ENSEIGNEMENT DE LA BIOLOGIE DES CULTURES VIVRIÈRES

Malgré l’importance des plantes dans notre vie quotidienne, il est parfois difficile d’attirer l’attention des étudiants en biologie, souvent dépassés par la complexité de la systématique végétale et la composition d’innombrables composés phytochimiques.

Comme indiqué précédemment dans le post « Enseignement de la botanique : la méthode Taylor Swift appliquée aux plantes « Les étudiants trouvent généralement la science végétale moins attrayante que d’autres sciences biologiques telles que la biologie animale et la biomédecine. De plus, les professionnels dédiés à l’enseignement de la biologie végétale sont également confrontés à des défis liés à disparité dans la connaissance des plantes – un terme qui décrit notre incapacité à remarquer les plantes dans l’environnement et à reconnaître leur importance pour les écosystèmes et les sociétés.

Pour rendre les cours de botanique plus attrayants, une approche intéressante pourrait consister à observer les plantes d’un autre œil. Dans cet article, nous explorons des stratégies intéressantes pour étudier les pigments cachés dans les cellules des plantes alimentaires courantes.

À LA DÉCOUVERTE DE LA MAGIE DES CULTURES VIVRIÈRES (derrière leur valeur nutritionnelle)

Selon estimations des Nations Unies, les espèces végétales représentent plus de 80 % de l’alimentation humaine. En effet, les cultures vivrières sont essentielles à notre nutrition car elles représentent les sources fondamentales de métabolites primaires – glucides issus des céréales, protéines issues des légumineuses et graisses issues de nombreuses cultures oléagineuses – ainsi qu’une large gamme de micronutriments qui contribuent au bon fonctionnement du corps humain.

Bien que la production mondiale de cultures ait augmenté au cours des dernières décennies, près de 60 % de la population mondiale souffre encore malnutrition Les microéléments, comme les vitamines et autres métabolites secondaires, sont des éléments que l’homme ne peut pas produire mais qui sont essentiels pour prévenir les pathologies chroniques, renforcer le système immunitaire et réduire le risque de maladies cardiovasculaires. Par exemple, diverses espèces horticoles enrichissent notre alimentation avec de puissants antioxydants, des molécules biologiquement actives qui luttent contre le stress oxydatif en neutralisant et en éliminant les espèces réactives de l’oxygène (ROS) toxiques.

AU CŒUR DES PIGMENTS DES CULTURES ALIMENTAIRES : un arc-en-ciel de couleurs

Parmi les sept couleurs du spectre (rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo et violet), les humains perçoivent principalement le vert des plantes. Cela est dû au fait que chlorophyllesLes pigments photosynthétiques responsables des teintes vertes sont les plus abondants dans le règne végétal. Les chlorophylles s'accumulent dans les chloroplastes, les organites intracellulaires présents dans les organes photosynthétiques actifs comme les feuilles. À mesure que les feuilles vieillissent, la dégradation des chlorophylles révèle la présence de caroténoïdes, pigments accessoires qui créent une coloration jaune vif à rouge.

En plus des feuilles sénescentes, les fruits mûrs de plusieurs espèces botaniques changent également de couleur du vert au jaune-orange-rouge en raison de l'accumulation de caroténoïdes (c'est-à-dire des xanthophylles et des carotènes, les précurseurs de la vitamine A) dans des organites spécifiques appelés chromoplastes. Au lieu de cela, les cellules d'autres fruits en cours de maturation qui acquièrent des couleurs rouges à bleues accumulent d'autres pigments appelés flavonoïdes dans la vacuole – un organite qui sert non seulement de réservoir pour les réserves et les déchets, mais qui est également essentiel au maintien de la pression osmotique entre la cellule et l’environnement extérieur.

Pour découvrir le monde étonnant et caché des pigments végétaux importants (chlorophylles, caroténoïdes et flavonoïdes) grâce à l'expérience pratique (Figure 1), il suffit d'utiliser un simple microscope optique pour observer des tranches fraîchement préparées de cultures vivrières courantes comme le basilic (Ocimum basilicum, Lamiaceae famille), poivre (Capsicum annuum, solanacées famille), oignon (Allium cepa, amaryllidaceae famille) et la chicorée (Cichorium intybus, Asteraceae famille).

Figure 1. Dévoiler les couleurs des cultures vivrières, pratique. Matériel végétal : jeunes feuilles de basilic (ou autres plantes aromatiques), fruits de poivrons verts et mûrs, bulbe d'oignon rouge et tête de chicorée rouge (radis rouge). Matériel de laboratoire : Boîtes de Petri, lames et pinces, lames de verre et lamelles, bouteille avec de l'eau. Laboratoire d’optique Équipement: microscope optique.

