Définition du phytochrome
La capacité d'une plante à détecter la lumière dans son environnement est cruciale pour sa compétitivité et sa survie. Grâce à leurs photorécepteurs, les plantes sont capables de reconnaître les longueurs d'onde de la lumière bleue, rouge et rouge lointain et d'y réagir. Ces photorécepteurs sont constitués de chromoprotéines, qui sont composées d'une protéine et d'un pigment absorbant la lumière, appelé chromophore.
Lesphytochromes sont une famille de chromoprotéines sensibles à la lumière rouge et rouge lointaine. À l'état sombre, les phytochromes se trouvent dans le cytoplasme où ils sont synthétisés ; cependant, lorsqu'ils sont activés par la lumière, ils sont transloqués dans le noyau.
Les phytochromes sont présents chez les plantes, les cyanobactéries et les champignons.
Le cytoplasme désigne le liquide qui remplit une cellule et dans lequel les structures subcellulaires sont suspendues.
Le noyau est un organite membranaire qui abrite l'information génétique de la cellule.
Fonction du phytochrome chez les plantes
Les phytochromes ont deux formes:
Pr (phytochrome rouge) absorbe la lumière rouge (environ 667 nm). L'absorption de la lumière rouge convertit Pr en Pfr, la forme active de la protéine phytochrome.
Pfr (phytochrome rouge lointain) absorbe la lumière rouge lointaine (environ 730 nm). L'absorption de la lumière rouge lointaine convertit Pfr en Pr, l'état inactif de la protéine phytochrome.
L'absorption de la lumière rouge ou rouge lointain modifie la structure du chromophore, ce qui affecte la conformation et l'activité de la protéine phytochrome à laquelle il est attaché.
Les deux formes photo-interconvertibles sont collectivement connues sous le nom de système phytochrome. Le système phytochrome agit comme un "interrupteur biologique" qui détecte et réagit à la couleur, à l'intensité et à la durée de la lumière : l'exposition à la lumière rouge peut amener le phytochrome à initier ou à "allumer" des activités physiologiques, tandis que l'exposition à la lumière rouge lointaine l'amène à inhiber ou à "éteindre" des activités physiologiques (Fig. 1).
Le Pfr - la forme active du phytochrome - peut soit activer directement d'autres molécules dans le cytoplasme, soit être transporté dans le noyau, où il déclenche ou inhibe l'expression de gènes spécifiques.
L'expression des gènes est le processus par lequel l'information génétique contenue dans l'ADN est utilisée pour produire de l'ARN, qui est ensuite utilisé pour synthétiser des protéines.
Réponses des phytochromes
Les phytochromes régulent diverses réponses des plantes à la lumière qui sont cruciales pour leur développement, notamment la germination des graines, l'évitement de l'ombre et le photopériodisme.
Phytochrome et germination des graines
Lesgraines sont essentiellement des plantes au stade embryonnaire enfermées dans un tégument. Pour que les graines germent, elles doivent se trouver dans des conditions favorables d'humidité et de température du sol. Dans la nature, les graines détectent et répondent aux signaux environnementaux, tels que la lumière, qui leur indiquent les conditions saisonnières pour initier la germination. Quel rôle joue le phytochrome dans ce processus ?
Les plantes produisent le phytochrome sous sa forme inactive (Pr), et lorsque les graines sont conservées dans l'obscurité, le pigment reste presque entièrement sous la forme Pr. La lumière du soleil contient à la fois de la lumière rouge et de la lumière rouge lointaine, mais la conversion de Pfr est plus rapide que celle de Pr.
Ainsi, en présence de la lumière du soleil, le rapport Pfr/Pr augmente. Cela signifie que la germination des graines exposées à une lumière solaire adéquate est déclenchée par la production et l'accumulation de Pfr.
Dans les années 1930, des scientifiques ont exposé des graines gonflées d'eau à quelques minutes de lumière unicolore de différentes longueurs d'onde avant de les conserver dans l'obscurité. Puis, au bout de deux jours, les chercheurs ont compté le nombre de graines qui avaient germé sous chaque couleur de lumière. Ils ont constaté que plus de graines germaient sous la lumière rouge (à environ 660 nm) tandis que les graines germées sous la lumière rouge lointaine avaient un pourcentage de germination plus faible que les témoins dans l'obscurité.
À partir de là, que penses-tu qu'il se passe lorsque des graines de laitue sont exposées à un éclair de lumière rouge suivi d'un éclair de lumière rouge lointaine, ou lorsque la lumière rouge lointaine est suivie d'une lumière rouge ? La réaction des graines est déterminée par le dernier flash de lumière : les effets de la lumière rouge et de la lumière rouge lointaine sont réversibles.
Lorsque les graines de laitue sont exposées à la lumière rouge, Pr est transformé en Pfr, ce qui favorise les réponses cellulaires qui conduisent à la germination. En revanche, l'exposition de graines éclairées au rouge à une lumière rouge lointaine entraîne le retour de Pfr à Pr, ce qui supprime la réponse de germination.
Alors, pourquoi la germination des graines réagit-elle si fortement à la lumière ? De nombreuses variétés de graines, en particulier les plus petites, ne germent que lorsque l'environnement lumineux et d'autres variables sont presque idéaux en raison de la faible disponibilité des nutriments.
Dans le cas de la laitue, les plantules ne peuvent pas croître assez longtemps avant de manquer de carburant, donc si leurs graines devaient germer ne serait-ce qu'un centimètre sous la surface du sol, la plantule ne pourrait pas recevoir la lumière du soleil et finirait par mourir. Ainsi, ces graines peuvent rester en dormance pendant des années jusqu'à ce que les conditions de lumière deviennent plus favorables pour assurer la survie des plantules.
