La fluorescence chlorophyllienne en situation de stress hydrique

L’assimilation chlorophyllienne consiste en la formation de glucides à partir du CO2 et de l’eau,

grâce à l’énergie lumineuse captée par la chlorophylle et les pigments associés. Lorsqu’une molécule absorbe un photon, l’énergie qu’il transportait hν peut avoir trois destinés différentes : - elle peut intervenir dans la phase photochimique de la photosynthèse. Deux photosystèmes, nommés PSII et PSI, interviennent successivement dans la phase photochimique, leurs centres réactionnels portants respectivement les holochromes P680 et P700 de la chlorophylle a. Le nombre de molécules de pigment d’un photosystème est de l’ordre de 200 à 300 (Heller et al., 1998). L’énergie lumineuse sera interceptée par une antenne collectrice qui assure la capture des photons et transmet l’énergie d’excitation aux centres réactionnels. Chez les végétaux supérieurs,

les antennes collectrices constituent les complexes collecteurs de lumière (light harvesting complex, LHC). Les complexes LHC I et LHC II sont ainsi respectivement associés au PSI et au PSII,

- elle sera dissipée sous forme thermique,

- elle peut enfin apparaître sous forme d’un photon hν’ < hν, et donc λ’ > λ ; cette énergie est perdue sous forme de lumière de fluorescence.

Ces trois destinations coexistent et sont en compétition. Dans les conditions normales, 90 % de l’énergie totale absorbée est utilisée par la photosynthèse et une partie variable entre 1 et 10 % sera dissipée sous forme de chaleur ou sous forme de fluorescence à partir de la chlorophylle a au niveau du PSII.

Le P680, pigment actif du centre réactionnel du PSII, est un dimère de chlorophylle a ayant un potentiel d’oxydoréduction très élevé (E°’ = 1,12 V) lui permettant de recevoir sans difficulté les électrons issus de l’eau. Au niveau du PSII, l’accepteur primaire des électrons est une phéophytine (Phéo, E°’ = - 0,43 V). De là, l’électron est successivement transféré sur deux plastoquinones, nommées QA (E°’ = - 0,15 V) et QB (E°’ = - 0,05 V). Le transfert des électrons entre la Phéo et la QA est irréversible. Quand QA est réduite (QA-), les centres réactionnels du PSII seront fermés et tout photon intercepté sera émis sous forme de fluorescence.

D’une manière pratique, la majorité des études utilisant la fluorescence chlorophyllienne se basent sur « l’effet Kautsky » qui se produit lorsque des feuilles photosynthétiquement actives sont placées à l’obscurité puis illuminées, des changements dans l’intensité de la fluorescence intervenant dans le temps. Cette évolution est appelée « l’effet Kautsky ».

L’analyse de la fluorescence chlorophyllienne et de ses composantes photochimiques et non photochimiques (rendement quantique photochimique du PSII : ΦPSII, efficience photochimique maximale du PSII : ΦmaxPSII, taux du transport des électrons du PSII : JT, quenching photochimique : qP et quenching non photochimique : qNP), sous contrainte hydrique, montre une perturbation au niveau des réactions photochimiques de la photosynthèse avec un blocage du transfert d’électrons entre LHC II et PS II (O’Neil et al., 2006). Flexas et al., (1999) ont démontré que la fluorescence chlorophyllienne de la vigne augmente à midi et spécialement pour les plants stressés. La diminution du taux d'assimilation du CO2 chez les feuilles est associée à

une inhibition de la photosynthèse ce qui provoque une augmentation de la dissipation de l'énergie d'excitation du PSII entraînant des photo-endommagements des centres réactionnels du PSII (Sayed, 2003 ; Baker et Rosenqvist, 2004 ; O’Neil et al., 2006).

Pour estimer l’efficience photochimique maximale du PSII (ΦmaxPSII = Fv/Fm), Jagtap et al., (1998) ont montré que le déficit hydrique engendre une diminution importante du rapport Fv/Fm chez cinq variétés de Sorghum bicolor L. Moench. Par contre, Lu et Zhang (1999) n’ont observé aucun changement au niveau du ΦmaxPSII mesuré après une adaptation des feuilles de blé à l’obscurité sous des déficits hydriques modérés et sévères. Alors qu’après une adaptation à la lumière, le stress hydrique a engendré une diminution du rendement quantique du transport des électrons du PSII (JT) et de l’efficience de capture des excitations photoniques au niveau des centres réactionnels ouverts du PSII, et une augmentation au niveau du ΦmaxPSII, qP et du qNP. Chez les plantes C3, quand les stomates sont fermés sous l’effet d’une contrainte hydrique et l’assimilation du CO2 est réduite, la réduction photosynthétique de l’oxygène par la photo-

respiration augmente et sert comme consommateur de l’excès de l’excitation énergétique de l’appareil photosynthétique (Escolana et al., 1999 ; Baker et Rosenqvist, 2004). Par contre, la réduction photosynthétique de l’O2 s’est avérée insuffisante pour la dissipation de l’excès de

Figure 20 : Variation du rendement de fluorescence modulé chez une feuille de pois pendant l’induction de la photosynthèse, jusqu’à l’installation d’un état stationnaire. L’expérience, conduite en atmosphère d’air normal humidifié à 80 %, comprenant 3 phases :

1- à l’obscurité, détermination de F0 et Fm est le rendement de F en présence de la lumière détectrice fournie seule ; Fm est obtenu par l’envoi d’un éclair de longue durée (700 ms) et de forte intensité (2-3 fois l’intensité solaire) fermant tous les centres PSII.

2- Eclairement modéré, 500 µmol photons m-2 s-1 jusqu’à l’état stationnaire avec envoi d’éclairs sous éclairement, fermant tous les centres restés ouverts. F’0 est déterminée en arrêtant l’éclairement actinique pendant 10 secondes. L’envoi pendant 5 secondes d’une lumière rouge lointain (λ 720 nm, FR) permet d’abaisser F’0 à la valeur F0.

3- Arrêt de l’illumination : augmentation de la fluorescence maximale F’m en 2 phases. L’arrêt momentané de l’envoi de cette lumière détectrice entre deux éclairs saturants évite les faibles effets « actiniques » de celle-ci (Farineau et Morot-Gaudry, 2006).

sévère, le transport des électrons de l’O2 et la diminution du quenching photochimique sont

incapables de dissiper l’excès de l’énergie d’excitation causant ainsi des photo-détériorations au niveau du PSII (Nogués et Baker, 2000). Ces mêmes auteurs ont noté qu’au cours d’un stress hydrique les ΦmaxPSII, JT et qP des différentes espèces ont marqué d’importantes diminutions chez trois espèces différentes (Olea europaea L., Rosmarinus officinalis L. et Lavandula

stoechas L.). De même, un stress hydrique appliqué sur des plantes CAM (Clusia minor L.)

provoque une diminution de 34% du ΦPSII et une augmentation de 42% du qNP (De Mattos et