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Anatomie des plantes

L'anatomie végétale décrit la structure et l'organisation des cellules, des tissus et des organes des plantes en fonction de leur développement et de leur fonction. Les plantes à fleurs sont composées de trois organes végétatifs : (i) les racines, qui servent principalement à l'ancrage, à l'eau et aux nutriments, et à l'entreposage des sucres et de l'amidon ; (ii) les tiges, qui fournissent un soutien ; et (iii) les feuilles, qui produisent des substances organiques par photosynthèse. Les racines poussent en réponse à la gravité. En général, un semis produit une racine primaire qui pousse directement vers le bas et donne naissance à des racines latérales secondaires. Ceux-ci peuvent produire des racines tertiaires, qui peuvent à leur tour se ramifier, le processus se poursuivant presque indéfiniment. La croissance se produit à l'extrémité ou à l'apex de la racine, qui est protégé par une capuchon racinaire. Les racines grandissent et se ramifient continuellement, dans leur recherche de minéraux et d'eau. L'efficacité de la racine en tant qu'organe absorbant dépend de sa surface absorbante par rapport à son volume, qui est créé par les poils racinaires et le système complexe de branches.

La figure 7 illustre l'anatomie de base d'une plante. L'hypocotyle est la partie de la tige qui, à sa base, se lie à la racine. À l'autre extrémité de la tige se trouve le bourgeon terminal, ou bourgeon apical, qui est le point de croissance. La tige est normalement divisée en noeuds et entre-noeuds. Les noeuds contiennent une ou plusieurs feuilles, qui sont attachées à la tige par des pétioles, ainsi que des bourgeons qui peuvent se développer en branches avec des feuilles ou des fleurs. Les entre-nœuds éloignent un nœud d'un autre. La tige et ses branches permettent de disposer les feuilles de manière à maximiser l'exposition au soleil, et les fleurs peuvent être disposées pour attirer au mieux les pollinisateurs. La ramification provient de l'activité des bourgeons apicaux et axillaires. La dominance apicale se produit lorsque l'apex de la tige inhibe la croissance des bourgeons latéraux de sorte que la plante peut croître verticalement. Les pousses, qui portent les feuilles, les fleurs et les fruits, poussent vers une source lumineuse. Les feuilles contiennent généralement des pigments et sont les sites de photosynthèse (voir 4.3.2.1). Les feuilles contiennent également des stomates, des pores à travers lesquels l'eau sort et à travers lesquels se produit l'échange gazeux (dioxyde de carbone entrant et oxygène sortant).

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Figure 7 : L'anatomie d'une plante

  1. Le système de tir. 2. Le système racinaire. 3. Hypocotyle. 4. Bud terminal 5. Lame de feuilles. 6. L'Internode. 7. Bourgeon axillaire 8. Noeud 9. Tige 10. Petiole. 11. Appuyez sur Racine. 12. Poils de racines 13. Pointe racine 14. Racine Cap https://en.wikipedia.org/wiki/Plant\_anatomy\#/media/File:Plant\_Anatomy.svg

Physiologie végétale

La physiologie végétale est un vaste sujet qui couvre des processus fondamentaux tels que la photosynthèse, la respiration, la nutrition des plantes, les fonctions des hormones végétales, les tropismes, la photopériodie, la photomorphogenèse, les rythmes circadiens, la physiologie du stress environnemental, la germination des graines, la dormance, la fonction des stomates et la transpiration. Ici, nous allons nous concentrer sur les processus physiologiques les plus importants et sur la façon dont ils sont affectés par les conditions de croissance.

Photosynthèse

Toutes les plantes vertes génèrent leur propre nourriture en utilisant la photosynthèse. La photosynthèse est le processus par lequel les plantes sont capables d'utiliser la lumière pour produire de l'énergie et des glucides par la fixation du CO2 :

6$ 2 + 6 _2→ _6 {12} _6 + 6 _2$

Bien que la photosynthèse se produise dans toutes les parties vertes d'une plante, le site principal de ce processus est la feuille. Les petits organites appelés chloroplastes contiennent de la chlorophylle, un pigment qui utilise l'énergie de la lumière du soleil pour créer des molécules de sucre à haute énergie comme le glucose. Une fois créées, les molécules de sucre sont transportées dans toute la plante où elles sont utilisées pour tous les processus physiologiques tels que la croissance, la reproduction et le métabolisme. La photosynthèse nécessite de la lumière, du dioxyde de carbone et de l'eau.

