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Les plantes peuvent-elles pousser sans photosynthèse ?


Les animaux peuvent survivre sans manger si la nutrition est injectée directement dans leur sang.

L'équivalent peut-il être fait avec les plantes ? En injectant une solution nutritive riche en glucides, soit sans photosynthèse, soit en complément de la photosynthèse.


Pour répondre si l'équivalent pourrait être fait avec des plantes, nous devons comprendre les différences histologiques et anatomiques entre les plantes et les animaux.

Tout comme pulvériser une solution nutritive sur un animal (comme vous et moi) ne fonctionne pas, pulvériser une solution nutritive sur les feuilles ne fonctionne pas aussi bien : les molécules nutritives (utilisons glucose dans notre exemple hypothétique) ne pénètrent pas dans l'épiderme de la feuille. Il en va de même si vous mettez la solution nutritive dans le sol : il y a plusieurs couches membranaires entre le milieu extérieur et le phloème, et le glucose n'atteindra jamais sa destination.

Maintenant, essayons de comparer avec une injection IV de nutriments, ce que nous pouvons faire chez un animal. La structure de la plante qui (en quelque sorte) peut être comparée aux vaisseaux sanguins est la phloème (en fait, le xylème et le phloème, mais dans notre cas, en ce qui concerne les nutriments, nous ne parlerons que du phloème). Pour injecter les nutriments il faut atteindre le phloème, car le périderme des plantes à croissance secondaire ("liège" sur l'image) est très imperméable :

Maintenant, même si nous atteignons le phloème, en utilisant des méthodes comme celle-ci…

… nous avons encore un problème : chez un animal comme vous et moi, une substance injectée dans une veine donnée va rapidement se propager à tous les vaisseaux sanguins systémiques. Mais il n'en va pas de même avec le phloème. La substance injectée peut monter ou descendre (selon le débit de pression), mais elle ne se propage pas à tous les tissus de la plante, à moins de perforer le phloème à beaucoup d'endroits.

Ainsi, jusqu'à présent, cette méthode est utilisée pour introduire des produits chimiques (comme des pesticides) dans l'arbre. Notez que, tout comme une personne dans un hôpital, le sac avec la solution doit être plus haut que la perforation :

Pour un traitement chimique comme celui-ci, les quantités de substance sont faibles. Mais pour "nourrir" une plante avec cette technique, les quantités de nutriments nécessaires sont bien plus élevées…

Enfin, pour répondre à votre question : est-il hypothétiquement possible de nourrir une plante dans l'obscurité avec une solution nutritive ? Oui. Est-ce pratique ou faisable ? très fort.

Source : Université d'État de l'Utah


Survivre sans manger : non

Survivre sans photosynthèse : 1. Oui, et 2. Oui, si l'on considère uniquement l'aspect « nutritionnel » de la photosynthèse

  1. Certaines plantes parasites manquent de photosynthèse (voir la belle plante fantôme)
  2. Les plantes poussent également pendant la nuit, et les plantes sont capables de respirer, ce qui peut dépasser la photosynthèse - et les arbres le font de manière excessive lorsqu'ils sont jeunes et en croissance (appris il y a quelque temps lors d'un cours de premier cycle sur la botanique)

Survivre en ajoutant une solution nutritive riche en glucides : pas sûr

Survivre sans photosynthèse à l'échelle philosophique : probablement pas comme la plupart des molécules de sucres, que nous avons sur terre, avaient nécessité la photosynthèse pour leur génération


Non, pas sur le long terme du moins. (Sauf pour les plantes parasites comme je viens de l'apprendre!) Les plantes dépendent de la photosynthèse pour fabriquer du glucose, mais ce n'est que la pointe de l'iceberg, il y a des tonnes de réactions en cascade (également la régulation des gènes) liées à la photosynthèse. Lisez ceci juste pour vous faire une idée. Ainsi, la photosynthèse est si profondément liée au métabolisme des plantes que la remplacer par un tampon riche en nutriments ne suffira pas. Il y a des organismes qui sont phototrophes facultatifs, ils font de la photosynthèse mais ils peuvent aussi vivre sans, ils ne sont pas classés comme plantes, cependant. Un exemple d'un tel organisme est Chlamydomonas reinhardtii.


Top 11 des expériences sur la photosynthèse chez les plantes

Les points suivants mettent en évidence les onze meilleures expériences sur la photosynthèse chez les plantes. Certaines des expériences sont : 1. Démonstration simple de la photosynthèse 2. Étudier la « réaction photochimique primaire » de la photo-synthèse 3. Étudier la « réaction sombre » de la photosynthèse 4. Étudier l'essentialité des facteurs pour la Processus photosynthétique et autres.

Démonstration simple de photosynthèse :

(a) A l'aide d'un bécher et d'un entonnoir :

Un grand bécher de capacité 500 ml est prélevé et est rempli aux deux tiers d'eau distillée contenant 0,1 % de KHCO3 qui agit comme une source de CO2. Certaines plantes aquatiques fraîches et saines comme l'Hydrilla sont prises dans un bécher et les plantes sont coupées obliquement à leurs bases sous l'eau.

Les extrémités coupées sont attachées ensemble à l'aide d'un fil et sont maintenues vers le col d'un entonnoir inversé de manière à ce que le membre de l'entonnoir recouvre presque les plantes Hydrilla et que la tige de l'entonnoir reste à environ un centimètre sous la surface de l'eau .

L'ensemble de l'installation est maintenant exposé à une lumière vive et observé de temps en temps. Une autre configuration est préparée de la même manière et maintenue sous une intensité lumineuse très faible.

On observe que l'évolution des bulles des extrémités coupées des plantes a lieu dans le montage exposé à la lumière. Peu d'évolution de bulles a lieu dans le montage maintenu en faible intensité lumineuse.

A la lumière, l'évolution des bulles d'oxygène a lieu en raison de la photosynthèse. Ceci est encore prouvé par le fait que peu d'évolution de bulles a lieu dans le montage placé en faible intensité lumineuse.

(b) Avec l'aide du barboteur de Wilmott :

L'appareil est constitué d'un flacon d'une capacité de 500 ml muni d'un bouchon en caoutchouc comportant un trou central à travers lequel passe un tube en verre. L'extrémité inférieure du tube atteint le milieu du flacon tandis que son extrémité supérieure forme un jet à l'intérieur d'une coupelle cylindrique. Un tube gradué ayant un robinet à une extrémité reste inversé sur le jet (Figure 27).

Maintenant, les extrémités coupées d'une ou deux plantes Hydrilla sont introduites dans l'extrémité inférieure du tube de verre. Le ballon est rempli d'eau distillée et une petite quantité de bicarbonate y est ajoutée. Les plantes Hydrilla avec le tube sont immergées dans le flacon et le bouchon en caoutchouc est bien ajusté.

La coupelle cylindrique supérieure est remplie d'eau afin que le jet reste bien en dessous du niveau de l'eau. Le tube gradué rempli d'eau est inversé sur l'embouchure du jet et correctement serré. Deux de ces configurations sont disposées et l'une est maintenue en pleine lumière et l'autre en basse lumière.

N.B. La taille des bulles peut être ajustée de manière pratique en faisant varier la surface oblique des extrémités coupées des plantes Hydrilla.

Expérience #2

Pour étudier la ”réaction photochimique primaire” de la photo­synthèse :

(a) Pour étudier la photolyse de l'eau par dégagement d'oxygène :

(i) Preuve physique du dégagement d'oxygène :

Deux montages expérimentaux sont organisés comme dans Expt. 1(a). Maintenant, un tube à essai rempli d'eau est inversé sur l'extrémité supérieure de la tige de l'entonnoir dans chaque cas, en utilisant le pouce pour fermer l'embouchure du tube tout en inversant.

