Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire l’effet de l’intensité de la lumière sur la production et l’expression de gènes de la chlorophylle.
À mesure que l’automne s’installe et que les journées se raccourcissent, les feuilles des arbres subissent également un changement : leurs feuilles vertes pétantes deviennent progressivement rouges ou jaunes. Bien que festif et à priori automatique, ce changement de couleur des feuilles est en réalité directement lié à l’environnement. Les gènes peuvent déterminer une grande partie de nos caractères physiques, mais l’environnement qui nous entoure est en partie responsable de l’expression de nos gènes.
Regardons de plus près la relation entre l’expression des gènes chez les plantes et l’environnement.
L’environnement peut comprendre de nombreuses choses, comme la lumière du soleil, nos choix alimentaires, l’exposition à la pollution, la carence en oxygène et les rayons UV, et il inclut même l’environnement auquel vous avez été exposé lorsque vous n’étiez encore qu’un fœtus. Chez les plantes, les facteurs environnementaux les plus importants incluent ceux qui affectent la photosynthèse, tels que l’exposition à la lumière du soleil et la concentration en dioxyde de carbone.
La photosynthèse est le processus par lequel les plantes fabriquent leur propre nourriture. Lors de la photosynthèse, le dioxyde de carbone pénètre dans la plante à travers les stomates des feuilles et l’eau est transportée depuis les racines, et ces réactifs sont convertis par la lumière du soleil en sucres, tels que le glucose et en oxygène, comme le montre la figure 1. Le terme photosynthèse est un dérivé des mots grecs « photo » qui signifie « lumière » et « synthèse » qui signifie « assembler ». Les principaux sites de la photosynthèse sont les chloroplastes que l’on trouve dans les feuilles vertes. Il y a généralement plus d’un demi-million de chloroplastes par millimètre carré d’une feuille !
Définition: Photosynthèse
La photosynthèse est le processus par lequel les plantes vertes convertissent le dioxyde de carbone et l’eau en sucres, tels que le glucose et en oxygène grâce à la lumière du soleil.
Réaction: Photosynthèse
Les chloroplastes sont des organites spécialisés que l’on trouve principalement dans les cellules de la feuille. À l’intérieur de chaque chloroplaste se trouvent des structures appelées des thylakoïdes qui sont disposés en piles appelées des grana (granum au singulier). La figure 2 illustre l’anatomie de la feuille, y compris les chloroplastes, les thylakoïdes et les grana. La chlorophylle, pigment vert qui donne aux plantes leur couleur verte caractéristique, se trouve à l’intérieur de la membrane de chacun des thylakoïdes. Un pigment est une molécule qui n’absorbe qu’une longueur d’onde spécifique de la lumière et réfléchit les autres.
Définition: Chlorophylle
La chlorophylle est une classe de pigments verts présents dans les chloroplastes des plantes qui absorbe l’énergie lumineuse nécessaire à la photosynthèse.
La chlorophylle est utilisée par toutes les plantes pour absorber les longueurs d’onde spécifiques de la lumière solaire nécessaires à la photosynthèse. La chlorophylle que l’on trouve dans les chloroplastes des plantes vertes absorbe les longueurs d’onde rouges et bleues de la lumière, mais réfléchit les longueurs d’onde vertes. Bien que les feuilles contiennent d’autres types de pigment, la chlorophylle est la plus abondante chez les plantes.
Les chloroplastes sont le site où se déroulent les deux étapes de la photosynthèse, les étapes dépendantes et indépendantes de la lumière. L’étape dépendante de la lumière convertit l’énergie lumineuse en réactifs qui seront utilisés dans l’étape indépendante de la lumière. L’énergie lumineuse nécessaire à la réaction dépendante de la lumière est captée par la chlorophylle.
Exemple 1: Décrire la fonction de la chlorophylle
La chlorophylle est requise par les chloroplastes des feuilles pour capter la lumière. Pour quel procédé les chloroplastes ont-ils besoin de cette énergie lumineuse ?
- la photosynthèse
- la respiration
- la mitose
- la transcription
- la traduction
Réponse
La chlorophylle est le pigment vert utilisé par les plantes pour absorber les longueurs d’onde spécifiques de la lumière du soleil afin de générer l’énergie lumineuse nécessaire à la photosynthèse. Un pigment est une molécule qui n’absorbe qu’une longueur d’onde spécifique de la lumière et réfléchit les autres. La chlorophylle est présente dans les chloroplastes des cellules des plantes. Elle absorbe toutes les longueurs d’onde rouges et bleues de la lumière, mais elle réfléchit les longueurs d’onde vertes. C’est pourquoi les plantes apparaissent vertes.
