QU’EST-CE QUE LA PHOTOSYNTHÈSE ?
Contrôler la croissance des plantes à l’aide de LED
La lumière est la variable environnementale la plus importante concernant la croissance des plantes.
Les plantes sont des autotrophes qui ont développé la capacité d’utiliser l’énergie lumineuse du soleil pour produire une source de nourriture par le biais du processus de photosynthèse. Le processus est assez complexe. Dans le cadre de ce guide, nous allons utiliser une définition simplifiée de la photosynthèse : utilisation de l’énergie lumineuse pour séparer l’eau (H2O) et fixer le dioxyde de carbone (CO2) pour former des glucides (CH2O) et de l’oxygène (O2) (Figure 1). Le but de ce guide n’est pas d’analyser les réactions biochimiques de la photosynthèse à la lumière, mais d’examiner 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 lumineuses distinctes mais liées qui influencent la photosynthèse. La science derrière chaque propriété est à déterminer. L’application des propriétés est discutable en ce qui concerne les systèmes d’éclairage horticole.
Le principal moteur de la photosynthèse est le « rayonnement photosynthétique actif », en anglais « photosynthetic active radiation ». Pour l’éclairage de plantes, toutes les longueurs d’onde qui composent la lumière blanche n’ont pas toutes la même efficacité pour activer la photosynthèse.
Dans les années 1970, deux biologistes (Dr McCree et Dr Inada) ont effectués plusieurs études à ce sujet.
Le rayonnement photosynthétique 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 activer la photosynthèse. Deux biologistes du nom de Dr McCree et Dr Inada ont effectué plusieurs études dans les années 1970 pour déterminer l’influence des spectres lumineux sur la photosynthèse. Ces recherches ont abouti à la création d’une courbe de réponse photosynthétique, à présent appelée à juste titre la courbe McCree. Si vous vous référez à la courbe McCree (Figure 2), vous remarquerez que la lumière rouge (600-700 nm) est presque deux fois plus efficace que la lumière bleue (400-500 nm) lors de la photosynthèse, le vert (500-600 nm) est entre les deux. Avant cette recherche, il était courant de penser que, puisque la chlorophylle absorbe la lumière principalement dans les parties rouge et bleue du spectre de la lumière visible, la lumière verte n’est pas utilisée par les plantes pour la photosynthèse. Cependant, des mesures plus précises et indépendantes de l’activité photosynthétique sous différentes longueurs d’onde par McCree et Inada ont montré que la lumière dans le spectre vert (500 – 600 nm) est presque aussi efficace que la lumière bleue pour un nombre considérable d’espèces végétales. Pour faire simple, les plantes ont évolué et mises au point des solutions biochimiques et biophysiques (par exemple des pigments auxiliaires) pour utiliser le vert. Ces pigments auxiliaires (principalement les caroténoïdes) peuvent être considérés comme des molécules de stockage pour les photons qui ne sont pas directement absorbés par la chlorophylle.
La qualité de la lumière spectrale est un élément clé de la conception des systèmes d’éclairage horticole LED, en particulier pour les éclairages à source unique (absence de lumière du soleil). Les systèmes d’éclairage traditionnels à décharge de haute intensité (HPS) (sodium haute pression et halogénures métalliques) ont toujours eu une limite en ce qui concerne la modification de la qualité de la lumière spectrale. L’utilisation de diodes électroluminescentes (LED) pour les systèmes d’éclairage horticole nous permet de créer des spectres personnalisés ainsi que de nombreux autres avantages par rapport aux systèmes d’éclairage classiques, notamment :
– Rendements de conversion photoélectrique élevés,
– Faible rendement thermique et intensités lumineuses réglables.
La qualité de la lumière influence non seulement sur la photosynthèse, mais également sur la morphologie des plantes, connue sous le nom de photomorphogénèse.
Le nombre de photons absorbés par des photorécepteurs spécialisés connus sous le nom de chloroplastes influence directement le taux de photosynthèse. Lorsque l’intensité de la lumière augmente, le taux de photosynthèse augmente également jusqu’à ce qu’un point de saturation soit atteint. Chaque espèce de plante a un point de saturation en lumière différent où les niveaux photosynthétiques se stabilisent en fonction de l’environnement lumineux dans lequel ils évoluent.
La saturation lumineuse se produit à des intensités beaucoup plus faibles chez les plantes qui ont évolué à l’ombre que celles qui ont évolué en plein soleil.
