Importance économique

En 2009, la production mondiale a été de 124,4 millions de tonnes (Mt). La production d’agrumes est au 1^er rang des productions fruitières devant la banane (95.6 Mt), la pomme (71,7 Mt), et le raisin (66,9 Mt) (Figure 1A). Cette production est composée à 60% d’oranges, à 22% de petits agrumes (clémentines et mandarines), à 12% de citrons et à 4% de pomelos.

Le reste de la production correspond à des cultures marginales comme le cédrat et le kumquat. Plus de la moitié de la production mondiale est destinée à la consommation de fruits frais, le reste étant transformé (Source FAO).

Les principales zones de production d’agrumes sont la Chine (25 Mt), le Brésil (20,5 Mt), le Bassin Méditerranéen (20 Mt) et les Etats-Unis (10,7 Mt), suivis par le Mexique (7,5 Mt) et l’Inde (7,2 Mt) (Figure 1B). Les productions issues du Brésil et des Etats-Unis sont principalement destinées à la transformation, tandis que les productions issues de la Chine et du Bassin Méditerranéen sont avant tout destinées à la consommation de fruits frais.

Au sein du Bassin Méditerranéen, les principaux pays producteurs sont l’Espagne (5,5 Mt), l’Italie (3,6 Mt), la Turquie (2,8 Mt), l’Egypte (2,6 Mt) et le Maroc (1,3 Mt) (Figure 1C) (Source FAO).

Partie I : Introduction bibliographique

5 II.2. Origine des agrumes

Les agrumes ont une origine asiatique. Ils sont issus des régions tropicales et subtropicales du nord-est asiatique, du nord-est de l’Inde, de la péninsule indochinoise et de l’archipel malais (Nicolosi, 2007). La diffusion des agrumes a eu lieu à travers le monde. Les conquêtes grecques et romaines en Asie Mineure et au Moyen-Orient ont permis la dispersion du cédrat. Les croisades et l’expansion de la civilisation islamique, quant à eux, ont permis de propager les agrumes acides, les échanges commerciaux et la découverte des nouveaux mondes ont permis l’introduction des orangers (Figure 2). La seule espèce non originaire d’Asie est le pomelo (Citrus paradisi Macf.) découvert par C. Colomb lorsqu’il est arrivé dans les Caraïbes. De nos jours, les agrumes sont cultivés dans le monde entier entre le 40^ème parallèle nord et le 40^ème parallèle sud.

La première espèce d’agrumes introduite et cultivée dans le Bassin Méditerranéen en 300 av. J.C. est le cédratier (C. medica L.). Le bigaradier (C. aurantium L.) a été introduit par les Arabes en Afrique depuis l’Inde puis diffusé en Méditerranée. La clémentine est une espèce récente, caractérisée au XXème siècle, originaire d’Afrique du Nord et issue d’un

Figure 2: Origine et dispersion des agrumes d'après Ollitrault et al. (2003).

6 croisement entre l’oranger doux et le mandarinier. Le bassin méditerranéen est une zone importante de diversification secondaire pour les orangers (C. sinensis (L.) Osbeck), les petits fruits d’agrumes: mandariniers et clémentiniers (C. reticulata Blanco et C. clementina Hort.

Ex Tan.), et les citronniers (C. Limon (L.) Burm.).

II.3. Classification des agrumes

Les agrumes appartiennent à la famille des Rutaceae, l’une des 21 familles composant l’ordre des Géréniales. Les Rutaceae comprennent 1600 espèces et 150 groupes regroupés en 7 sous-familles et 12 tribus. Les « agrumes vrais » regroupent 6 genres sexuellement compatibles de la famille des Rutaceae, de la sous-famille des Aurantioideae, et de la tribu des Citreae (Figure 3) (Swingle et Reece, 1967).

La majorité des espèces dont les fruits sont consommés appartiennent au genre Citrus.

Le genre Fortunella rassemble deux à sept espèces communément appelées kumquat. Le genre Poncirus, mono-spécifique, est utilisé comme porte-greffe du fait de ses résistances aux contraintes biotiques (Praloran, 1971). La classification des agrumes diverge selon les taxonomistes. Swingle et Reece (1967) ont identifié 16 espèces dont 8 comestibles alors que Tanaka (1961) a décrit 162 espèces.