Respiration

Le processus de respiration chez les plantes consiste à utiliser les sucres produits lors de la photosynthèse ainsi que l'oxygène pour produire de l'énergie pour la croissance des plantes :

$ _6- {12} _6 + 6 _2 → 6 _2 + 6 _2+ $

Bien que la photosynthèse ait lieu uniquement dans les feuilles et les tiges, la respiration se produit dans toutes les parties de la plante. Les plantes obtiennent de l'oxygène de l'air à travers les stomates, et la respiration a lieu dans les mitochondries de la cellule en présence d'oxygène. La respiration des plantes se produit 24 heures par jour, mais la respiration nocturne est plus évidente puisque le processus de photosynthèse cesse. Pendant la nuit, il est très important que la température soit plus froide que pendant la journée, car cela réduit le taux de respiration et permet ainsi aux plantes d'accumuler du glucose et de synthétiser d'autres substances qui sont nécessaires à la croissance de la plante. Les températures nocturnes élevées causent des taux de respiration élevés, ce qui pourrait causer des dommages aux fleurs et une mauvaise croissance des plantes.

Osmose et plasmolyse

L'osmose est le processus par lequel l'eau pénètre dans les racines de la plante et se déplace vers ses feuilles (Figure 8). Dans la plupart des sols, de petites quantités de sels sont dissoutes dans de grandes quantités d'eau. Inversement, les cellules végétales contiennent moins d'eau dans laquelle les sels, les sucres et d'autres substances sont concentrés. Pendant l'osmose, les molécules d'eau tentent d'égaliser leur concentration des deux côtés des membranes cellulaires. Ainsi, lorsque l'eau se déplace du sol, où elle est la plus abondante, elle « cherche » à diluer la solution dans les cellules. L'eau qui pénètre dans une cellule est stockée dans une grande vacuole centrale. Lorsqu'une cellule devient turgide (complètement gonflée), le taux d'absorption d'eau est ralenti. La turgescence cellulaire donne de la fermeté aux tissus remplis d'eau. La différence entre les feuilles de laitue croustillantes et fanées illustre la nature des cellules turgides et non turgides (flasques). La plupart des espèces végétales se fanent dans les sols où des quantités importantes de sels se sont accumulées, même lorsque l'eau est suffisante. Ces sols salins ont une teneur en eau inférieure à celle des cellules racinaires, de sorte que les racines perdent de l'eau lorsque la direction de l'écoulement osmotique est inversée. Ce processus est appelé plasmolyse. Une cellule commence à rétrécir sans eau interne adéquate. Après une perte d'eau prolongée, la cellule commence à s'effondrer sans aucune eau interne pour le soutien. L'effondrement cellulaire complet est rarement réversible. Lorsque les cellules commencent à s'effondrer à cause de la perte d'eau, la plante est généralement condamnée parce que ses cellules meurent.

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Figure 8 : Pression de turgescence sur les cellules végétales < https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Turgor_pressure_on_plant_cells_diagram.svg >

Transpiration

La transpiration est la perte d'eau d'une plante sous forme de vapeur d'eau. Cette eau est remplacée par une absorption supplémentaire de l'eau à travers les racines, conduisant à une colonne d'eau continue à l'intérieur de la plante. Le processus de transpiration fournit à la plante un refroidissement par évaporation, des nutriments, une entrée de dioxyde de carbone et de l'eau pour fournir la structure de la plante. Lorsqu'une plante transpire, ses stomates sont ouverts, ce qui permet un échange gazeux entre l'atmosphère et la feuille. Les stomates ouverts permettent à la vapeur d'eau de sortir de la feuille, mais aussi à l'entrée du dioxyde de carbone (CO2) nécessaire à la photosynthèse. La température influence grandement le taux de transpiration. À mesure que la température de l'air augmente, la capacité de rétention d'eau de cet air augmente fortement. Un air plus chaud augmentera donc la force motrice de la transpiration, tandis que l'air frais la réduira.