Les deux configurations sont placées en plein soleil. Au fur et à mesure que la photosynthèse se produit, des bulles d'oxygène sont émises, qui montent dans l'eau à travers la tige de l'entonnoir dans le tube à essai inversé et s'accumulent à son sommet en déplaçant l'eau. Lorsque le gaz s'est accumulé en quantité considérable, il est testé pour l'oxygène.

L'un des tubes à essai remplis de gaz (l'autre est gardé de côté pour la prochaine expérience) est retiré en utilisant le pouce pour couvrir sa bouche et le pouce est ensuite retiré sur un éclat brûlant ou une allumette.

L'éclat brûlant ou l'allumette brillent avec vigueur et timidité.

Puisque l'éclat ou l'allumette brûlant brille dans le gaz collecté, cela prouve évidemment que le gaz collecté est de l'oxygène.

(ii) Preuve chimique du dégagement d'oxygène par le pyrogallate alcalin (qualitatif) :

Le tube à essai rempli de gaz d'Expt. 2(a) est prélevé et placé dans une boîte de Pétri contenant une solution de pyrogallate de potassium.

On constate que le niveau d'eau monte progressivement dans l'éprouvette.

Le pyrogallate alcalin est un puissant absorbant de l'oxygène gazeux. Cela absorbe l'oxygène dans le tube à essai qui crée un vide, par conséquent l'eau monte vers le haut. Par conséquent, il s'avère que le gaz dégagé recueilli dans le tube à essai pendant la photosynthèse est de l'oxygène.

N.B. Si le tube à essai est à moitié rempli de gaz, l'eau dans le tube à essai doit être soigneusement exclue du tube et l'embouchure du tube à essai fermée avec le pouce est alors placée sur une solution alcaline de pyrogallate.

(iii) Preuve chimique du dégagement d'oxygène par la solution d'indigo-carmin (qualitatif) :

Une solution très diluée du colorant indigo-carmin est pré­parée avec de l'eau distillée préalablement bouillie et refroidie.Maintenant une minute d'hydrosulfite de sodium ou de potassium (Na2S2O4, 2H2O ou K2S2O4, 2H2O) est ajouté très soigneusement à la solution jusqu'à ce que la couleur bleue disparaisse. (Une solution diluée d'hydrosulfite de sodium peut être ajoutée goutte à goutte à partir d'une burette et l'ajout de la solution est arrêté dès que la couleur disparaît.

Cela évitera la possibilité d'un ajout excessif de réducteur). Deux tubes à essai sont complètement remplis de cette solution de colorant décoloré réduit. Quelques plantes d'Hydrilla fraîches et saines sont placées dans chacune et bouchées avec soin pour exclure tout contact avec l'air atmosphérique. Un lubrifiant est exposé à une lumière vive tandis que l'autre est maintenu dans l'obscurité.

La solution du premier tube à essai qui a été conservée à la lumière vire bientôt au bleu tandis que la seconde qui a été conservée à l'obscurité reste incolore.

L'indigo-carmin est auto-oxydable, c'est-à-dire que chaque fois que l'indigo-carmin réduit entre en contact avec l'air ou l'oxygène, il s'oxyde. L'indigo-carmin qui est réduit en un composé incolore par l'hydrosulfite de sodium est oxydé avec de l'oxygène moléculaire à son état d'origine ayant une couleur bleue dans le cas du premier tube à essai où l'évolution d'O2 a lieu grâce à la photosynthèse.

Dans le cas du deuxième tube à essai où a lieu la photo­synthèse, il reste tel quel.

(iv) Preuve chimique du dégagement d'oxygène par le test de Winkler (quan­titative) :

Trois burettes sont prises. L'un est rempli d'une solution de chlorure manganeux à 40%, l'autre est rempli de KI + KOH (dissoudre 175 g de KOH et 37 à 5 g de KI dans 250 ml H2O) solution et la troisième avec conc. HCL.

Deux erlenmeyers (250 ml) sont remplis de 150 ml d'eau préalablement bouillie et refroidie (pour ne plus contenir d'oxygène). Pour chaque flacon 5 nil de 1-35% KHCO3 est pris.

Quelques plantes fraîches d'Hydrilla ou d'algues vertes comme Spirogyra, Chlorella ou Scenedesmus sont placées dans un seul flacon et les deux sont conservées à la lumière vive. Après une heure, 5 ml d'eau de chaque flacon sont prélevés séparément dans deux flacons de 100 ml.

Dans chaque flacon, les réactifs suivants sont ajoutés un à un :

A. 0,5 ml de chlorure manganeux à 40 %.

B. 1,0 ml de solution (KI + KOH).

(Il est bouché rapidement et soigneusement mélangé en faisant tourner le flacon.)

(Le précipité d'hydroxyde manganeux est redissous.)

L'oxygène dissous libère maintenant de l'iode libre du KI présent. Il est ensuite titré contre du thiosulfate de sodium 0,01 N dans les deux cas en utilisant 0,5 ml de solution d'amidon à 0,5 % jusqu'à disparition de la couleur bleue. La concentration en oxygène dans les deux cas est calculée. Pendant le titrage, l'indicateur d'amidon doit être utilisé lorsqu'une couleur paille de la solution apparaît lors du titrage avec Na2S2O3.

La concentration en oxygène est calculée à partir de la relation suivante 1 ml de thiosulfate de sodium 0,01 N (Na2S2O2, 2H2O) = 0,001 mg d'oxygène ou 0,0558 ml d'oxygène. La concentration initiale en oxygène de l'eau est calculée dans les deux flacons.

La concentration finale est à nouveau calculée dans chaque cas. La différence entre les valeurs initiales et finales donne l'augmentation de la concentration en oxygène dans le milieu. Le résultat peut être exprimé en milligramme d'oxygène dégagé par gramme de poids de plante (frais ou sec) ou en millilitre d'oxygène dégagé par heure par volume constant de plante.

Au cours de cette expérience, un certain nombre de réactions chimiques ont lieu, libérant finalement de l'iode qui est stoechiométriquement équivalent à l'oxygène.

Dans la dernière étape, l'oxygène dissous libère du chlore qui libère à nouveau de l'iode libre à partir du KI présent dans le mélange réactionnel. L'iode libéré est ensuite titré contre une solution standard de thiosulfate de sodium. Il s'agit d'un indice de la teneur en oxygène du milieu.

N.B. Si la concentration de Na2S2O3 utilisé être 0 . 025(N) et une aliquote de 200 ml de l'échantillon est titrée, alors la relation est : millilitre de Na2S2O3 E ppm d'oxygène dissous.

(b) Pour étudier la photolyse de l'eau par démonstration de la réaction de Hill :

Environ 25 g de feuilles d'épinards ou de laitue sont homogénéisés dans 50 ml d'une solution de saccharose 0,5 M glacée. Il est ensuite filtré à travers une mousseline double couche ou de la laine de verre. La suspension est centrifugée à faible vitesse (500 rpm) pendant 10 minutes. Le surnageant est re-centrifugé à 4000 rpm pendant 10 minutes. Le sédiment est prélevé et remis en suspension dans une solution de saccharose glacée 0,5 M. Il est ensuite maintenu dans l'obscurité.

Les solutions suivantes sont prises dans trois tubes à essai :

Tous les tubes à essai sont agités et le pourcentage d'absorption est lu dans un colorimètre à 430 nm.

