La forme de croissance globale d'une plante et la disposition de ses parties, ou caractéristiques architecturales, impact sur la quantité d’énergie solaire qui atteint les feuilles à l’intérieur de la canopée. Cela affecte à son tour la photosynthèse, essentielle à la croissance des plantes et à la production de biomasse.

L’efficacité de la photosynthèse dépend fortement de l’azote limité disponible pour investir dans les protéines responsables de la récolte de l’énergie lumineuse et de la conversion de cette énergie en glucides (carboxylation). La répartition optimale de l'azote entre ces deux fonctions photosynthétiques est vitale pour obtenir une photosynthèse efficace et est appelée leur stratégie d'acclimatation photosynthétique.

Au cours de ses travaux de doctorat à la Leibniz Universität Hannover, Dr Yi-Chen Pao a mené une étude sur la coordination entre la stratégie d'acclimatation photosynthétique et les caractéristiques architecturales pour maximiser la photosynthèse du couvert forestier. Ce travail a été récemment publié dans la revue in silico Plantes.

Pour la première expérience, les auteurs ont utilisé un modèle mécaniste de concombre développé précédemment par Pao et ses collègues pour étudier la coordination optimale entre la stratégie d'acclimatation photosynthétique et les caractéristiques architecturales. Ils ont effectué des simulations de plantes avec différents angles de feuilles et observé les modèles d'allocation photosynthétique d'azote. Les valeurs des paramètres utilisées dans les modèles ont été obtenues à partir d'études antérieures.

Ils ont constaté que l’investissement en azote pour la récolte de la lumière était plus élevé que pour la conversion des glucides dans des conditions conduisant à une faible pénétration de la lumière dans le couvert forestier. Cela comprenait des moments en début de journée où l'exposition cumulée au soleil était faible et où les feuilles étaient plus horizontales, ce qui entraînait un auto-ombrage.

Résultats de la première expérience. Gauche : Les plantes dont les feuilles sont orientées plus horizontalement ont connu un plus grand auto-ombrage, ce qui a entraîné une diminution de la pénétration de la lumière dans les couches plus profondes de la canopée et une plus grande quantité d'azote allouée à la récolte de la lumière. À droite : une exposition cumulée inférieure à la lumière a entraîné une augmentation de l’azote alloué à la récolte de la lumière plutôt qu’à la carboxylation.

Dans une deuxième expérience, les auteurs ont testé si une coordination optimale entre la stratégie d'acclimatation photosynthétique et les caractéristiques architecturales pouvait être observée dans des variétés de concombre réelles. Ils ont choisi deux cultivars contrastés :

Les deux cultivars de concombre utilisés dans l'expérience 2.
  • Aramon avait des feuilles plus grandes et plus verticales et
  • Le SC-50 avait des feuilles plus petites et plus horizontales.

Les plantes ont été cultivées dans des conditions optimales en serre. Pendant trois semaines, les chercheurs ont mesuré diverses caractéristiques architecturales des plantes, telles que l'angle des feuilles, l'indice de surface foliaire et l'étendue de la pénétration de la lumière à travers la canopée. De plus, ils ont mesuré la photosynthèse et l’azote des feuilles, qui ont été utilisés pour calculer les pools d’azote photosynthétique.

L'expérience réelle a confirmé leur in silico résultats : l'investissement en azote a été priorisé pour la carboxylation sous un éclairage intense et pour une récolte légère sous un éclairage faible pour les deux cultivars. « Il n’est pas surprenant que la simulation ait prédit avec précision les réponses du monde réel. C'est incroyable de voir à quel point les plantes peuvent s'adapter à leur environnement, et nous sommes capables de capturer cela à l'aide de modèles simples », a déclaré Pao.

Pour déterminer si les deux cultivars présentaient une coordination optimale entre les caractéristiques architecturales et les stratégies d'acclimatation photosynthétiques lorsqu'ils étaient cultivés dans un couvert forestier, ils ont exécuté à nouveau les simulations du modèle, incluant cette fois les paramètres architecturaux dérivés de l'expérience de cultivars du monde réel. Les paramètres spécifiques au cultivar comprenaient l'architecture (angle, taille et densité des feuilles) et la proportion d'azote foliaire partagé vers la photosynthèse. La répartition théorique optimale de l'azote entre la capture de la lumière et la conversion des glucides a été déterminée comme étant la combinaison qui aboutissait au taux quotidien de photosynthèse le plus élevé.

Résultats de la troisième expérience. Optimale simulée de la répartition photosynthétique de l’azote sur un spectre de disponibilité de la lumière. Le triangle sarcelle est SC-50 et le diamant saumon est Aramon.

L'adhésion à l'optimalité variait sur le spectre de disponibilité de la lumière pour les deux cultivars, mais le SC-50 était le plus proche de l'optimum. « Le SC-50 possède des feuilles horizontales qui captent plus de lumière et une répartition de l'azote plus réactive, ce qui lui permet de répondre aux besoins des feuilles exposées à différents niveaux de lumière. Il s’agit d’une stratégie intelligente pour coordonner la fonction avec l’architecture dans un contexte de forte concurrence en matière d’éclairage », a expliqué Pao.

L'utilisation de modèles informatiques a joué un rôle central en offrant un point de vue complet sur la variation génotypique des stratégies d'acclimatation photosynthétiques, des architectures de la canopée et de leur coordination optimale dans cette étude.

LIRE L'ARTICLE:

Yi-Chen Pao, Hartmut Stützel, Tsu-Wei Chen, Coordination optimale entre la stratégie d'acclimatation photosynthétique et l'architecture de la canopée chez deux cultivars de concombre contrastés, in silico Plants, Volume 5, Numéro 2, 2023, diad014, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diad014

Cet article fait partie du numéro spécial sur Modélisation multi-échelle de la photosynthèse