Phototropisme

Le phototropisme est une réponse directionnelle qui permet aux plantes de se développer vers ou, dans certains cas, loin d'une source de lumière. Le phototropisme positif est la croissance vers une source lumineuse ; le phototropisme négatif est la croissance loin de la lumière. Les pousses, ou les parties hors sol des plantes, affichent généralement un phototropisme positif. Cette réponse aide les parties vertes de la plante à se rapprocher d'une source d'énergie lumineuse, qui peut ensuite être utilisée pour la photosynthèse. Les racines, d'autre part, auront tendance à s'éloigner de la lumière. L'hormone contrôlant le phototropisme est l'auxine. Sa fonction principale est de stimuler l'augmentation de la longueur des cellules, en particulier près de la tige et de la racine. Dans les tiges éclairées par le haut, les cellules subissent des taux d'allongement égaux, ce qui entraîne une croissance verticale. Mais lorsqu'elles sont éclairées d'un côté, les tiges changent de direction parce que l'auxine s'accumule dans le côté ombragé, provoquant la croissance des cellules là-bas plus rapide que celles vers la lumière. Le phototropisme peut donc amener les plantes à grandir et à s'affaisser lorsqu'elles s'étirent et se plient pour trouver une source lumineuse adéquate.

Photopériodie

Le photopériodisme est la régulation de la physiologie ou du développement en réponse à la longueur du jour, ce qui permet à certaines espèces de plantes de fleurir — passer au mode de reproduction — seulement à certaines périodes de l'année. Les plantes se répartissent généralement en trois catégories de photopériode : les plantes de longue journée, les plantes de courte durée et les plantes neutres de jour. L'effet du photopériodie chez les plantes ne se limite pas au moment où elles fleurissent. Il peut également affecter la croissance des racines et des tiges, et la perte de feuilles (abscission) pendant différentes saisons. Les plantes de longue journée fleurissent généralement pendant les mois d'été lorsque les nuits sont courtes. Des exemples de plantes de longue journée sont les choux, les laitues, les oignons et les épinards. D'autre part, les plantes de courte durée fleurissent pendant les saisons qui ont de plus longues périodes de nuit. Ils ont besoin d'une quantité continue d'obscurité avant que le développement des fleurs ne puisse commencer. Les fraises sont des plantes de courte durée. La floraison de certaines plantes, appelées plantes neutres du jour, n'est pas liée à une photopériode particulière. Ceux-ci comprennent les piments, les concombres et les tomates. Les producteurs commerciaux peuvent tirer parti des connaissances sur la photopériode d'une plante en la manipulant en floraison avant qu'elle ne le fasse naturellement. Par exemple, les plantes peuvent être forcées de fleurir en exposant ou en limitant leur accès à la lumière, puis peuvent être manipulées pour produire des fruits ou des graines en dehors de leur saison habituelle (Rauscher 2017).

  1. Exigences croissantes

Les principaux facteurs environnementaux qui influent sur la croissance des plantes sont : la lumière, l'eau, le dioxyde de carbone, les nutriments (voir Chapitre 5), la température et l'humidité relative. Ceux-ci affectent les hormones de croissance de la plante, ce qui fait pousser la plante plus rapidement ou plus lentement.

Lumière

La transmission de la lumière, de la quantité et de la qualité appropriées, est cruciale pour une photosynthèse, une croissance et un rendement optimaux. Le soleil produit des photons avec une large gamme de longueurs d'onde (Figure 9) : UVC 100- 280 nanomètres (nm), UVB 280-315 nm, UVA 315-400 nm, rayonnement visible ou photosynthétiquement actif (PAR) 400-700 nm, rouge lointain 700-800 nm et infrarouge 800-4000 nm. Dans la plage visible du spectre, les bandes d'ondes peuvent être divisées en couleurs : bleu 400-500 nm, vert 500-600 nm et rouge 600-700 nm.