Figure 3: Classification des Aurantioideae d’après Swingle et Reece (1967).

Partie I : Introduction bibliographique

7 II.4. Le fruit

Le fruit d’agrumes est un type spécial de baie appelé « hespéridium ». C’est un fruit

« vrai » né de la croissance et du développement d’un ovaire, composé d’un nombre variable d’unités, arrangées radialement en carpelles. Un petit fruit secondaire, appelé

« navel », est présent chez certaines espèces (Spiegel-Roy et Goldschmidt, 1996).

II.4.1. Structure du fruit

Les fruits d’agrumes sont composés de deux régions morphologiques distinctes, le péricarpe communément appelé la peau, et l’endocarpe, qui est la partie comestible du fruit connue sous le nom de pulpe (Figure 4).

La peau est composée de l’épicarpe ou flavedo qui est la couche externe colorée, et du mésocarpe ou albédo qui est la couche interne blanche riche en glandes à huiles essentielles.

Durant les premiers stades du développement du fruit, le flavedo est un tissu vert photosynthétique (Spiegel-Roy et Goldschmidt, 1996). Au cours de la maturation, la chlorophylle est dégradée et les chloroplastes sont transformés en chromoplastes riches en caroténoïdes. La pulpe qui est la partie comestible du fruit, est composée de segments qui sont entourés d’une membrane et remplis de sacs à jus (Spiegel-Roy et Goldschmidt, 1996).

Figure 4: Structure du fruit d'agrumes d'après Praloran (1971).

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Figure 5: Croissance et développement du fruit d'après Spiegel-Roy et Goldschmidt (1996) et Tadeo et al. (2008).

Partie I : Introduction bibliographique

9 II.4.2. Développement du fruit

La croissance et le développement des fruits suivent une courbe de croissance sigmoïde typique, divisée en trois phases : la division cellulaire (phase I), le grossissement cellulaire (phase II) et la maturation des fruits (phase III) (Figure 5A) (Bain, 1958).

La phase initiale, ou phase I, est caractérisée par la division cellulaire et un faible grossissement cellulaire. Cette phase dure entre cinq et dix semaines après la floraison (Spiegel-Roy et Goldschmidt, 1996). Par la suite, pendant la période de croissance rapide (phase II), les fruits subissent une très forte augmentation de la taille par grossissement cellulaire et accumulent des réserves et de l’eau. Cette période dure de 4 à 6 mois (Mehouachi et al., 1995). La phase III, également définie comme la période de maturation, où la croissance ralentit très fortement. L’accumulation des sucres dans les fruits commence lors de la phase II pour atteindre un maximum au stade de maturité tandis que l’accumulation des acides organiques atteint son maximum au milieu de la phase II (Figure 5B). Ensuite, une diminution de la quantité d’acide est observée. Les fruits mûrs, sont caractérisés par une faible acidité (Iglesias et al., 2007). L’accumulation massive de caroténoïdes est concomitante à la dégradation de la chlorophylle (Figure 5C) (Kato et al., 2004).

La quantité de caroténoïdes est faible au début du développement des fruits. Au cours du changement de couleur des fruits (passage de la couleur verte à la couleur orange), on observe une diminution en carotènes (β-, α-, δ-, et ζ-carotènes) et en β,ε-xanthophylles (lutéine) et une augmentation de β,β-xanthophylles (β-cryptoxanthine, zéaxanthine et violaxanthine) (Kato et al., 2004; Rodrigo et al., 2004). A maturité, les petits fruits tels que la mandarine accumulent préférentiellement de la β-cryptoxanthine (Goodner et al., 2001;

Ikoma et al., 2001) tandis que les oranges accumulent de la violaxanthine (Lee, 2001).

II.5. Valeur nutritionnelle des fruits

La pulpe des fruits d’agrumes est composée à 85-90% d’eau (Erickson, 1968). A côté des sucres solubles, des acides organiques dont la vitamine C, des acides aminés, et de la

10 pectine, on trouve des composés secondaires (flavonoïdes, anthocyanes, et caroténoïdes) et des minéraux (Spiegel-Roy et Goldschmidt, 1996).