À l’intérieur de chaque chloroplaste se trouvent des structures appelées des thylakoïdes qui sont disposés en piles appelées des grana (granum au singulier). À l’intérieur de la membrane de chaque thylakoïde se trouve la chlorophylle. Les chloroplastes sont le site où se déroulent les deux étapes de la photosynthèse, qui est le processus par lequel les plantes fabriquent leur propre nourriture. Lors de la photosynthèse, le dioxyde de carbone pénètre dans la plante à travers les stomates des feuilles et se combine avec de l’eau pour être convertis par la lumière du soleil en sucres, tels que le glucose, et en oxygène.
L’équation de la photosynthèse est la suivante :
La photosynthèse se déroule en deux étapes, l’étape dépendante de la lumière et l’étape indépendante de la lumière. C’est à l’étape de la photosynthèse dépendante de la lumière que la lumière solaire est captée par la chlorophylle et que l’énergie est utilisée pour combiner le dioxyde de carbone avec l’eau. Les produits de la réaction dépendante de la lumière peuvent ensuite être utilisés dans la réaction indépendante de la lumière. Sans l’énergie de la lumière du soleil, la première étape de la photosynthèse ne pourrait pas avoir lieu.
Par conséquent, les chloroplastes ont besoin de la chlorophylle pour capter la lumière nécessaire au processus de photosynthèse.
La chlorophylle n’est pas très stable, et est donc constamment décomposée à l’intérieur des cellules. Afin de maintenir une quantité suffisante de ce pigment à l’intérieur des feuilles, la chlorophylle doit être continuellement synthétisée pour être utilisée dans la photosynthèse.
En génétique, les protéines sont des macromolécules biologiques complexes ayant certaines fonctions et sont assemblées ou « synthétisées » à partir de gènes, qui sont de petits segments de l’ADN. Vous vous souviendrez peut-être que la séquence des bases dans un segment de l’ADN fournit des instructions spécifiques sur la fabrication d’une protéine. Ainsi, la synthèse des protéines est un processus qui implique la traduction de certains ARNm, fabriqué à partir d’ADN, en protéines spécifiques.
Définition: Protéine
Une protéine est une macromolécule biologique complexe composée de monomères d’acides aminés et pouvant avoir une grande variété de formes et de fonctions.
Définition: Gène
Un gène est un segment d’ADN qui contient les informations nécessaires à la production d’une unité fonctionnelle, par exemple une protéine. C’est l’unité fonctionnelle de l’hérédité.
Terme clé: Synthèse des protéines
La synthèse des protéines est un processus qui implique la traduction du code génétique de l’ARNm, fabriqué à partir d’ADN, en protéines spécifiques.
Le taux de photosynthèse chez les plantes n’est pas toujours le même. En effet, les gènes qui régulent la synthèse de la chlorophylle interagissent avec des facteurs environnementaux. Il existe quatre facteurs limitants clés dans la photosynthèse : l’intensité de la lumière, la température, la quantité de chlorophylle et la concentration de dioxyde de carbone. Ces quatre facteurs limitants peuvent interagir entre eux pour changer la vitesse de la photosynthèse.
Par exemple, l’intensité lumineuse et la quantité de chlorophylle sont des facteurs de l’environnement limitants qui dépendent l’un de l’autre.
La quantité de lumière solaire à laquelle une plante est exposée détermine la synthèse des protéines qui sont exprimées ou « activées » pour produire de la chlorophylle. Plus la chlorophylle est synthétisée, plus la lumière peut être absorbée, ce qui augmente la vitesse de photosynthèse.
Terme clé: Expression des gènes
L’expression des gènes est le processus par lequel les informations codées dans un gène sont utilisées pour créer des protéines.
Pour mieux comprendre la relation entre l’intensité de la lumière et le taux de photosynthèse, nous pouvons représenter graphiquement la relation comme indiqué sur la figure 3.