Cependant, une saturation lumineuse se produit normalement (en particulier chez les plantes de plein soleil) lorsqu’un autre facteur (normalement le CO2) est limité.
Une autre considération importante concernant l’intensité de la lumière est le point de compensation de la lumière. Les plantes ont une intensité lumineuse minimale requise pour favoriser la croissance afin de maintenir les plantes en vie. Comme on pouvait s’y attendre, le point de compensation de la lumière se produit à des intensités lumineuses plus élevées pour les plantes « plein soleil » que pour les plantes d’ombre.
Fournir l’intensité lumineuse adéquate avec une qualité de lumière spectrale correcte est essentiel pour favoriser la croissance de nouvelles plantes.
Les systèmes d’éclairage horticole LED peuvent être utilisés de deux manières pour augmenter l’intensité lumineuse afin de promouvoir la photosynthèse. Une lumière supplémentaire peut être fournie par un système d’éclairage dans des serres, généralement lors de conditions de luminosité réduite (par exemple, les mois d’hiver sous les latitudes nord, une météo nuageuses ou une combinaison des deux), ou comme source unique de lumière photosynthétique dans un environnement intérieur contrôlé, (par exemple : chambre de croissance, entrepôt, tente de culture, etc.) où la lumière du soleil n’est pas utilisée comme source de photosynthèse.
L’un des principaux avantages de l’utilisation de LED pour l’une ou l’autre application est le faible rendement thermique à la surface de la diode. Atteindre une intensité très élevée avec des lampes HPS a toujours été limité par la distance qui sépare les lampes de la culture, car ces lampes émettent un pourcentage élevé d’énergie sous forme de lumière infrarouge (IR). La lumière infrarouge n’est pas active sur la photosynthèse et augmente considérablement la température de la plante.
Par conséquent, une méthode permettant d’atténuer cette réaction consiste à augmenter la distance entre la lumière et la culture (ce qui entraîne une diminution de l’intensité lumineuse et limite l’environnement dans lequel elles peuvent être utilisées avec de hauts plafonds).
Avec une gestion thermique appropriée, les LED dissipent la majeure partie de leur chaleur à l’arrière de la diode. Ainsi, les appareils d’éclairage peuvent être placés à des distances beaucoup plus proche des plantes. La culture, permettant ainsi des niveaux très élevés d’intensité lumineuse (≥ 1000 µmol / m2 / s) fournis aux plantes.
La durée de la lumière (photopériode) est la durée pendant laquelle une plante est exposée à la lumière pendant une période de 24 heures. La durée d’une photopériode peut influer sur l’intensité lumineuse globale qu’une plante reçoit en 24 heures, ce qui influe à son tour sur la croissance globale.
Ceci est décrit comme la lumière quotidienne, qui est définie comme l’intensité lumineuse cumulative délivrée pendant 24 heures, et est exprimée en mol / m2 / jour. La photopériode influence également la transition de la croissance végétative à la croissance reproductive chez plusieurs espèces de plantes. Cependant, c’est en fait la période sombre (scotopériode) et non la photopériode qui détermine le moment où certaines espèces passeront à la croissance reproductive.
Le phytochrome photorécepteur est principalement responsable de la transition vers la croissance de la reproduction dans les cultures photopériodiques. Les plantes de courte journée (longue nuit) fleurissent lorsque le phytochrome perçoit une longue nuit ininterrompue (généralement ≥ 12 heures). Les plantes de jour long (nuit courte) fleurissent pendant les nuits courtes (généralement ≤ 12 heures). Alternativement, plusieurs espèces de plantes sont neutres au jour, où la photopériode n’influence pas la floraison.
Les systèmes d’éclairage horticole peuvent être utilisés pour fournir une lumière photopériodique afin de prolonger la journée pour promouvoir la floraison des plantes de jour ou de supprimer la floraison des plantes des jours plus courts indépendamment de la saison ou du climat. Traditionnellement, les lampes HPS, à incandescence ou fluorescentes sont 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 horticoles LEDs que nous proposons convertissent l’énergie électrique en PAR plus efficacement que les technologies d’éclairage du passé.
Les travaux des Dr McCree et Inada ont été fondamentaux dans la compréhension de l’influence de la qualité de la lumière spectrale sur la photosynthèse ;
Cependant, l’étude de la photobiologie en est encore à ses débuts et les progrès rapides des technologies à DEL ont permis aux chercheurs d’approfondir les travaux des scientifiques spécialistes en plantes précédents. Il reste encore beaucoup à faire dans l’étude de la photobiologie.