Il existe une grande diversité de caroténoïdes chez les agrumes. Leurs concentrations sont spécifiques des espèces (Tableau 1).

cis-violaxanthine 0,670 10,581 3,261

zéaxanthine 0,682 0,853 0,830

phytoène 2,130 1,126 0,758 0,946

β-cryptoxanthine 0,165 10,287 2,694 9,087

phytofluène 1,711 1,267 0,703 1,265

La pulpe des agrumes a une composition complexe en caroténoïdes, elle peut contenir jusqu’à 40 molécules différentes (Rouseff et al., 1996). Les agrumes peuvent être classés en trois groupes. Le groupe des mandarines, clémentines et oranges, est caractérisé par une forte concentration en caroténoïdes totaux et notamment en xanthophylles. La β-cryptoxanthine est le composant majeur des clémentines et des mandarines tandis que la cis-violaxanthine s’accumule préférentiellement chez l’orange. Le groupe des citrons et des limes est caractérisé par une faible concentration en caroténoïdes, tandis que le groupe des pomelos est riche en lycopène (Fanciullino et al., 2006).

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Figure 6: Métabolisme des sucres et des acides organiques d’après Buchanan et Balmer (2005) et Taiz et Zieger (2006).

ALD : aldolase ; ATP-PFK: phosphofructokinase dépendante de l’ATP; CoA-SH : coenzyme A ; CS : citrate synthase ; HK : hexokinase ; IDH : isocitrate déshydrogénase ; INV : invertase ; PPi : pyrophosphate ; PPi-PFK: phosphofructokinase dépendante du PPi ; PDH : pyruvate déshydrogénase ; PK : pyruvate kinase ; SS : saccharose synthase.

12 III. La qualité des fruits

Chez les agrumes, la qualité des fruits est liée à plusieurs propriétés physiques incluant la taille, la forme, la couleur, la texture, le nombre de graines, la facilité d’épluchage,… et à des composés chimiques : sucres, acides, composés aromatiques volatils, vitamine C et caroténoïdes (Iglesias et al., 2007). Même si l'aspect extérieur des fruits n'est pas déterminant dans la qualité du fruit, une belle couleur orange est habituellement exigée sauf chez le pomelo et le citron. Les caroténoïdes, intervenant dans la coloration des fruits, et le rapport sucres/acidité, essentiel pour le goût représentent les plus importants indicateurs de la qualité des agrumes. La teneur de ces composés est variable d’une variété à une autre et selon le stade de développement du fruit (Iglesias et al., 2007). La qualité du fruit est déterminée pour une grande partie par leur croissance et la charge en fruits, mais également par les conditions environnementales, l’intensité lumineuse, la température, l’humidité du sol et les conditions biotiques et abiotiques (Davies et Albrigo, 1994; Iglesias et al., 2008;

Spiegel-Roy et Goldschmidt, 1996). Les caractéristiques les plus appréciées des agrumes destinés à la transformation sont liés à la qualité interne du fruit qui est une fonction de la saveur et du goût (Tadeo et al., 2008). La qualité des fruits est propre aux préférences des consommateurs qui varient considérablement selon les pays.

III.1. Le métabolisme des sucres et des acides organiques

Les sucres et les acides sont les principaux facteurs déterminants du goût des fruits.

Ainsi, le rapport sucres/acidité est généralement utilisé pour la détermination du stade optimal de récolte de la plupart des fruits d’agrumes (Loussert, 1989).

La variation des concentrations en sucres et en acides organiques dépend de l’équilibre entre la synthèse, la dégradation et le stockage des métabolites (Figure 6) (Ruffner, 1982; Tucker et al., 1993).

Le métabolisme des sucres débute par la formation du saccharose. Le saccharose est produit dans les cellules du mésophylle des feuilles et exporté vers le phloème pour être

Partie I : Introduction bibliographique

13 transporté dans les organes non photosynthétiques, tels que les sacs à jus présents dans les fruits d’agrumes (Taiz et Zeiger, 2006).

Dans le cytoplasme des cellules des sacs à jus, le saccharose est hydrolysé en glucose et fructose via l’action de l’invertase et/ou de la saccharose synthase (une réaction réversible qui permet également la synthèse dans le cytoplasme du saccharose à partir du fructose et du glucose). L’hexokinase phosphoryle le glucose et le fructose en glucose-6-phosphate et fructose-6-glucose-6-phosphate. Le fructose-6-glucose-6-phosphate sert de substrat aux phosphofructokinases (ATP et PPi dépendantes) pour former le fructose-1,6-bisphosphate.