L’intensité lumineuse affecte le taux de photosynthèse en raison de l’interaction entre la chlorophylle et l’absorption lumineuse. Les plantes synthétisent la chlorophylle pour absorber la lumière nécessaire à la photosynthèse. Ainsi, l’augmentation de l’intensité lumineuse augmente la quantité de chlorophylle produite, ce qui augmente le taux de photosynthèse. Ceci est illustré entre les points A et B sur le graphique de la figure 3.
Cependant, le taux de photosynthèse n’augmente pas indéfiniment.
Lorsque toute la chlorophylle dans les feuilles est utilisée pour convertir l’énergie lumineuse, le taux de photosynthèse ne peut désormais plus augmenter. Cela signifie que la lumière n’est plus un facteur limitant. Ce changement dans la relation entre l’intensité lumineuse et la photosynthèse modifie la pente de la courbe.
Une fois que l’intensité de la lumière ne peut plus augmenter la vitesse de photosynthèse, la réaction « se stabilise » ou atteint un plateau. Lorsque la réaction atteint un plateau, cela signifie que la réaction est stable et n’augmentera plus. Ceci est représenté par la partie C sur le graphique de la figure 3. À ce moment là, un autre facteur devra changer pour augmenter le taux de photosynthèse ; la température par exemple.
Ainsi, dans des environnements dont les niveaux de lumière solaire sont faibles, le taux de photosynthèse diminue, ce qui peut entraîner la mort de la plante. Cela peut se produire naturellement, comme lorsque les saisons changent, ou à cause d’un dysfonctionnement dans l’expression des gènes de la chlorophylle. Les maladies qui affectent la capacité d’une plante à synthétiser la chlorophylle sont souvent mortelles pour les plantes.
Lorsqu’il y a moins de lumière solaire, par exemple en hiver, le besoin en chlorophylle est beaucoup plus faible, de sorte que moins de chlorophylle est synthétisée. Lorsque la production de ce pigment vert diminue, la couleur de la plante devient jaune, ralentissant davantage le taux de photosynthèse. Au fil du temps, la baisse de synthèse de la chlorophylle et donc de la photosynthèse peuvent faire mourrir la plante.
Exemple 2: Décrire la relation entre l’intensité de la lumière et la synthèse de la chlorophylle
Lequel des énoncés suivants décrit correctement la relation entre l’intensité de la lumière et la synthèse de la chlorophylle chez une plante ?
- Une exposition prolongée à des niveaux de lumière faibles, ou nulles, empêche une plante de synthétiser suffisamment de chlorophylle.
- Plus une plante est exposée à la lumière, moins la chlorophylle sera synthétisée.
- L’exposition à l’intensité lumineuse n’a aucun effet sur la synthèse de la chlorophylle, mais seulement sur la réalisation de la photosynthèse.
Réponse
La chlorophylle est le pigment vert utilisé par les plantes pour absorber les longueurs d’onde spécifiques de la lumière du soleil afin de générer l’énergie lumineuse nécessaire à la photosynthèse. Elle permet de capturer l’énergie lumineuse nécessaire à la photosynthèse. Cependant, la chlorophylle est continuellement décomposée à l’intérieur des cellules. Afin de maintenir une quantité suffisante de ce pigment à l’intérieur des feuilles, la chlorophylle doit être continuellement synthétisée pour être utilisée dans la photosynthèse.
En génétique, les protéines sont des macromolécules biologiques complexes ayant différentes fonctions et sont assemblées ou « synthétisées » à partir de gènes, qui sont de petits segments de l’ADN. Vous vous souviendrez peut-être que la séquence des bases dans un segment d’ADN fournit des instructions spécifiques sur la fabrication d’une protéine. Ainsi, la synthèse des protéines est un processus qui implique la traduction du code génétique de l’ARNm, fabriqué à partir de l’ADN, en protéines spécifiques.
La vitesse à laquelle une plante effectue la photosynthèse est affectée par des facteurs environnementaux tels que l’intensité de la lumière. En effet, les gènes qui régulent la synthèse de la chlorophylle interagissent avec l’environnement. La quantité de lumière du soleil à laquelle une plante est exposée détermine la synthèse des protéines qui sont exprimées pour produire de la chlorophylle.
Plus il y a de lumière solaire, plus la chlorophylle est synthétisée et exprimée pour être utilisée lors de la photosynthèse. Comme plus de chlorophylle peut être produite, plus de lumière peut être absorbée, et la vitesse de photosynthèse s’accélère.