Le tube 1 et le tube 2 sont alors placés dans la lumière et le tube 3 dans l'obscurité. Le pourcentage d'absorption dans chaque tube à essai est à nouveau mesuré à 15 minutes d'intervalle pendant 60 minutes. Avant chaque lecture, les tubes à essai doivent être bien secoués.

La variation du pourcentage d'absorption est notée dans chaque cas. Le pourcentage d'absorption diminue dans le cas du tube numéro 2 en raison de la réduction du dichlorophénol (le dichlorophénol réduit est incolore). Alors qu'aucun changement ne se produit dans le cas des tubes 1 et 3.

La production d'oxygène sans accompagnement de CO2 la fixation par un chloroplaste isolé, éclairé en présence de substances comme le dichlorophénol-indophénol, l'oxalate ferrique, le ferricyanure, etc., les oxydants dits de Hill, est connue sous le nom de réaction de Hill.

L'énergie lumineuse absorbée par la chlorophylle et les pigments accessoires est utilisée pour transformer l'eau en hydrogène et en oxygène.

L'oxygène est libéré sous forme de gaz tandis que l'hydrogène est absorbé par l'oxydant Hill qui est réduit. Il s'agit de la photolyse de l'eau (la photolyse diffère de l'électrolyse en ce que l'hydrogène gazeux n'apparaît pas simultanément avec l'oxygène gazeux mais est utilisé pour réduire certains composés présents dans le chloroplaste).

La présente expérience montre que la réaction de Hill a lieu dans le tube à essai numéro 2 où toutes les exigences de cette réaction sont remplies alors que dans le cas des tubes numéros 1 et 3, la réaction de Hill ne se produit pas en raison de la destruction du chloroplaste et de l'absence de lumière respectivement.

N.B. Pour préparer un tampon pH 6 5, de l'hydrogénophosphate disodique 0,1 M et de l'hydrogénophosphate monosodique 0,1 M sont mélangés dans la proportion de 4: 6.

Expérience # 3

Pour étudier la « réaction sombre » de la photosynthèse :

(a) Preuve de l'étude des coefficients de température (Q10) à des intensités lumineuses élevées et faibles :

Une expérience est mise en place suivant la procédure d'Expt. 1 (a) ou 1 (b). Si exp. 1 (a) est suivie, un jet de verre ayant une pointe légèrement courbée doit être monté sur la tige courte de l'entonnoir à l'aide d'un tube en caoutchouc (il faut prendre soin de retirer l'extrémité du jet d'un tube de verre, car, si la courbure n'est pas correcte ou si l'ouverture du jet est trop petite ou trop grande, le gaz dégagé peut s'y accumuler et ne pas sortir du tout.

Pour plus de commodité, un compte-gouttes peut être utilisé comme jet). Une pincée de bicarbonate est ajoutée à l'eau du bécher et l'installation est maintenue en plein soleil. La température de l'eau (disons X°C) est notée par un thermomètre.

Maintenant, le nombre de bulles d'oxygène dégagées et sortant par le fin jet est compté par unité de temps de préférence une minute (il est conseillé de jeter les très petites bulles sortant en tor­rents, car il est presque impossible de les compter et mieux de sélectionner que des bulles relativement plus grosses de taille plus ou moins uniforme).

Cinq de ces lectures sont effectuées et le nombre moyen de bulles par minute à cette température et intensité lumineuse particulières est enregistré. La température de l'eau du bécher est abaissée à 10 °C en dessous de celle de la première température, c'est-à-dire (X – 10) °C à l'aide de blocs de glace. Les bulles sont comptées de la même manière à cette température et à cette intensité lumineuse et le nombre moyen de bulles par minute est enregistré.

La température de l'eau est maintenant portée à 10°C au-dessus de celle de la première température, soit (X + 10)°C en utilisant de l'eau chaude ou un bain d'eau chaude. Les bulles sont comptées comme d'habitude à cette température et à cette intensité lumineuse et le nombre moyen par minute est enregistré.

La même expérience est répétée à faible intensité lumineuse, c'est-à-dire pas sous la lumière directe du soleil (si la lumière artificielle est utilisée, la source peut être éloignée pour réduire l'intensité lumineuse). Les bulles sont comptées à chaque température à faible intensité lumineuse et le nombre moyen de bulles par minute est enregistré séparément.

Si le nombre de bulles par minute à intensité lumineuse et à température de (X + 10) °C est a, le nombre de bulles à X°C est b, et celui à (X – 10) °C est c, alors Q10 peut être calculé comme a/b et b/c. La moyenne de ces deux donne le coefficient de température de la photosynthèse à cette intensité lumineuse. Q10 est calculé de la même manière à faible intensité lumineuse.

Le coefficient de température ou Q10 d'une réaction chimique ou d'un processus physiologique est le rapport de la vitesse de la réaction ou du processus à une température donnée à la vitesse à une température inférieure de 10°C. Pour une réaction purement photochimique, Q10 correspond à environ l'unité et pour une réaction chimique ordinaire, Q10 est au moins égal à deux.

Lorsque la photosynthèse se déroule rapidement dans des feuilles bien éclairées recevant une quantité suffisante de CO2, Q10 est bien supérieur à deux. Lorsque l'intensité lumineuse est faible, la valeur Q10 est bien inférieure à deux et s'approche parfois de l'unité, c'est-à-dire que des valeurs caractéristiques des réactions photochimiques sont obtenues.

Ainsi, en plus d'au moins une étape photochimique dans la photo-synthèse, il doit y avoir au moins une étape chimique (réaction sombre).

Lorsque l'intensité lumineuse est élevée, le stade d'obscurité dépendant de la température est limitant lorsque l'intensité lumineuse est faible, le stade photochimique est limitant et l'ensemble du processus devient relativement indépendant de la température.

N.B. Comme la majorité des activités biologiques sont catalysées par des enzymes, la loi Q10 (loi de Van’t Hoff’s) est applicable à ces bioprocédés dans la plage de température de 0°C à 30°C.

Au-dessus du SO2C, la vitesse de réaction diminue de manière caractéristique et les valeurs Q10 diminuent de deux à près d'un. Ainsi, la loi de Van’t Hoff n'est pas applicable à une température plus élevée, c'est-à-dire au-dessus de 30 °C, car l'inactivation de l'enzyme a lieu plus rapidement à une température plus élevée.

A une température plus élevée, c'est-à-dire au-dessus de 30°C, les valeurs Q10 doivent être interprétées avec soin avec une attention particulière à l'effet du temps. Car la vitesse de réaction peut être doublée entre 20°C. à 30°C. Pendant une période de deux heures, mais si elle est poursuivie pendant plusieurs heures, le taux diminuera.

(b) Preuve d'expériences en lumière intermittente :

Deux expériences sont mises en place comme dans Expt. 2(A). Initialement, les deux installations sont éclairées à la même intensité lumineuse et la vitesse d'évolution des bulles par minute est enregistrée. On est ensuite maintenu dans l'obscurité pendant 15 minutes avec une cloche recouverte de papier noir.

Après 15 minutes, la cloche est retirée et les taux d'évolution des bulles dans les deux ensembles sont mesurés pendant 5 minutes. La même configuration qui était dans l'obscurité est à nouveau maintenue dans l'obscurité pendant 15 minutes supplémentaires. La cloche est à nouveau retirée et les taux sont mesurés dans chaque ensemble. L'expérience est répétée et quatre ou cinq de ces lectures sont prises.

Le taux moyen en lumière continue et en lumière intermittente est calculé et les résultats sont représentés sous forme de graphiques à barres.

La quantité de photosynthèse par unité de temps (taux continu) montrée par les cellules vertes exposées à un éclairage continu est inférieure à la quantité de photosynthèse par unité de temps d'éclairage (taux intermittent) par les cellules vertes exposées à des périodes alternées de lumière et d'obscurité.