Ce dernier est converti en dihydroxyacétone phosphate et en glyceraldehyde-3-phosphate, le précurseur du phosphoénolpyruvate et du pyruvate. Au niveau du cytoplasme, le saccharose peut également être re-synthétisé à partir du glucose et du fructose via la saccharose phosphate synthase, la saccharose phosphatase ou la saccharose synthase (Kubo et al., 2001; Richardson et al., 1997). Les acides organiques sont synthétisés directement dans les mitochondries des cellules des sacs à jus (Tucker et al., 1993; Varma et Ramakrishnan, 1956), dans le cycle de Krebs (acide citrique, malique et succinique) ou directement dans le cytoplasme (acide ascorbique) (Bogin et Wallace, 1966; Sinclair, 1984;

Tucker et al., 1993).

Le pyruvate et le phosphoénolpyruvate servent de précurseurs à la synthèse des acides organiques. L’acétyl-CoA est produit à partir du pyruvate via la pyruvate déshydrogénase. La condensation de l’acétyl-CoA avec l’oxaloacétate permet la formation du citrate. Cette réaction de condensation est catalysée par la citrate synthase. En fonction des besoins énergétique de la cellule, le citrate est soit converti dans la mitochondrie en isocitrate, soit exporté vers le cytoplasme puis, éventuellement vers la vacuole pour y être stocké (Chen et Gadal, 1990).

III.2. Le métabolisme des caroténoïdes

Les caroténoïdes forment l’une des plus importantes classe de pigments des plantes et jouent un rôle crucial dans la définition des paramètres de la qualité des fruits et des légumes (Van den Berg et al., 2000).

14 III.2.1. Structure des caroténoïdes

La structure basique des caroténoïdes est un squelette terpénique symétrique formé par la conjugaison de deux unités composées de 20 atomes de carbone (Van den Berg et al., 2000).

Tous les caroténoïdes dérivent d’une molécule acyclique, C40H56. Ils contiennent un système de double liaisons qui influence leurs propriétés physiques, biochimiques et chimiques (Van den Berg et al., 2000). Les caroténoïdes sont sous-divisés en deux groupes du fait de leur composition (Figure 7). Les carotènes, tels que le β-carotène, l’α-carotène ou encore le lycopène, sont composés d’atomes de carbone et d’hydrogène. Les xanthophylles, telles que la β-cryptoxanthine, la violaxanthine ou la lutéine contiennent au moins un groupement hydroxyle (Van den Berg et al., 2000). Les doubles liaisons peuvent exister sous Figure 7: Les caroténoïdes

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Figure 8: Structure fine des caroténoïdes d’après Britton (1995).

%III/II : rapport de la hauteur des pics III et II.

16 deux configurations, cis ou trans (E/Z). Dans leur état naturel, les caroténoïdes se trouvent sous la forme trans (Van den Berg et al., 2000). Les caroténoïdes avec un système étendu de doubles liaisons en configuration trans sont des molécules linéaires, contrairement aux caroténoïdes en configuration cis qui ne sont pas linéaires, ce qui affecte leur positionnement dans les structures cellulaires (Van den Berg et al., 2000). Les caroténoïdes sont des composés lipophiles. Les carotènes sont solubles dans l’hexane, l’éther de pétrole et le toluène. Les xanthophylles sont solubles dans l’éthanol et le méthanol (Britton, 1995).

Les xanthophylles sont souvent estérifiés ce qui les rend plus hydrophobes.

III.2.2. Caractéristiques des caroténoïdes

Du fait de leurs longues chaines de doubles liaisons polyinsaturés, le spectre d’absorption des caroténoïdes se situe dans le visible et l’UV (Britton, 1995). Ils ont une couleur perceptible (jaune, orange et rouge) lorsqu’ils possèdent au moins sept doubles liaisons conjuguées et qu’ils absorbent dans le visible (Rodriguez-Amaya, 1999). Les caroténoïdes absorbent l’énergie à trois longueurs d’onde différentes et le maximum d’absorption dépend du nombre de doubles liaisons conjuguées. Il se situe entre 290 nm pour le phytoène et 470 nm pour le lycopène. Le spectre des caroténoïdes est caractéristique pour chacun des caroténoïdes et peut être utilisé pour une identification spécifique. La longueur d’onde maximale d’absorption et la structure fine du spectre fournissent des informations structurales sur le chromophore de la molécule (Britton, 1995).