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Figure 9 : Spectre d'absorption de la chlorophylle https://www.flickr.com/photos/[email protected]/29979758460

Il existe deux types différents de chlorophylle : la chlorophylle a et la chlorophylle b. La chlorophylle a est le pigment photosynthétique le plus courant et absorbe les longueurs d'onde bleues, rouges et violettes dans le spectre visible. Il participe principalement à la photosynthèse oxygène dans laquelle l'oxygène est le principal sous-produit du procédé. La chlorophylle b absorbe principalement la lumière bleue et est utilisée pour compléter le spectre d'absorption de la chlorophylle a en étendant la gamme des longueurs d'onde lumineuses qu'un organisme photosynthétique est capable d'absorber. Ces deux types de chlorophylle fonctionnent de concert pour permettre une absorption maximale de la lumière dans le spectre bleu à rouge.

Les réactions à la lumière des plantes ont évolué pour aider les plantes à s'acclimater à une grande variété de conditions lumineuses. Toutes les plantes réagissent différemment aux conditions de lumière élevée et faible, mais certaines espèces sont adaptées pour fonctionner de manière optimale en plein soleil, tandis que d'autres préfèrent plus d'ombre. Dans l'obscurité, les plantes respirent et produisent du CO2. À mesure que l'intensité lumineuse augmente, le taux de photosynthèse augmente également, et à une certaine intensité lumineuse (le point de compensation de la lumière), le taux de respiration est égal au taux de photosynthèse (pas d'absorption nette ou de perte de CO2). En plus de l'intensité lumineuse, la couleur de la lumière influence également le taux de photosynthèse. Les plantes sont capables d'utiliser des longueurs d'onde comprises entre 400 nm et 700 nm pour la photosynthèse. Cette bande d'onde est appelée rayonnement photosynthétiquement actif (PAR) (Davis 2015).

La quantité de lumière disponible pour les plantes est très variable à travers le monde et au fil des saisons. Par exemple, à basse altitude solaire, la lumière doit passer à travers un plus grand volume d'atmosphère avant d'atteindre la surface de la terre, ce qui provoque des changements dans le spectre, car l'atmosphère filtre proportionnellement plus de la longueur d'onde plus courte de la lumière, de sorte qu'elle filtre plus d'UV que de bleu, et plus de bleu que de vert ou rouge. Les changements dans la composition spectrale avec la saison et l'emplacement influent sur les réponses à la lumière des plantes (Davis 2015).

Eau

La disponibilité de nombreux nutriments dépend du pH de l'eau. En général, la plage de tolérance pour la plupart des plantes est de pH 5,5-7,5. Si le pH dépasse cette plage, les plantes subissent un blocage des éléments nutritifs, ce qui signifie que même si les nutriments sont présents dans l'eau, les plantes ne peuvent pas les utiliser. Cela est particulièrement vrai pour le fer, le calcium et le magnésium. Cependant, il y a des preuves que le verrouillage des éléments nutritifs est moins fréquent dans les systèmes aquaponiques matures que dans l'hydroponie, parce que l'aquaponie est un écosystème entier, alors que l'hydroponie est une entreprise semi-stérile. Par conséquent, dans les systèmes aquaponiques, il existe des interactions biologiques entre les racines des plantes, les bactéries et les champignons qui peuvent permettre l'absorption des nutriments même à des niveaux supérieurs à 7,5. Cependant, la meilleure façon d'agir est de tenter de maintenir un pH légèrement acide (6—7), mais de comprendre qu'un pH plus élevé (7—8) peut également fonctionner (Somerville et al. 2014c).

La plupart des plantes ont besoin de niveaux élevés (> 3mg/L) d'oxygène dissous (OD) dans l'eau. Cet oxygène permet à la plante de transporter plus facilement les nutriments à travers ses racines et de les internaliser. Sans elle, les plantes peuvent éprouver la pourriture des racines, où les racines meurent et les champignons poussent. De plus, de nombreux agents pathogènes des racines des plantes opèrent à de faibles niveaux d'oxygène dissous, de sorte que si l'eau est faible en oxygène, il peut donner à ces pathogènes la chance dont ils ont besoin d'attaquer les racines (Pantanella 2012).

La plage idéale de température de l'eau pour la plupart des légumes est de 14 à 22 °C, bien que les températures de croissance optimales varient d'une espèce à l'autre (voir chapitre 7). Généralement, c'est la température de l'eau qui a le plus d'effet sur les plantes, plutôt que la température de l'air. Les bactéries et autres micro-organismes qui habitent les systèmes aquaponiques ont également une plage de température préférée. Par exemple, les bactéries de nitrification qui convertissent l'ammoniac en nitrate préfèrent une température moyenne d'environ 20 °C (Pantanella 2012 ; Somerville et al. 2014c).