Le taux de lumière intermittente augmente à mesure que les périodes d'éclairage sont raccourcies et deviennent parfois presque le double du taux de lumière continue.

De toute évidence, une quantité donnée d'énergie lumineuse est utilisée dans une plus grande mesure dans la photosynthèse lorsqu'elle est fournie, non pas en continu, mais en succession de petites quantités pendant de courtes périodes d'éclairage. Cela se produit parce qu'une phase essentielle de la photosynthèse (réaction sombre) se déroule indépendamment de la présence de lumière.

En lumière intermittente, cette phase se déroule alors aussi bien dans les périodes sombres que dans les périodes lumineuses et par conséquent, le taux de photosynthèse par unité de temps d'éclairement est amélioré. De plus, en lumière continue, le produit photosynthétique peut inhiber la vitesse alors qu'en lumière intermittente, le produit peut être épuisé dans la phase sombre.

N.B. Dans le cas des plantes terrestres, le taux de photosynthèse est mesuré par la méthode poids-surface.

Expérience # 4

Pour étudier l'essentialité des facteurs du processus photosynthétique :

(a) Dépendance à la lumière de la photosynthèse :

(i) En notant l'évolution de l'oxygène dans la lumière et l'obscurité :

L'expérience est configurée comme dans Expt. 1 (a) ou 1 (b). Il est maintenu à la lumière pendant un certain temps puis placé dans l'obscurité.

Ce n'est qu'en cas de léger dégagement de bulles d'oxygène. Dans l'obscurité, aucun dégagement de bulle d'oxygène n'est observé.

La lumière est donc essentielle à la photosynthèse, car sans lumière aucune photolyse de l'eau n'a lieu et l'oxygène ne se dégage pas.

(ii) En utilisant l'écran lumineux de Ganono :

Les feuilles d'une plante en pot appropriée sont rendues sans amidon en gardant la plante dans l'obscurité pendant 24 à 48 heures. Une feuille sans amidon de cette plante est ensuite recouverte d'un écran lumineux de Ganong (Figure 28).

Le principal avantage de cet écran lumineux est qu'une partie du vantail est coupée de la lumière sans gêner sa ventilation. La plante entière avec l'écran lumineux attaché à l'une de ses feuilles est ensuite maintenue dans une lumière vive.

Après 24 heures, l'écran est retiré et la feuille est séparée de la plante. Il est ensuite blanchi à l'eau bouillante puis à l'alcool bouillant à 95 %. Quelques gouttes d'acide lactique peuvent être ajoutées pour un meilleur blanchiment. Après sa décoloration complète, la feuille jaunie est lavée avec une solution d'iode à 1 % pendant environ une minute.

La partie exposée devient bleue tandis que la partie couverte (où la lumière ne pouvait pas pénétrer) reste rouge jaunâtre.

La couleur bleue indique la formation d'amidon, un produit de la photosynthèse. La partie jaunâtre montre l'absence d'amidon. L'expérience prouve donc la nécessité de la lumière dans la photosynthèse.

N.B. Au lieu d'un écran lumineux, un négatif photographique approprié, qui doit être lumineux avec une différenciation nette en zones noires et blanches, peut être utilisé. Après avoir fixé le négatif avec suffisamment de soin sur une feuille appropriée sans amidon et avoir exposé la feuille avec le négatif à une forte lumière pendant un jour ou deux, puis traité la feuille décolorée avec une solution d'iode, une impression positive raisonnablement bonne a pu être obtenue.

(b) CO2 dépendance de la photosynthèse :

(i) En utilisant du CO2 eau gratuite (en cas de plantes aquatiques) :

Une expérience est mise en place comme dans Expt. 1(a) en utilisant de l'eau distillée préalablement bouillie et refroidie (afin de la libérer du CO2 dissous).

Il est ensuite maintenu en pleine lumière et une observation est faite concernant l'évolution des bulles d'O2. Maintenant, une pincée de KHCO3 est ajoutée à l'eau distillée et laissée s'y dissoudre complètement. Une observation est à nouveau faite concernant l'évolution des bulles d'O2.

Aucune bulle d'oxygène ne sort dans l'eau distillée sans CO2, mais un certain nombre de bulles d'oxygène sortent lorsqu'une pincée de KHCO3 est ajoutée.

Les plantes aquatiques avec leur adaptabilité inhérente peuvent utiliser efficacement le CO2 dissous dans l'eau pour la photosynthèse car elles n'ont aucun contact avec l'air atmosphérique. Comme l'eau distillée bouillie est dépourvue de CO2 dissous, les plantes Hydrilla ne peuvent pas faire de photosynthèse. Mais lorsque cette eau est enrichie en CO2 dissous par l'ajout de bicarbonate, ces plantes peuvent facilement faire la photosynthèse et par conséquent des bulles d'O2 sortent.

(ii) Par l'expérience de Moll’s (dans le cas des plantes terrestres) :

Une bouteille à large goulot munie d'un bouchon fendu est prélevée. Une petite quantité de solution de KOH à 20 % est versée dans le flacon et serrée horizontalement ou posée sur un support. Une feuille appropriée sans amidon d'une plante en pot saine est introduite à travers le bouchon fendu de telle sorte que la moitié de la feuille reste à l'intérieur de la bouteille et l'autre moitié à l'extérieur.

Des précautions doivent être prises pour que la feuille à l'intérieur du flacon n'entre pas en contact avec la solution de KOH. Toutes les connexions sont étanches à l'air avec de la vaseline. L'ensemble de l'installation est placé en plein soleil (Figure 29).

Après 2 à 3 heures, la feuille est détachée de la plante et soigneusement retirée du flacon. La feuille est ensuite lavée à l'eau, parfaitement blanchie et traitée avec une solution d'iode à 1 %.

La partie de la feuille restant à l'extérieur de la bouteille est colorée en bleu avec de l'iode tandis que la partie restant à l'intérieur de la bouteille ne prend pas de couleur bleue avec de l'iode.

La partie de la feuille restant à l'extérieur de la bouteille reçoit toutes les conditions pour la photosynthèse (à savoir, le CO2, la lumière et la chlorophylle) et donc la formation d'amidon se déroule normalement, ce qui est évident à partir de la couleur bleue avec l'iode.

L'autre moitié de la feuille qui reste à l'intérieur de la bouteille et où aucun CO2 n'est disponible en raison de l'absorption par la solution de KOH reste jaune et ne montre aucune formation d'amidon. Cela prouve que la photo­synthèse ne peut pas avoir lieu dans une atmosphère totalement dépourvue de CO2.

(c) Dépendance à la chlorophylle de la photosynthèse :

Une plante à feuilles panachées (croton, Coleus, etc.) est sélectionnée. Les feuilles panachées ont des zones chlorophylliennes vertes et des zones non vertes dispersées sur la feuille. Une telle plante est laissée mourir de faim dans l'obscurité pendant 24 à 48 heures pour l'épuiser en amidon.

Le contour d'une feuille de cette plante est tracé sur un papier et les zones vertes et non vertes y sont tracées. Maintenant, la plante est exposée à la lumière pendant 24 à 48 heures. Après cela, la feuille panachée est testée pour l'amidon par l'iode.

On constate que la présence d'amidon n'est mise en évidence que dans les zones vertes et non dans les zones non vertes.

Cette expérience montre que la photosynthèse peut se produire dans la feuille dans ses zones vertes ne contenant que de la chlorophylle et sans chlorophylle aucune photosynthèse n'a lieu.