La structure fine du spectre est exprimée comme un rapport de la hauteur des pics III et II (%III/II). Le pic III représente la longueur d’onde maximale et le pic II représente l’absorbance maximale (Figure 8).

L’intensité de l’absorption est l’indicateur de la structure et de la concentration des caroténoïdes dans l’échantillon (Britton, 1995). Les isomères cis montrent une bande d’absorption additionnelle autour de 320-360 nm. L’intensité de cette bande dépend de la localisation de la liaison cis avec la molécule (Van den Berg et al., 2000).

Du fait de la présence de doubles liaisons, les caroténoïdes contiennent un système réactif riche en électrons qui est susceptible de réagir avec des composés électrophiles. En

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Figure 9: Représentation de la transition chloroplaste-chromoplaste d'après Egea et al. (2010).

Le schéma montre la rupture des granules d’amidon (1) et celle des thylakoïdes et des grana (2) ; la synthèse de nouvelles structures membranaires depuis la membrane interne de l’enveloppe (3) menant à la formation de sacs membraneux riches en caroténoïdes (4) ; l’augmentation du nombre et de la taille des plastoglobules (5) ; l’aspect des cristalloïdes contenant des caroténoïdes (6) ; et l’augmentation du nombre de saillies émanant de l’enveloppe des plastes appelées stromule (7).

18 présence d’oxygène, les caroténoïdes ont tendance à s’auto-oxyder. La réaction des caroténoïdes avec des agents oxydants ou des radicaux libres dépend de la longueur de la chaine carbonée polyinsaturée et de la nature du groupe terminal (groupement hydroxyle, cycle β, cycle ε,…) (Van den Berg et al., 2000).

III.2.3. Localisation et stockage des caroténoïdes

Les caroténoïdes s’accumulent dans les plastes, et plus particulièrement dans les plastoglobules. Les plastoglobules sont des structures lipidiques (Ytterberg et al., 2006) contenant des protéines spécifiques (Austin et al., 2006). Bien que tous les plastes contiennent des caroténoïdes, les caroténoïdes se retrouvent principalement dans les chloroplastes et les chromoplastes (Giuliano et al., 2003; Vishnevetsky et al., 1999).

Dans les chloroplastes, la plupart des plastoglobules (95%) sont couplés à la membrane des thylakoïdes. Le reste des plastoglobules (5%) est organisé en petits groupes de 2 ou 3 plastoglobules interconnectés. En condition de stress photooxydatif, le nombre de plastoglobules augmente et ils s’organisent en amas plus grands, contenant au moins 7 plastoglobules liés ensemble. Il y a formation d’agrégats linéaires et de structures ramifiées (Austin et al., 2006). Les plastoglobules des chloroplastes contiennent une faible quantité de chlorophylles et de caroténoïdes (Ytterberg et al., 2006). Leurs concentrations augmentent en conditions de stress (Deruere et al., 1994). Dans les tissus verts, en conditions normales, les caroténoïdes se retrouvent principalement dans les membranes photosynthétiques en association avec les antennes collectrices et les complexes réactionnels des photosystèmes I et II (Cunningham et Gantt, 1998). Les xanthophylles sont les caroténoïdes qui dominent dans les antennes collectrices (Croce et al., 2002; Kuhlbrandt, 1994; Lee et Thornber, 1995).

Durant le processus impliquant la conversion des chloroplastes en chromoplastes, les membranes des thylakoïdes se désintègrent, la chlorophylle et la plupart des composants de la machinerie photosynthétique disparaissent, et il y a une accumulation massive de plastoglobules et de caroténoïdes (Figure 9) (Egea et al., 2010).