VOIR LES CHLOROPHYLLES : feuilles de plantes aromatiques

Les plantes produisent leur propre nourriture grâce à la photosynthèse (un processus complexe qui se déroule par le biais de réactions interconnectées) en utilisant la lumière du soleil. Tout commence dans les membranes du chloroplaste, où des amas de chlorophylles et de pigments accessoires travaillent ensemble pour capter l'énergie solaire.

Un examen plus approfondi des feuilles, principaux organes photosynthétiques, révèle également la présence de types cellulaires spécifiques constituant les couches protectrices (épiderme supérieur et inférieur) et les pores (stomates) qui modulent l'interaction entre la plante et l'environnement. Pour plus d'informations, consultez la Pilule botanique «La feuille : naissance, vie et mort d'un organe photosynthétique ».

Figure 2. Sections fines d'une feuille de basilic sous la lumière d'un microscope optique. À gauche, cellules vertes des feuilles accumulant des pigments photosynthétiques. À droite, grossissement plus élevé montrant des cellules épidermiques en forme de puzzle et des cellules de garde en forme de haricot des stomates.

CONSEIL 1: Étant donné que les chlorophylles sont soluble dans l'alcool, on peut les extraire des tissus verts en utilisant de l'éthanol. Expérience : placez une feuille de menthe (ou de persil) dans un premier tube à essai avec de l'eau et une autre dans un deuxième tube à essai avec de l'éthanol à 95 %. Vérifiez la différence après un certain temps !

VOIR LES CAROTÉNOÏDES : fruits et racines

Chez le poivron, les fruits verts sont la forme immature des fruits mûrs : les chloroplastes ne sont pas encore différenciés en chromoplastes et contiennent encore de la chlorophylle. À maturité, les fruits accumulent des xanthophylles rouges (par exemple, la capsanthine) ou des xanthophylles jaunes (par exemple, la violaxanthine), selon les variations de la voie de biosynthèse des caroténoïdes. Dans ces organes, les pigments s’accumulent dans le mésocarpe, le tissu issu de la transformation de la paroi de l’ovaire après la double fécondation.

Figure 3. Sections fines de fruits de poivrons observées à la lumière d'un microscope optiqueCellules fruitières avec plastes accumulant des pigments photosynthétiques chez le poivron vert (à gauche) et des caroténoïdes chez le poivron rouge (à droite).

CONSEIL 2: Étant donné que les caroténoïdes sont pigments liposolubles, on peut les extraire des tissus d'orange à l'aide de lipides. Expérience : placez quelques tranches de carotte dans un premier tube à essai avec de l'eau et d'autres dans un deuxième tube à essai avec de l'huile végétale. Vérifiez la différence après un certain temps !

VOIR LES FLAVONOÏDES : espèces horticoles

À ce jour, les phytologues ont identifié près de 6000 flavonoïdes, répartis en différents groupes. Certains d'entre eux (par exemple les flavones) sont incolores tandis que d'autres (par exemple les anthocyanes) confèrent une pigmentation rouge à bleue à différents organes. Ces molécules jouent des fonctions clés dans les mécanismes de photoprotection des plantes et sont appréciées pour leurs propriétés antioxydantes et anti-inflammatoires en nutrition humaine.

Entre autres anthocyanes Les pigments anthocyaniques s'accumulent généralement dans les fleurs et les fruits rouges à bleus (par exemple les baies), où ils facilitent l'attraction des animaux qui assurent la pollinisation et la dispersion des graines. Mais ces pigments peuvent également être présents dans d'autres organes de variétés d'espèces comestibles riches en anthocyanes, comme les bulbes d'oignon rouge ou les feuilles de radicchio de Trévise.

Figure 4. Sections minces de bulbe d'oignon et de tête de chicorée observées à la lumière d'un microscope optique. À gauche, cellules des cataphylles de l'oignon – feuilles modifiées accumulant des anthocyanes. À droite, cellules épidermiques de la feuille de chicorée présentant une couleur rose-violet caractéristique.

CONSEIL 3: Les anthocyanes sont pigments hydrosolubles qui changent de couleur en fonction du pH. Expérience : placez des extraits aqueux de baies rouges à bleues dans deux tubes à essai et modifiez le pH en ajoutant quelques gouttes de HCl ou quelques gouttes de KOH. Vérifiez la différence après un certain temps !

CRÉDITS

Les photos ont été prises à l'Université d'Urbino lors des entraînements avec 2nd étudiants de première année du cursus « Biologie des cultures », diplôme universitaire en Sciences de la nutrition humaine.