantes que nous appelons le corail. Des scientifiques de l’UTS et de l’Université de Copenhague ont pour la première fois mesuré un bilan énergétique lumineux équilibré pour un corail, essentiellement via le calcul de l’efficacité avec laquelle les microalgues symbiotiques du corail utilisent et régulent la lumière dans le tissu corallien.

Les détails d’une expérience inédite

Le « partenariat » entre le polype corallien et les algues microscopiques (zooxanthelles) fournit au polype de l’oxygène et d’autres nutriments issus de la photosynthèse en échange du dioxyde de carbone et des autres substances dont les algues ont besoin. Cette nouvelle compréhension des propriétés optiques uniques du corail ouvre la voie à une meilleure compréhension de la façon dont le stress environnemental cause des événements tels que le blanchissement du corail et, éventuellement, à une meilleure gestion des ressources. À l’aide d’une technologie innovante et avancée de microcapteurs, des chercheurs du Plant Functional Biology and Climate Change Cluster (C3) de l’UTS et leurs collaborateurs de l’Université de Copenhague ont mesuré le bilan énergétique lumineux de la photosynthèse des microalgues du corail, en conditions saines, contrôlées en laboratoire.

L’espèce de corail, la Montastraea curta, est commune à la Grande Barrière de corail, qui habite les zones récifales peu profondes. L’approche exigeante à l’échelle microscopique de la recherche signifiait que l’équipe devait concevoir une expérience qui lui permettrait de mesurer la lumière et l’oxygène en insérant des microcapteurs très fins, avec des dimensions de l’ordre du centième de millimètre dans le tissu corallien, par intervalles d’un dixième de millimètre à la fois. Les résultats, publiés dans le Journal de la Royal Society Interface, montrent que bien que la grande majorité de la lumière absorbée par le corail ait été perdue sous forme de chaleur, les microalgues utilisent la lumière de manière très efficace pendant la photosynthèse. Cela met en évidence les propriétés optiques très particulières des coraux. Ils semblent être des collecteurs et distributeurs de lumière très efficaces. Cette recherche arrive à point nommé, car elle fait progresser considérablement la compréhension du concept de base de la lumière et des coraux. Des changements importants dans les conditions environnementales locales se produisent à une échelle microscopique, certains coraux sont plus chauds et reçoivent plus de lumière que d’autres, même s’ils sont juste à côté les uns des autres.

La quête de l’origine du blanchissement des coraux

En utilisant ces mêmes techniques, les études futures peuvent maintenant étudier cette variabilité d’une manière plus détaillée, dans des conditions environnementales différentes, et réorienter les efforts de gestion vers les coraux les plus sensibles. Les chercheurs ont déclaré que l’étude a également permis de mieux comprendre l’impact sur la santé des coraux des températures élevées de l’eau de mer, prévues en raison du changement climatique. La grande quantité d’énergie dissipée sous forme de chaleur signifie que l’absorption de lumière corallienne peut augmenter la température dans le microenvironnement corallien par rapport à l’eau environnante, ce qui peut aggraver les phénomènes de blanchissement des coraux.

La photosynthèse, en résumé, est le processus qui consiste à utiliser l’eau, le dioxyde de carbone et la lumière du soleil pour produire du sucre. Les plantes et autres organismes photosynthétiques sont appelés producteurs parce qu’ils peuvent produire des glucides pour l’énergie sans consommer d’autres organismes. Le processus de photosynthèse nécessite des structures cellulaires spécialisées appelées chloroplastes pour capter l’énergie du soleil et la convertir en énergie chimique.

Les feuilles changent de couleur en automne parce que les plantes ralentissent le processus de photosynthèse

Les plantes contiennent d’autres pigments que la chlorophylle. Lorsque les plantes se préparent pour l’hiver dans des climats frais ou tempérés, elles produisent moins de chlorophylle. Comme il y a moins de chlorophylle pour réfléchir la lumière verte, les couleurs des autres pigments deviennent visibles et les feuilles apparaissent brunes, oranges, rouges ou jaunes au lieu du vert.

Les plantes ne sont pas les seuls organismes qui utilisent la photosynthèse

Certaines bactéries, comme les cyanobactéries, et les protistes, comme les algues, sont également des producteurs d’énergie. Ces organismes unicellulaires contiennent de la chlorophylle et sont généralement présents dans les milieux aquatiques.