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19 Dans les chromoplastes, en l’absence de chlorophylles, les caroténoïdes sont responsables des couleurs jaune, orange et rouge, des fleurs et des fruits (Vishnevetsky et al., 1999). Dans les chromoplastes, les caroténoïdes peuvent se situer dans les membranes, dans les plastoglobules ou d’autres structures lipoprotéiques du stroma (Cunningham et Gantt, 1998). Quand les caroténoïdes sont produits en excès, ils s’accumulent et sont stockés dans des structures lipoprotéiques spécifiques (Deruere et al., 1994; Vishnevetsky et al., 1999). Ces structures peuvent être de type fibrillaire, globulaire, réticulo-tubulaire, membranaire ou cristalloïde en fonction des caroténoïdes contenus dans les infrastructures (Deruere et al., 1994). Par exemple, les structures globulaires ou plastoglobules, présentes chez la mangue et le poivron, contiennent des teneurs importantes en cis-β-carotène contrairement aux structures cristalloïdes, présentes chez la tomate et la carotte, qui contiennent de grandes quantités en caroténoïdes sous forme trans (carotènes et lycopène).

Plusieurs types de chromoplastes peuvent coexister dans le même organe (Egea et al., 2010). Dans les chromoplastes fibrillaires, la protéine fibrilline est nécessaire pour l’assemblage et le stockage des caroténoïdes (Deruere et al., 1994). Chez les agrumes, lors de la transformation des chloroplastes en chromoplastes, un changement dans le profil des caroténoïdes est observé, avec une augmentation massive de xanthophylles et une accumulation de plastoglobules (Huyskens et al., 1985).

III.2.4. Rôles des caroténoïdes dans la plante

Dans les chloroplastes, les pigments caroténoïdes sont présents dans tous les organes photosynthétiques où leur couleur est généralement masquée par celle de la chlorophylle (Granado et al., 1992).

Les caroténoïdes des plantes, tels que l’α-carotène, le β-carotène, le lycopène, les xanthophylles, sont des pigments solubles de couleur jaune, orange et rouge (Van den Berg et al., 2000). Certains caroténoïdes, comme le lycopène et les β-carotènes, confèrent leur couleur aux fleurs et aux fruits dans lesquels ils s’accumulent (Bartley et Scolnik, 1995). Leur principale fonction au sein des chromoplastes est d’être attractif pour les animaux et ainsi aider à la pollinisation et à la dispersion des graines (Chen et al., 1998).

20 Les caroténoïdes sont également des composants essentiels de la membrane photosynthétique (Cunningham et Gantt, 1998). Ils jouent un rôle important dans l’assemblement des photosystèmes, dans la collecte de la lumière et dans la photoprotection des photosystèmes (Havaux, 1998).

Dans les antennes collectrices de lumière, ils absorbent la lumière bleue-verte et transfèrent l’énergie aux chlorophylles, étendant ainsi la gamme de longueurs d’onde absorbées et l’efficience photosynthétique (Frank et Cogdell, 1996). Leur maximum d’absorption dépend du nombre de doubles liaisons. Il est compris en 400 et 500 nm (Figure 10) (Van den Berg et al., 2000).

La lumière est nécessaire à la photosynthèse mais les plantes ont besoin de protection contre la lumière lorsque cette dernière est en excès. La photosynthèse génère inévitablement des intermédiaires hautement réactifs qui peuvent provoquer des dommages oxydatifs à l’appareil photosynthétique. Si les dommages photooxydatifs ne sont

Figure 10: Spectres d'absorption de la chlorophylle a, de la chlorophylle b, des carotènes et des xanthophylles pour les différentes longueurs d’onde.

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21 pas réparés, une diminution de l’efficacité et/ou du taux maximum de photosynthèse, appelé photo-inhibition est observée (Niyogi, 1999).

La première façon d’évacuer l’énergie est de la transférer pour la photosynthèse. Ce processus est appelé « Quenching photochimique ». Quand l’énergie emmagasinée dans les molécules de chlorophylles excitées est rapidement dissipée à travers le transfert de l’excitation, le statut excité est dit atténué (Demmig-Adams et Adams, 1996).

Si ce n’est pas le cas, les molécules de chlorophylles excitées peuvent réagir avec des molécules d’oxygène et former une forme excitée de l’oxygène appelée l’oxygène singulet

1O2 (Demmig-Adams et Adams, 1996).

Les caroténoïdes, comme le β-carotène, peuvent exercer une action photo-protective

Les caroténoïdes, comme le β-carotène, peuvent exercer une action photo-protective