Expérience # 5

Pour étudier les facteurs environnementaux contrôlant la photosynthèse :

(i) Pour étudier l'effet de l'intensité lumineuse :

Une expérience est mise en place comme dans Expt. 1 (a) ou 1 (b). L'installation est placée à une distance de deux mètres d'une forte lumière artificielle (200 watts) sans réflecteur. Le nombre de bulles sortant par minute est compté. La distance entre l'installation et la source lumineuse est réduite d'un huitième et le nombre de bulles par minute est enregistré.

Il faut prévoir quelques minutes pour que les plantes s'adaptent à une intensité lumineuse particulière. La distance est à nouveau réduite respectivement d'un quart et de la moitié de celle d'origine et le nombre de bulles est enregistré de manière similaire dans chaque cas. La température doit être soigneusement enregistrée à chaque fois.

Le nombre de bulles est tracé en fonction de l'intensité lumineuse respective, en gardant à l'esprit que l'intensité lumineuse varie en raison inverse du carré de la distance. .L'intensité lumineuse à la distance maximale peut être mesurée, ou elle peut être prise comme unité, et les intensités respectives des distances plus courtes sont calculées.

Généralement, le taux de photosynthèse est augmenté si l'intensité de la lumière est augmentée jusqu'à ce que d'autres facteurs, par exemple la concentration en CO2, la température, etc., deviennent limitatifs. Dans une gamme d'intensité limitée, le taux de photosynthèse est plus ou moins proportionnel à l'intensité lumineuse, si la concentration en CO2 n'est pas limitative.

A forte intensité lumineuse, le taux de photosynthèse est inhibé (solarisation due à la photo-oxydation). A très faible intensité lumineuse, les stomates sont fermés et donc l'entrée de CO2 est contrôlée et par conséquent le taux de photosynthèse diminue.

Encore une fois, en raison d'une très forte intensité lumineuse, le taux de transpiration augmente, entraînant une réduction de la teneur en eau des cellules de la feuille et retardant ainsi le taux de photosynthèse. De plus, à une intensité lumineuse élevée, une photo-oxydation de la chlorophylle a lieu. Dans une plage limitée, l'augmentation de l'intensité lumineuse augmente également la température qui ne devient donc pas un facteur limitant.

(ii) Pour étudier l'effet de la qualité de la lumière :

L'effet de la qualité de la lumière sur le taux de photosynthèse peut être étudié par le même dispositif expérimental, en maintenant la source lumineuse à une distance constante et en utilisant séparément des papiers cellophane de couleur bleue, verte et rouge comme filtre. Le nombre de bulles est compté dans chaque cas.

Les résultats sont tracés graphiquement en prenant la qualité de la lumière en abscisse et le nombre de bulles en ordonnée.

Les effets des différentes qualités de lumière sont différents sur le taux de photosynthèse. Le taux de photosynthèse est maximum dans la région rouge du spectre visible (655 nm) et maximum secondaire dans la région bleue (440 nm). Ainsi, deux pics sont obtenus, tandis qu'un plateau se forme au niveau de la zone verte car la majeure partie de la lumière de cette qualité est réfléchie par la plante.

Le spectre d'action montre ainsi que l'efficacité maximale de la photosynthèse est présentée par les régions rouge et bleue du spectre visible (400 à 700 nm).

(b) Facteur de dioxyde de carbone :

Une expérience est mise en place comme dans Expt. 1(a) ou 1(i) en utilisant 500 ml d'eau distillée préalablement bouillie et refroidie. Maintenant, six lots de poids de 1,25 g de KHGO3 sont pris séparément. L'installation est placée dans une lumière vive.

Un tube gradué ou un tube à centrifuger rempli d'eau est inversé sur le jet. 125 g de KHGO3 ont ensuite été ajoutés et laissés se dissoudre complètement. Après 5 minutes d'attente, le volume d'oxygène recueilli dans le tube gradué est enregistré.

Les cinq poids restants de bicarbonate sont ajoutés séparément un par un, ce qui laisse le temps de dissoudre complètement le bicarbonate et le volume d'O2 collecté après chaque addition de bicarbonate est enregistré.

Après l'ajout de chaque lot de KHGO3, environ 5 minutes doivent être accordées pour une dissolution complète, puis le volume d'O2 est collecté pendant une durée spécifique. Les concentrations de la solution, après ajout du premier au sixième lot de sachets de KHCO3, seront respectivement de 0,25, 0,50, 0,75, 1,0, 1,25 et 1,50 pour cent.

Les résultats sont tracés graphiquement en prenant la concentration de bicarbonate en abscisse et le volume d'O2 en ordonnée.

Une augmentation de la concentration de CO2 dans l'atmosphère environnante entraîne une augmentation du taux de photosynthèse jusqu'à ce qu'un point soit atteint où une augmentation supplémentaire de la concentration de CO2 n'entraîne aucune augmentation du taux de photosynthèse. A ce stade, d'autres facteurs comme la lumière ou la température deviennent limitatifs.

Encore une fois, une concentration élevée de CO2 retarde la photosynthèse en raison de :

(i) Augmentation de l'acidité (HCO3 du bicarbonate et H+ de l'eau formant H2CO3) des cellules du mésophylle,

(ii) D'un effet narcotique sur la fonction métabolique des cellules, et (m) la fermeture des stomates.

N.B. Dans le cas de plantes terrestres, l'effet de la concentration de CO2 sur le taux de photosynthèse (en termes de formation d'amidon) peut être étudié en recouvrant le matériel végétal d'une cloche munie d'une burette de mesure du CO2 au sommet pour contrôler l'apport de CO2 à l'intérieur de la cloche par rapport au temps.

The same procedure and set-up employed in Expt. 3(a) can be used for this experiment’. In this experiment the temperature of -water is raised by 5°C. Instead of 10°C. Number of bubbles per unit time is recorded at each temperature. Readings should be taken in at least five different sets of temperatures (range of temperature may be kept between 10°G. to 50°C.).

Results are graphically plotted taking temperature as abscissa and rate of photosynthesis as ordinate.

Photosynthesis is restricted to a temperature range (0°C. to 60°C.) that roughly corresponds to that tolerated by protein com­pounds. Although the photochemical part of photosynthesis is independent of temperature, biochemical part, which is controlled by enzyme activity, is strictly temperature dependent.

However, there appears to be a wide variation in adaptability amongst plants in their ability to tolerate tem­perature extremes. Generally above 35°C temperature has a deteriorating effect.

N.B. 0.10 may be calculated by knowing the rate of photosynthesis at every 10°C rise of temperature from the graph. If necessary the graph may be extrapolated.

Expérience # 6

To Study Blackman’s Law of Limiting Factors (Interaction of Environmental Factors):

Experiment is set up as in Expt. 5(i) keeping light inten­sity and temperature constant. The concentration of CO2 is increased until the rate of photosynthesis becomes constant. Now the intensity of light is increased and the rate of photosynthesis is measured until again a cons­tant level is reached. Then the temperature of water is increased and the rate of increase in photosynthesis is noted.

The results are graphically plotted as shown in the model graph (Figure 30).

The rate of photosynthesis at a constant temperature and light intensity increases with increasing concentration of CO2 up to a certain limit when light or temperature becomes limiting. At this stage increase in light intensity, keeping other two factors constant again increases the rate to a point when temperature becomes a limiting factor. Increase in temperature up to a limit hastens the rate of photosynthesis.

Under a given set of conditions the rate of a process may, therefore, be largely controlled by one or two of the limiting factors and not by all the essential factors. This principle is called Blackman’s law of limiting factor since he first proposed it. This is evident from the above experiment.