Le processus inverse de la photosynthèse est la respiration cellulaire

La respiration cellulaire est le processus d’utilisation de l’énergie chimique stockée dans les sucres. La réaction est l’image miroir de la photosynthèse : glucose + oxygène donne du dioxyde de carbone + eau. Comme tous les êtres vivants, les plantes passent par la respiration cellulaire pour obtenir l’énergie nécessaire à leur croissance et à leur reproduction.

La couleur verte des feuilles est due à la chlorophylle

Ces molécules pigmentées en vert vivent dans les chloroplastes des cellules végétales et absorbent la lumière visible pour la photosynthèse. Les molécules de chlorophylle absorbent toutes les longueurs d’onde de la lumière à l’exception du vert, mais elles absorbent principalement les longueurs d’onde du rouge et du bleu. Les plantes apparaissent vertes parce que la chlorophylle réfléchit les longueurs d’onde vertes de la lumière.

Les deux parties principales d’un chloroplaste sont la grana et le stroma

Les granas sont des piles de compartiments en forme de disque qui sont enfermés dans une membrane. Ces disques, appelés thykaloïdes, sont le siège de réactions dépendantes de la lumière. Un fluide abondant entoure la grana est le stroma. Les réactions indépendantes de la lumière ont lieu dans le stroma.

La première étape de la photosynthèse consiste à capter l’énergie du soleil pour décomposer les molécules d’eau

Les réactions dépendantes de la lumière exploitent et transfèrent l’énergie en séparant les atomes d’hydrogène et d’oxygène. Les électrons se déplacent dans la chaîne de transport d’électrons où ils passent le long d’une série de protéines pour finalement produire l’ATP, l’énergie utilisée dans la prochaine étape de la photosynthèse.

La deuxième étape de la photosynthèse est le cycle de Calvin

Les réactions indépendantes de la lumière utilisent l’énergie produite pendant les réactions dépendantes de la lumière pour produire des glucides dans un processus appelé cycle de Calvin. Une molécule de carbone est ajoutée à la fois. L’énergie maintient le cycle pour répéter le processus et créer des molécules de sucre contenant six carbones.

Il faut six molécules d’eau et six molécules de dioxyde de carbone pour produire une molécule de glucose pendant la photosynthèse

En plus d’une molécule de glucose, C6H12O6, la réaction de 6H2O + 6CO2 donne également six molécules d’oxygène, ou 6O2. L’oxygène est un déchet de la photosynthèse.

Les plantes ont des tissus spécialisés qui favorisent la photosynthèse

L‘eau est absorbée par les racines et transportée vers les feuilles par un tissu spécialisé appelé xylème. Parce que les feuilles ont un revêtement protégé pour prévenir le dessèchement, le dioxyde de carbone doit entrer par les pores appelés stomates. L’oxygène sort de la plante par les stomates.

Les molécules de glucose se joignent pour former des molécules plus complexes utilisées par les plantes

Les molécules de glucose formées pendant la photosynthèse sont des sucres simples qui sont des éléments constitutifs de l’amidon et de la cellulose. Les plantes utilisent l’amidon comme énergie stockée et les tissus qui composent la structure d’une plante sont faits de cellulose.

Lorsque vous vous sentez à court d’énergie et que vous avez besoin d’une collation, vous n’avez probablement qu’à ouvrir le réfrigérateur ou à fouiller dans un tiroir de la cuisine. Lorsque les plantes ressentent le besoin d’une poussée d’énergie, leur processus est un peu plus complexe et aussi plus direct car elles vont directement à la source : le soleil.

Qu’est-ce que la photosynthèse ?

Pour produire de l’énergie, les plantes subissent un processus appelé photosynthèse. La formule chimique pour la photosynthèse est 6CO2 + 6H2O ——> C6H12O6 + 6O2. Si vous regardez du côté gauche de l’équation, vous voyez les ingrédients dont les plantes ont besoin pour la photosynthèse : six molécules de dioxyde de carbone (CO2) et six molécules d’eau (H2O).

Anatomie végétale spécialisée

Alors que les plantes absorbent le dioxyde de carbone par de minuscules pores situés sur leurs feuilles, leurs tiges et leurs fleurs, elles ont besoin de structures spécialisées pour recueillir l’eau et la faire remonter par leurs tiges. La plupart des plantes utilisent des racines pour extraire l’eau de la terre. Pour ce faire, elles comptent sur de longs et minces poils de racines dispersés dans le sol. Puisque le cytoplasme des cellules ciliées de la racine a un potentiel hydrique inférieur à celui de l’eau du sol, l’osmose tire l’eau des poils de la racine à travers le cortex racinaire et dans le xylème.