Dioxyde de carbone (CO2)

Pendant la photosynthèse, les plantes utilisent du CO2 pour fabriquer des aliments et libèrent de l'oxygène en conséquence. Les concentrations accrues de CO2 augmentent la photosynthèse, stimulant la croissance des plantes. L'air frais contient du CO2 à environ 0,037 %, mais dans une serre ou une salle de culture hermétiquement fermée, le CO2 ambiant peut s'habituer rapidement. Par exemple, dans une serre en plastique, les niveaux de CO2 peuvent être réduits à moins de 0,02 % seulement 1-2 heures après le lever du soleil. À des niveaux inférieurs à 0,02 %, la croissance des plantes sera considérablement limitée et, à des niveaux inférieurs à 0,01 %, les plantes cesseront complètement de croître. En augmentant les niveaux de CO2 à 0,075 -0,15 %, les producteurs peuvent s'attendre à une augmentation de 30 à 50 % des rendements par rapport aux niveaux ambiants de CO2 , et le temps de fructification et de floraison peut être réduit de 7 à 10 jours. Toutefois, des niveaux excessifs d'enrichissement en CO2 peuvent avoir des effets néfastes. Les niveaux supérieurs à 0,15 % sont considérés comme un gaspillage, tandis que les niveaux supérieurs à 0,5 % sont nocifs. Des niveaux excessifs provoqueront la fermeture des stomates sur les feuilles des plantes, arrêtant temporairement la photosynthèse, et comme les plantes ne sont plus capables de transpirer adéquatement la vapeur d'eau lorsque les stomates sont fermés, les feuilles peuvent être brûlées.

Température

La température est le principal facteur environnemental qui influence les processus de croissance végétative des plantes, depuis les premiers stades du développement jusqu'à la formation des fleurs. Chaque espèce végétale a sa propre plage de température optimale. Les plantes « cherchent » à atteindre leur température optimale, et un équilibre entre la température de l'air, l'humidité relative et la lumière est important à cet égard. Si les niveaux de lumière sont élevés, la plante se réchauffe, ce qui entraîne une différence entre la température de la plante et la température de l'air. Pour refroidir, le taux de transpiration de la plante doit augmenter. Des températures très basses ou élevées dans l'environnement de croissance peuvent nuire à divers processus métaboliques tels que l'absorption d'éléments nutritifs, la formation de chlorophylle et la photosynthèse. En général, une augmentation ou une diminution de la température au-dessus ou au-dessous du niveau optimal est connue pour modifier plusieurs processus physiologiques chez les plantes et endommager les cellules végétales, altérant ainsi la croissance.

Humidité relative

L'humidité relative (HR) est la quantité de vapeur d'eau présente dans l'air exprimée en pourcentage de la quantité nécessaire à la saturation à la même température. L'humidité relative influence directement les relations hydriques d'une plante et affecte indirectement la croissance foliaire, la photosynthèse et l'apparition de maladies. Sous HR élevé, le taux de transpiration est réduit, la pression de turgescence est élevée et les cellules végétales poussent. Lorsque l'HR est faible, la transpiration augmente, provoquant des déficits hydriques dans la plante, ce qui peut entraîner le flétrissement de la plante. Les déficits hydriques provoquent une fermeture partielle ou complète des stomates, bloquant ainsi l'entrée de dioxyde de carbone et inhibant la photosynthèse. L'incidence des insectes ravageurs et des maladies est élevée dans des conditions d'humidité élevée, et l'HR élevé favorise également la germination facile des spores fongiques sur les feuilles des plantes.

*Copyright © Partenaires du projet Aqu @teach. Aqu @teach est un partenariat stratégique Erasmus+ dans l'enseignement supérieur (2017-2020) dirigé par l'Université de Greenwich, en collaboration avec l'Université des sciences appliquées de Zurich (Suisse), l'Université technique de Madrid (Espagne), l'Université de Ljubljana et le Centre biotechnique Naklo (Slovénie) . *

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