Experiment # 7

To Study on the methods of Measuring the Rate of Photosynthesis:

(a) Rate of photosynthesis in aquatic plants:

Rate of photosynthesis may be measured by counting number of bubbles per unit time (Refer Expt. 1.a or 1.6) or by measuring the volume of O2 evolved per unit time (Refer Expt. 5.b).

N.B. The rate may also be measured by Winkler’s titration procedure which gives the mg or ml of O2 evolved (i.e., remains in dissolved condition) by constant amount of plant material per hour.

(b) Rate of photosynthesis in Terrestrial plants with the help of Ganong’s photosynthometer:

Ganong’s photosynthometer is a standard apparatus by which an estimation of amount of CO2 absorbed at a given time during photosynthesis by green plants can be made. With accurate handling, the amount of O2 evolved during photosynthesis can also be measured by this apparatus and an idea about photosynthetic quotient O2CO2 can be Stopcock/obtained.

The apparatus essentially consists of three parts:

(a) A glass bulb fitted on a wooden base,

(b) A graduated tube with a stopcock, and

(c) A connecting link fitted with a stopcock which connects the graduated tube with the glass bulb. The volume of the whole set when fitted is 103 ml (Figure 31).

About 3 ml (measured by displace­ment of water) of the experimental ma­terial (any suitable fresh green leaf) is placed in the glass bulb. The volume of the apparatus now becomes 100 ml. The graduated tube is now inverted its stop­cock is closed and filled with water up to a desired mark. The graduated tube is then fitted with the connecting link.

Now stopcock of the connecting link (c) is closed and its other hollow end is filled with water. It is then inverted into a suitable measuring cylinder containing water closing the hollow end with the palm. The set is now clamped keeping the level of water in the measuring cylinder up to the hole of the connecting link (h).

Now the top of the graduated tube is connected to a CO2 generator or Kipp’s apparatus. Both the stopcocks of the graduated tube and the connecting link are open and CO2 is admitted into it. The water in the graduated tube gradually flows down and the tube is filled up by CO2The-stopcock of the adulated tube is closed when the level of water in the graduated tube falls to the level of water outside.

The tube now contains desired amount of CO2 the whole set is now fitted at the top of the glass bulb (a), so that the hole of the connecting link coincides with that of the glass bulb. This ensures that the pressure inside the bulb and the hollow end of the connecting link is at atmospheric pressure.

The connecting link is then slightly twisted to cut off the connection with the atmosphere. All connections are then made air-tight. Now the stopcock of the connecting link is opened to allow CO2 to diffuse into the bulb-the whole apparatus is kept in bright sunlight for about three hours. After noting the time the stopcock of the connecting link is dosed and the graduated tube is taken out from the bulb.

It is then put in a basin of water and the connecting link is removed under water. The graduated tube is fixed with the zero mark exactly on the surface of water and the stopcock of the graduated tube is gently opened to allow water to rise inside the tube up to the zero mark.

Now one test tube is completely filled with 30% KOH solution and is fitted to the top of the graduated tube with the help of rubber tubing which is fitted with a pinch cock. The tube is removed from water, pinch cock is opened and the KOH solution is allowed to flow into the graduated tube.

It is shaken thoroughly, KOH solution is drained back into the test tube and the pinch cock is closed. The end of the graduated tube is then placed under water with its zero mark at the surface level and the test tube is disconnected closing the stopcock of the graduated tube.

The water now rushes up to a mark corresponding to the volume of CO2 absorb­ed by KOH which equals the volume of CO2 left unutilised by the photon synthetic experimental material after the desired time.

The test tube is now filled with alkaline pyrogallate solution and the procedure is repeated to measure the volume of O2 évolué. The difference between the actual amount of CO2 present at the beginning of experiment and the amount of unused CO2 gives the actual amount of CO2 utilised in photosynthesis. The photosynthctic quotient (O2/CO2) may be calculated from the results.

The rate of photosynthesis is expressed as ml of CO2 absorbed or O2 evolved per gram weight of the experiment material per hour.

N.B. The experiment is somewhat erroneous because of the following reasons:

(i) The volume of CO2 left inside the bulb as well as in the hollow end of the connecting link is neglected,

(ii) The measurement of volume of O2 evolved in photosynthesis is not accurate because this disregards the volume of O2already present in the atmosphere inside the apparatus (air contains about 16% O2), et

(iii) CO2 is slightly soluble in water.

(c) Rate of photosynthesis in terrestrial plants by measuring dry weight increase or net assimilation:

Several weighing bottles are dried in an oven at 100°C., cooled in a desiccator and accurately weighed. These are stored in a desiccator until ready for use. Bottles arc serially marked. Two suitable potted plants are kept in a dark room for a day before the experiment is started.

The following morning at a convenient hour one potted plant is transferred to a sunny place and 50 discs are cut out from the leaves with a cork borer of 1 cm diameter.

During cutting of discs, the leaf may be supported against a cork or rubber stopper. A representative sampling of all the leaves on the plant is taken except the very young and senescent leaves. The samples are taken in weighing bottles and fresh weights and dry weights are determined.

The plant from which the discs have been collected is allowed to re­main in the sunny place for at least four hours. The duration of experiment, temperature and light intensity are recorded. The plant is adequately watered during these periods.

After four hours the discs are similarly cut out, taken in weighing bottles, fresh and dry weights are determined. The experiment is repeated at an interval of four hours as long as time permits. The same procedure is repeated in case of plants kept in dark.

Increase in dry weight per four hours by 50 discs is cal­culated in each case and the result is expressed as mg dry weight increase per sq. cm of the leaf per hour.

N.B. The amount of CO, consumed per hour per sq. cm may be calculated, assuming all the photosynthate as glucose, as follows.

Again the number of litres of air required to supply the CO2 absorbed per sq. cm per hour may also be calculated as follows. If amount of CO2 consumed/hr/sq. cm of leaf is taken as X, volume of CO2 in air as 0.03 per cent and weight of 1 ml of CO2 as 1.977 mg at standard conditions then the amount of air is

Experiment # 8

Determination of Real and Apparent Photosynthesis:

Two experimental set-ups are arranged as in Expt. 2.a (iv). Here tap water is used (which may be previously oxygenated by photosynthesis). The experimental materials should be of comparable number and weight in each case.

The initial O2 content of water in each set-up is determined following the procedure given in the referred experi­ment. One set-up is kept in bright light for photosynthesis and the other in dark for respiration only. Alter two hours the O2 content of water of both the set-ups is again determined.

The difference between the final and the initial content of O2 in case of the set-up kept in light gives the excess of O2 liberated by photo­synthesis. This amount indicates apparent photosynthesis.

Again the difference between the initial and final content of O2 in case of the set-up kept in dark gives the amount of O2 consumed during respiration. When this amount of O2 is added to the amount of O2 liberated by photosynthesis it gives the real photosynthesis.

When the net result of photosynthesis is measured and no correction is made for respiration it is called the apparent pkolosytahesis. When, on the other hand, corrections for respiration are made, the photo­synthesis thus calculated is called die real photosynthesis or true photosyn­thesis.

So to obtain a measure of true photosynthesis it is desirable to make corrections for respiration. Some of the O2 given off in photosynthesis is used up in respiration and some of the CO2 given off in respiration is taken up in photosynthesis.

It is therefore necessary to measure the respiration of an identical sample in dark. It is easily seen that the apparent photo­synthesis is less than the true photosynthesis by the amount of O2 used up in respiration.

The respiration error is variable and is always present, and it thus complicates attempts to measure true photosynthesis, since the factor which influence photosynthesis are likely also to influence respiration.