Phytochrome et évitement de l'ombre
La pleine lumière non filtrée du soleil contient beaucoup plus de lumière rouge que de lumière rouge lointaine. Comme la chlorophylle absorbe fortement dans la partie rouge du spectre visible mais pas dans la région rouge lointaine, toute plante qui est ombragée par une autre plante sera exposée à une lumière appauvrie en rouge et enrichie en rouge lointain.
Lalumière rouge loint aine transforme le phytochrome des feuilles ombragées en forme Pr (inactive), ce qui incite la plante à allouer une plus grande partie de ses ressources à la croissance en hauteur afin qu'elle puisse absorber plus de lumière directe du soleil.
En revanche, les plantes les plus proches non ombragées ou même moins ombragées ont plus de lumière rouge. Lorsque les feuilles exposées à ces zones absorbent la lumière directe du soleil, la forme Pfr (active) du phytochrome est activée, ce qui favorise la ramification et ralentit la croissance verticale.
Les pousses de plantes utilisent le système des phytochromes pour pousser loin de l'ombre et vers la lumière, où elles peuvent absorber plus d'énergie pour la production de nutriments. La compétition pour la lumière étant très intense dans une communauté végétale dense, le système phytochrome confère aux plantes un avantage évolutif.
Phytochrome et photopériodisme
En plus d'aider les plantes à détecter la lumière, le phytochrome les aide à déterminer l'heure du jour ou de l'année, une propriété appelée photopériodisme.
Le rapport Pr/Pfr à l'aube peut être utilisé par une plante pour calculer la durée du cycle jour/nuit. De plus, en recueillant ces informations sur plusieurs jours, une plante peut comparer la durée de la nuit précédente à plusieurs autres nuits du passé.
Si la plante suit des nuits de plus en plus courtes, elle peut sentir que le printemps approche.
Si la plante suit des nuits de plus en plus longues, elle peut alors sentir que l'automne approche.
La détection de la durée du jour ou de la nuit ainsi que de la température et de la disponibilité de l'eau permet aux plantes de déterminer la période de l'année et de modifier leur physiologie en conséquence. C'est grâce à ce mécanisme que la floraison des plantes, la production de graines et la dormance des bourgeons se produisent de façon saisonnière.
Certaines plantes forestières au niveau du sol fleurissent tôt au printemps afin de pouvoir produire des graines avant que le couvert de feuilles n'émerge complètement et ne réduise la quantité de lumière qui passera et atteindra le sol de la forêt.
D'autre part, les arbres et les espèces de plantes vivaces des latitudes septentrionales réagissent au raccourcissement de la durée du jour en induisant une résistance au froid et une dormance des bourgeons afin de se préparer à l'arrivée des températures glaciales de l'hiver.
Rôle du phytochrome dans le développement des plantes
Les phytochromes donnent aux plantes la capacité de détecter des longueurs d'onde spécifiques de la lumière, ce qui leur fournit des informations spatiales (comme les endroits où il y a des trous dans la canopée à travers lesquels la lumière peut passer) et temporelles (comme l'époque de l'année) sur leur environnement. Ces informations sont cruciales pour le calendrier des changements de croissance et de développement : de la germination des graines et de l'établissement des semis à la floraison et à la reproduction.
En leur fournissant ces informations et en catalysant diverses réponses biologiques, les phytochromes permettent aux plantes d'optimiser la quantité d'énergie lumineuse qu'elles sont capables d'absorber et de transformer en nutriments.
Phytochromes - Principaux enseignements
- Lesphytochromes sont une famille de chromoprotéines sensibles à la lumière rouge et rouge lointaine. Les phytochromes ont deux formes : Pr (phytochrome rouge) et Pfr (phytochrome rouge lointain).
- Pr (phytochrome rouge) absorbe la lumière rouge (environ 667 nm). L'absorption de la lumière rouge convertit Pr en Pfr, la forme active de la protéine phytochrome.
- Pfr (phytochrome rouge lointain) absorbe la lumière rouge lointaine (environ 730 nm). L'absorption de la lumière rouge lointaine convertit Pfr en Pr, l'état inactif de la protéine phytochrome.
- Dans l'obscurité, les phytochromes se trouvent dans le cytoplasme où ils sont synthétisés ; cependant, lorsqu'ils sont activés par la lumière, ils sont transférés dans le noyau.
- Les phytochromes régulent diverses réponses des plantes à la lumière qui sont cruciales pour leur développement, notamment la germination des graines, l'évitement de l'ombre et le photopériodisme.
Références
- Zedalis, Julianne, et al. Advanced Placement Biology for AP Courses Textbook. Agence de l'éducation du Texas.
- Reece, Jane B., et al. Campbell Biology. Onzième édition, Pearson Higher Education, 2016.
- Mathews, S. (2006). Développement médié par le phytochrome chez les plantes terrestres : La détection de la lumière rouge évolue pour relever les défis des environnements lumineux changeants. Molecular Ecology, 15 (12), 3483-3503. https://doi.org/10.1111/j.1365-294X.2006.03051.x
- Klose C, Viczián A, Kircher S, Schäfer E, Nagy F. Molecular mechanisms for mediating light-dependent nucleo/cytoplasmic partitioning of phytochrome photoreceptors. New Phytol. 2015 May;206(3):965-71. doi : 10.1111/nph.13207. Epub 2014 Dec 15. PMID : 26042244 ; PMCID : PMC4406131.
- Chen M, Chory J, Fankhauser C. Transduction du signal lumineux chez les plantes supérieures. Annu Rev Genet. 2004;38:87-117. doi : 10.1146/annurev.genet.38.072902.092259. PMID : 15568973.
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