Le xylème est un système de faisceaux vasculaires tubulaires qui transporte l’eau jusqu’à la tige de la plante et dans ses feuilles. Il peut être utile d’imaginer le xylème comme des vaisseaux sanguins qui s’étirent à travers le corps de la plante. Le processus qui consiste à faire circuler l’eau dans la plante s’appelle la transpiration.

Le rôle de l’eau dans le processus de photosynthèse

Les plantes ayant suffisamment d’eau et de dioxyde de carbone exploitent la puissance des photons recueillis à la lumière du soleil pour compléter la photosynthèse. Les six molécules de dioxyde de carbone et les six molécules d’eau du côté gauche de l’équation de photosynthèse se séparent et se reconfigurent en glucose et six molécules d’oxygène. Le sucre (glucose) peut être utilisé comme énergie immédiatement ou stocké pour une utilisation ultérieure pendant que l’oxygène s’échappe par les pores de la plante sous forme de déchets.

Comme les humains ne peuvent pas faire de photosynthèse, ils dépendent de l’énergie produite et stockée par les plantes. Cela signifie que lorsque vous faites une collation dans votre cuisine, une plante est responsable de la production de toute l’énergie que vous consommez… rien que ça ! Même si la collation est à base de viande, les plantes étaient la source d’énergie initiale de l’animal. Il est difficile d’imaginer que l’énergie qui soutient votre vie et vous permet de vous déplacer et de vaquer à vos occupations a commencé sous forme de dioxyde de carbone, d’eau et de lumière solaire… et pourtant, c’est vrai ! La plante, c’est finalement notre meilleure source d’énergie…

Pourquoi la photosynthèse est-elle importante pour les animaux ? Découvrez comment fonctionne le processus de photosynthèse et pourquoi il est aussi vital pour les animaux que pour les plantes !

Qu’est-ce que la photosynthèse ?

Les plantes ont des feuilles et les humains ont des membres. Il est facile d’imaginer que les processus qui se déroulent à l’intérieur des plantes n’ont rien à voir avec nous. Mais la vérité est que nous ne serions pas en vie aujourd’hui sans elles, et c’est la science qui a tranché sur ce point. La photosynthèse est un processus où les plantes utilisent la lumière du soleil, l’eau des racines et le dioxyde de carbone de l’air et le transforment en énergie pour leur permettre de vivre. C’est probablement le processus le plus important qui se passe à l’intérieur des plantes, car sans lui, les plantes mourraient rapidement.

Lorsque vous examinez la photosynthèse plus en détail, c’est un exemple de ce qu’on appelle une réaction chimique. Une réaction chimique est un processus où l’arrangement des atomes dans une substance est modifié : ainsi, les atomes sont réarrangés pour créer une nouvelle substance. Les réactions chimiques peuvent être décrites à l’aide d’équations chimiques. Voici l’équation chimique de la photosynthèse : l’équation dit que le dioxyde de carbone est combiné avec de l’eau qui, avec l’ajout d’énergie lumineuse, produit du glucose (énergie que la plante peut utiliser) et de l’oxygène. Le glucose est la partie importante pour les plantes, parce que c’est ce qu’elles utilisent pour vivre, pour croître, se réparer, se reproduire, etc. Mais les humains et les animaux tirent aussi de multiples avantages des plantes. Parlons de certains de ces avantages dans la partie suivante.

Importance de la photosynthèse pour les animaux

L’avantage le plus évident de la photosynthèse pour les animaux, comme pour les humains, est probablement que la photosynthèse est la raison pour laquelle nous avons des plantes que nous pouvons manger. Sans photosynthèse, toutes les plantes mourraient, y compris les fruits, les légumes et les feuilles qui font partie du régime alimentaire des animaux (ou, dans certains cas, des humains).

Mais disons que vous détestez manger des légumes. Peut-être êtes-vous pratiquement exclusivement carnivore. Même dans ce cas extrême, vous avez encore énormément de raisons pour remercier les plantes pour leur simple existence ! L’énergie que vous mangez lorsque vous consommez de la viande provient à l’origine de plantes : les animaux comme le poulet et les vaches mangent des plantes, et c’est ainsi que leur viande reçoit de l’énergie en premier lieu. Mais même si vous deviez manger un prédateur, comme un crocodile ou un lion (peu de gens le feraient, mais imaginons), cette énergie viendrait de ces prédateurs qui mangent des animaux qui à leur tour mangent des plantes ! C’est la magie de la fameuse chaîne alimentaire que nous connaissons tous. Toute l’énergie sur Terre qui permet aux animaux de vivre provient du soleil et a été absorbée par les plantes photo-synthétisantes, tout simplement.