Experiment # 9

To Show That the Entry of CO, Takes Place Through Stomatal Pores:

A suitable potted plant is so selected that its leaves are dorsiventral and upper surfaces are thickly circularised. The plant is kept in dark for two days to deplete their leaves of starch. Now some leaves are smeared with Vaseline only on the lower surfaces and other leaves are smeared only on the upper surfaces.

Vaseline should be applied as a thin film so that stomatal pores are closed. The plant is then kept in light for several hours. After that period the leaves are severed and tested for starch by iodine.

It is observed that the leaves having Vaseline applied on the lower surface only do not show the presence of starch whereas the leaves in which Vaseline was applied on the upper surface shows the presence of starch by iodine.

In case of the leaves smeared with Vaseline on the lower surface starch synthesis cannot take place because CO2 could not enter into the leaf for use in photosynthesis owing to the closure of stomatal pores by Vaseline.

Those leaves in which Vaseline has been applied on the upper surface have their stomata open on lower surface through which CO2 could enter and allow the photosynthesis to occur resulting in starch synthesis. Thus the experiment shows that the CO2 enters the leaves through stomatal pores of the lower surface in case of dorsiventral leaves.

Experiment # 10

To Show the Necessity of Light for Synthesis of Chlorophyll in Leaves:

Some pea or gram seeds are allowed to germinate in dark as well as in light.

After 10 days the dark grown seedlings show yellow or white leaves and stems. Other seeds grown in light show normal seedlings with green leaves and stems. When etiolated plants are exposed to light these turn to green.

The experiment shows that light is necessary for chloro­phyll synthesis. In a light-mediated reaction protochlorophyll is reduced to form chlorophylla. Photoreduction of protochlorophyllide to chlorophyllide a, followed by phytol esterification to form chlorophyll a, is now thought to be the major pathway.

Experiment # 11

To Show that Starch Synthesis In Etiolated (Or Albino) Leaves are Independent of Light Provided Sugars are Present:

Two comparable leaf samples are picked from etiolated rice or wheat seedlings grown in a dark room. Each sample is placed in a beaker of 100 to 150 ml capacity and some weight is placed on the leaves to prevent them from floating.

One sample is covered with pure water and the other with 0.1 M sucrose solution for two days in the dark room. The samples are removed from the beaker excess liquid is blotted off, placed on moistened filter paper in petridishes and set aside in the dark room for a period of 24 hours. At the end of the experimental period the leaves from both the sets are tested for starch by iodine.

No starch is obtained in case of leaves kept in water whereas starch synthesis takes place in case of leaves kept in sucrose solution.

The experiment shows that the starch synthesis in etiolated leaves is independent of light if sugars arc supplied to the etiolated leaves.


ELI5: we already know how photosynthesis is done so why cant we creat “artificial plants” that take CO2 and gives O2 and energy in exchange?

2

Artificial photosynthesis actually is a deeply studied field of research, where you use sunlight to drive a reaction that releases oxygen from various solutions. The problem is, the components needed in the reaction are inefficient, degrade/deplete quickly, or are expensive to make/maintain.

4 2 2 5

I work within a related scientific field. There are two main lines of research that have been worked on for decades.

Replicating photosynthesis artificially without plants. It kind of works, but is far from being economically viable. Plants are still much better at photosynthesis than chemists are. Solar cells is a more viable alternative within the foreseeable future.https://en.wikipedia.org/wiki/Artificial_photosynthesis

Improving plants so they become more efficient at photosynthesis. This has been attempted mainly through improving the enzyme RuBisCO, which is responsible for CO2 uptake in plants. RuBisCo is an unusually slow enzyme, it only takes up a handfull of CO2 molecules per second. A faster RuBisCO has been created by scientists, but it did not end up improving plant growth in practice.https://en.wikipedia.org/wiki/RuBisCO#Genetic_engineering
Edit: I'm not super up to date with this, apparently some of the problems have now been worked out and there is a faster growing plant out there. (https://science.sciencemag.org/content/363/6422/eaat9077)

So, in conclusion, your idea was good but it is hard to get to work in a practical and especially economically viable way.


Going Beyond Germination in Grades 3–5

Older students can not only handle the responsibility of caring for plants in the classroom, they can also work with more challenging varieties of plants. They can even begin designing experiments by choosing subjects and isolating variables.

For example, they might try sprouting the same species in different types of soils, or do the opposite, and test out a variety of seeds in the soil native to your area.

Growing “spuds in tubs” or “cabbage clones” in the classroom gives your students a taste of traditional agriculture – and they may actually be able to eat what they produce!

Working with plant clones is also an easy way to introduce the notion that different living things reproduce in different ways – a biological fundamental that may very well amaze your students. You could also connect these activities to lessons in history and geography: a unit about Eastern Europe or Ireland, for example.

The way leaves change color in the fall is fascinating no matter how old you are, and discovering the different pigments which make that change possible is a great way for students to begin learning about photosynthesis.

Try out this activity near the start of the school year, when the leaves in your area are likely still green. Then, when the leaves start changing in the fall, make sure to reflect back on the experiment and see if your class could predict what colors their local trees would become.


Termes et concepts

  • Macronutriment
  • Micronutrient
  • Solvant
  • Cellule
  • Biochemical reaction
  • Photosynthèse
  • Chlorophylle
  • Hydroponics
  • Arable
  • Physiologist
  • Wick system
  • Water culture system
  • Aerate
  • Zone
  • Ellipse

Des questions

  • What are the differences between a macronutrient et un micronutrient?
  • You might think that hydroponics is a Nouveau way of growing plants, but it isn't. What ancient cultures reportedly used or mentioned hydroponics? How old is the science of hydroponics?
  • Why is NASA interested in hydroponics? What kinds of hydroponics experiments do NASA scientists perform?
  • What are the differences between the six basic types of hydroponic systems? Quels sont les avantages et les inconvénients de chacun ?

Scientists Patch Photosynthesis Glitch to Make Plants Grow 40 Percent Larger

All that oxygen you enjoy breathing doesn’t just appear magically in the atmosphere. Earth is livable because plants around the globe pump out oxygen as a byproduct of photosynthesis, and some of them become tasty food crops in addition. However, photosynthesis isn’t perfect despite many eons of evolutionary refinement. Scientists from the University of Illinois have worked to correct for a flaw in photosynthesis, and that could improve crop yields by as much as 40 percent.

At the heart of the new research is a process in plants called photorespiration, which is not so much part of photosynthesis as it is a consequence of it. Like many biological processes, photosynthesis doesn’t work correctly 100 percent of the time. In fact, one of the main reactions in photosynthesis is only about 75 percent effective. The change comes in the process that plants undertake because of that inefficiency.

In photosynthesis, plants take water and carbon dioxide and process it to create sugars (food) and oxygen. Plants don’t need the oxygen, so it gets expelled. Happily, we do need oxygen, and we exhale carbon dioxide.

The problem addressed in the new study is with an enzyme called ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase-oxygenase (RuBisCO). This protein complex attaches a carbon dioxide molecule to ribulose-1,5-bisphosphate (RuBP). Over the ages, Earth’s atmosphere has become more oxygenated, and that means RuBisCO has to cope with more oxygen molecules mixed in with carbon dioxide. About a quarter of the time, RuBisCO grabs an oxygen molecule by mistake, and that has consequences inside a plant.

Scientists Don Ort (right), Paul South (center) and Amanda Cavanagh (left) study how well their plants modified to bypass photorespiration perform beside non-modified plants in real-world conditions.