Ainsi, l’interaction entre le facteur environnemental de l’intensité lumineuse et le gène pour la synthèse de la chlorophylle contrôle la croissance et le développement de la plante. Lorsque l’intensité lumineuse augmente, le taux de photosynthèse augmente également.
Par conséquent, la relation entre l’intensité de la lumière et la synthèse de la chlorophylle dans une plante est donnée par l’option A : une exposition prolongée à des niveaux de lumière faibles, ou nulles, empêche une plante de synthétiser suffisamment de chlorophylle.
Démonstration: Observer les effets environnementaux de l’intensité lumineuse sur la croissance des plantes
Pour voir la relation entre la synthèse de la chlorophylle et les facteurs environnementaux tels que l’exposition à la lumière, nous pouvons effectuer une petite expérience en utilisant deux plantes.
Étapes expérimentales
Tout d’abord, rassemblez tout ce dont vous avez besoin pour l’expérience, y compris deux semis verts et sains. Assurez-vous que les semis sont complètement identiques. Pour faire en sorte que les deux semis de notre expérience sont identiques, prenez des graines d’une plante auto-pollinisée. De cette façon, vous vous assurez que les semis sont très semblables et que toute différence observée est due aux effets de l’environnement et non aux différences génétiques entre les plantes.
Ensuite, nous allons tester l’impact de l’exposition à la lumière.
Pour ce faire, placez une plante sous une ampoule halogène pour fournir une lumière constante à la plante. Placez la deuxième plante dans une pièce où l’éclairage est limité, comme dans un placard ou un autre endroit sombre.
Troisièmement, au cours de la prochaine semaine (7 jours ), traitez les deux plantes de la même manière, en les arrosant régulièrement.
Enfin, à la fin de la semaine, mesurez les variations dans les plantes.
Résultats
Vous devriez être capable de voir un changement dans la couleur et l’état des plantes.
Discussion des résultats
La plante qui est cultivée dans un endroit bien éclairé sera en bonne santé et aura des feuilles très vertes, comme la plante de gauche ci-dessous. En effet, avec une exposition à la lumière, davantage de chlorophylle peut être synthétisée. Puisque plus de chlorophylle est synthétisée, plus de nourriture est produite pour la plante, et plus la plante sera en bonne santé.
En revanche, la plante cultivée dans une pièce sombre ne sera pas en bonne santé ou très verte. D’ailleurs, la plante cultivée dans l’obscurité est susceptible d’être jaune ou même brune. En effet, sans exposition à la lumière, la chlorophylle n’est pas synthétisée. Plus la quantité de chlorophylle est réduite, moins une plante apparaîtra verte, comme la plante de droite ci-dessus. De plus, moins la chlorophylle est synthétisée, moins les nutriments sont générés pour la plante, et plus la plante sera malade. Au final, sans une bonne exposition à la lumière, la photosynthèse ne peut plus se dérouler, et la plante n’est plus capable de faire sa propre nourriture.
Exemple 3: Visualiser la relation entre l’intensité de la lumière et la synthèse de la chlorophylle
Trois groupes de plantes appartenant à la même espèce sont exposés à différentes intensités de lumière. Le groupe 1 a été exposé aux intensités lumineuses indiquées pendant 12 heures, le groupe 2 pendant 24 heures , et le groupe 3 pendant 36 heures.
Le graphique ci-dessous montre la quantité de chlorophylle synthétisée par ces groupes de plantes à différentes intensités lumineuses.
Que peut-on conclure de ce graphique ?
- Pour toutes les intensités lumineuses, davantage de chlorophylle est synthétisée lorsque la plante est exposée à la lumière pendant 36 heures que lorsqu’elle est exposée à la lumière pendant 24 ou 12 heures.
- Pour toutes les intensités lumineuses, davantage de chlorophylle est synthétisée lorsque la plante est exposée à la lumière pendant 12 heures que lorsqu’elle est exposée à la lumière pendant 36 ou 24 heures.
- Pour toutes les intensités lumineuses, davantage de chlorophylle est synthétisée lorsque la plante est exposée à la lumière pendant 24 heures que lorsqu’elle est exposée à la lumière pendant 36 ou 12 heures.
- La durée de l’exposition et non l’intensité de la lumière a un effet sur la quantité de chlorophylle synthétisée par une plante.
Réponse
La lumière fournit l’énergie nécessaire à la photosynthèse, de sorte qu’il n’y a pas de photosynthèse sans lumière. L’intensité lumineuse et la quantité de chlorophylle sont des facteurs de l’environnement limitants qui sont corrélés. Les plantes synthétisent la chlorophylle pour absorber la lumière nécessaire à la photosynthèse. La quantité de lumière à laquelle une plante est exposée détermine la synthèse des protéines qui sont exprimées ou « activées » pour produire de la chlorophylle.
Plus l’intensité de la lumière est élevée, plus la chlorophylle est synthétisée et exprimée pour être utilisée lors de la photosynthèse. Ainsi, l’augmentation de l’intensité lumineuse augmente la quantité de chlorophylle produite, ce qui augmente à son tour la vitesse de photosynthèse. Cependant, le taux de photosynthèse n’augmente pas indéfiniment.
Lorsque toute la chlorophylle dans les feuilles est utilisée pour convertir l’énergie lumineuse, le taux de photosynthèse ne peut plus augmenter. Cela signifie que la lumière n’est plus un facteur limitant. Ce changement dans la relation entre l’intensité lumineuse et la photosynthèse modifie la pente de la courbe.
Une fois que l’intensité de la lumière ne peut plus augmenter la vitesse de la photosynthèse, la réaction « se stabilise » ou atteint un plateau. Lorsqu’une réaction atteint un plateau, cela signifie que la réaction est stable et n’augmentera plus.
En utilisant cette information pour interpréter les courbes sur le graphique, pour le groupe 1, où l’exposition à la lumière durait 12 heures, on observe une augmentation linéaire de 0 à 5 000 lx. Après 5 000 lx, la courbe des plantes du groupe 1 stagne, ce qui signifie qu’il n’y a pas d’augmentation de la production de chlorophylle avec des intensités lumineuses allant de 5 000 lx à 20 000 lx.
Pour le groupe 2, qui a été exposé aux intensités lumineuses indiquées pendant 24 heures, on observe une augmentation linéaire de 0 à 5 000 lx. De 5 000 lx à 10 000 lx, la courbe est toujours linéaire sur le graphique, même si elle n’est pas aussi raide qu’elle l’était de 0 à 5 000 lx. Puis, de 10 000 lx à 20 000 lx, la courbe des plantes du groupe 2 stagne, ce qui signifie qu’il n’y a pas d’augmentation de la production de chlorophylle avec ces intensités lumineuses.
Pour le groupe 3, qui a été exposé aux intensités lumineuses indiquées pendant 36 heures, on observe une augmentation linéaire de 0 à 20 000 lx. Il n’y a pas de plateau dans la synthèse de la chlorophylle pour les plantes du groupe 3 qui ont été exposées aux intensités lumineuses pendant 36 heures. Cela signifie que la quantité de chlorophylle synthétisée dans les plantes du groupe 3 n’a pas encore atteint de limite. L’absence de plateau dans le taux de synthèse de la chlorophylle chez les plantes du groupe 3 montre que la quantité de chlorophylle dans les plantes du groupe 3 est supérieure à celle des plantes du groupe 1 (le groupe de 12 heures) et 2 (le groupe de 24 heures).
Par conséquent, selon le graphique, on peut conclure que pour toutes les intensités lumineuses, davantage de chlorophylle est synthétisée lorsque la plante est exposée à la lumière pendant 36 heures que lorsqu’elle est exposée à la lumière pendant 24 ou 12 heures.
Résumons ce que nous avons appris dans cette fiche explicative.
Points clés
- Les gènes des plantes peuvent être influencés par les facteurs environnementaux qui affectent la synthèse des protéines.
- Les chloroplastes sont le site de la photosynthèse et contiennent un pigment vert, la chlorophylle.
- Chez les plantes, l’exposition au soleil affecte la synthèse de la chlorophylle, ce qui a un impact sur l’expression du pigment vert.
- Les facteurs environnementaux peuvent influer sur le taux de photosynthèse.
- Plus la lumière est intense, plus la chlorophylle est synthétisée, ce qui augmente le taux de photosynthèse.
- En revanche, le taux de photosynthèse n’augmente pas indéfiniment. Lorsque l’intensité de la lumière ne peut plus influencer le taux de photosynthèse, le taux de photosynthèse se stabilise ou atteint un plateau.
- Lorsqu’une réaction atteint un plateau, cela signifie que la réaction est stable et n’augmentera plus.