When RuBisCO screws up, plants are left with toxic byproducts like glycolate and ammonia. It takes energy to process these compounds (through photorespiration), which is added to the energy loss from photosynthesis inefficiency. The study authors note that rice, wheat, and soybeans all suffer from this glitch, and RuBisCO gets even less accurate as temperatures rise. That means food supplies could go down as global warming becomes more severe.

The fix is part of a program called Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE), and it relies on the introduction of new genes that improve growth. Usually, photorespiration takes a circuitous and complex route through three different cellular organelles. It consumes ATP (the energy currency of cells) that should be going to making the plant larger and stronger. RIPE focuses on making photorespiration quicker and more energy efficient.

The team developed three alternate pathways using new genetic sequences. They optimized these pathways across 1,700 different plants to identify the best approaches. Over the course of two years, the researchers tested the sequences using modified tobacco plants. That’s a common plant in science because its genome is exceptionally well-understood.

Those plants produced about 40 percent more biomass than non-modified plants. That indicates the more efficient photorespiration pathways save the plant considerable energy that can instead go toward growth. The next step is to incorporate the genes into food crops like soybean, cowpea, rice, and tomatoes.

It may take several years to integrate the revised photorespiration genes into food crops, which are more complicated than tobacco. The resulting plants would then have to be approved for human consumption by regulators — that’s no easy feat by itself, and there’s frequent anti-scientific opposition to genetically modified crops. RISE is supported by non-profits all over the world, including the Bill & Melinda Gates Foundation. Any seeds developed under RISE will be available royalty-free.


Rising temperatures also alter photosynthesis in a changing climate

Rising temperatures associated with climate change affect plants' ability to maintain their structural integrity, absorb carbon dioxide, retain water, and grow and reproduce. Credit: Julie McMahon

Agricultural scientists who study climate change often focus on how increasing atmospheric carbon dioxide levels will affect crop yields. But rising temperatures are likely to complicate the picture, researchers report in a new review of the topic.

Publié dans le Journal de botanique expérimentale, the review explores how higher temperatures influence plant growth and viability despite the greater availability of atmospheric CO2, a key component of photosynthesis.

Excessive heat can reduce the efficiency of enzymes that drive photosynthesis and can hinder plants' ability to regulate CO2 uptake and water loss, the researchers write. Structural features can make plants more—or less—susceptible to heat stress. Ecosystem attributes—such as the size and density of plants, the arrangement of leaves on plants or local atmospheric conditions—also influence how heat will affect crop yields.

The review describes the latest scientific efforts to address these challenges.

"It's important to have an understanding of these issues across scales—from the biochemistry of individual leaves to ecosystem-level influences—in order to really tackle these problems in an informed way," said lead author Caitlin Moore, a research fellow at the University of Western Australia and an affiliate research fellow at the Institute for Sustainability, Energy, and Environment at the University of Illinois Urbana-Champaign. Moore led the review with Amanda Cavanagh, another U. of I. alumna now at the University of Essex in the U.K.

"Historically, there's been a lot of focus on rising CO2 and the impact that it has on plants," said co-author Carl Bernacchi, a professor of plant biology and of crop sciences and an affiliate of the Carl R. Woese Institute for Genomic Biology at the U. of I. "And it is an important factor, because we are changing that carbon dioxide concentration enormously. But it's a small part of the bigger story. Once you throw changing temperatures into the mix, it completely messes up our understanding of how plants are going to respond."

"Take Rubisco, the key enzyme that fixes carbon dioxide into sugars, making life on Earth possible," Cavanagh said. "Rubisco speeds up as the temperature increases, but it's also prone to making mistakes."

From left, Caitlin Moore, Carl Bernacchi, Katherine Meacham-Hensold and their colleagues review how rising temperatures affect photosynthesis in plants and how scientists are addressing the challenges. Credit: Claire Benjamin/RIPE project

Instead of fixing carbon dioxide by binding it to sugars, a key step in photosynthesis, Rubisco sometimes fixes oxygen, initiating a different pathway that wastes a plant's resources. Higher temperatures make this more likely, Cavanagh said. At even higher temperatures, the enzyme will begin to lose its structural integrity, making it ineffective.

Excessive heat can also undermine a plant's reproductive output. Other heat-sensitive enzymes are essential to the light-harvesting machinery of plants or play a role in moving sugars to different plant tissues, allowing the plant to grow and produce grains or fruits.

"If these little molecular machines are pushed out of the temperature range that's optimal, then they can't do their job," Cavanagh said.

When temperatures rise too high, plant leaves open the pores on their surfaces, called stomata, to cool themselves. Stomata also allow plants to absorb carbon dioxide from the atmosphere, but when they're fully open, the leaf can lose too much moisture.

"Temperature affects the atmosphere above the plant," Moore said. "As the atmosphere heats up, it can hold additional water, so it's pulling more water from the plants."

Scientists at Illinois and elsewhere are looking for ways to enhance crop plants' resilience in the face of these changes. Moore, whose work focuses on ecosystem-scale factors, said new tools that can help screen plants on a large scale are essential to that effort. For example, satellites that can detect changes in chlorophyll fluorescence in plants can indicate whether a crop is under heat stress. These changes in fluorescence are detectable before the plant shows any outward sign of heat stress—such as their leaves turning brown. Developing these tools may enable farmers to respond more quickly to crop stress before too much damage is done.

Cavanagh, who studies the molecular biology and physiology of plants, said some plants are more heat tolerant than others, and scientists are searching their genomes for clues to their success.

Co-author Amanda Cavanagh studies the molecular biology and physiology of plants. Credit: Claire Benjamin/RIPE project

"For example, you can look at wild Australian relatives of rice that are growing in much harsher climates than most paddy rices," she said. "And you see that their enzymes are primed to work more efficiently at hotter temperatures."

One goal is to transfer heat-tolerant genes to cultivated rice varieties that are more susceptible to heat stress.

Other strategies include engineering structures that pump more CO2 to the site of carbon fixation to improve Rubisco efficiency altering the light-gathering properties of leaves at the tops and bottoms of plants to even out distribution of sunlight and maintain moisture levels and changing the density of stomata to improve their control of CO2 influx and moisture loss.

Collaboration between scientists focused on different scales of ecosystem and plant function—from the atmospheric to the molecular—is essential to the success of efforts to build resilience in crop plants, the researchers said.

"The world is getting hotter at a shocking rate," Cavanagh said. "And we know from global models that each increase in gross temperature degree Celsius can cause 3% to 7% losses in yield of our four main crops. So, it's not something we can ignore.

"What makes me optimistic is the realization that so much work is going into globally solving this problem," she said.


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Can plants grow without photosynthesis? - La biologie

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Scientists Tweak Photosynthesis and Boost Crop Growth by 40 Percent

A slow enzyme named rubisco has left plenty of room for improvement.

Without photosynthesis, life as we know it wouldn't exist on earth. When plants convert light energy into chemical energy, they release oxygen as a by-product. But over the past millennia, they've slowly become less effective at production. Researchers at the U.S Department of Agriculture and the University of Illinois have engineered a correction and figured out how to make crops that are 40 percent more productive in real-world farming conditions.

The problem lies with an enzyme known as rubisco, short for ribulose bisphosphate carboxylase/oxygenase. Rubisco has a crucial role in the photosynthetic process: It takes inorganic carbon dioxide and transforms it into organic carbon. However, for an enzyme that plays a crucial role for all life on earth, scientists describe it as "remarkably inefficient." Most enzymes can process thousands of molecules in the time it takes rubisco to process two or three.

Plants typically make up for this by creating lots and lots of rubisco&mdashso much that it's the most ample enzyme on earth. And for the most part, it's worked. Rubisco has been converting carbon dioxide into organic carbon to the extent that earth's current atmosphere is rich with oxygen.

But the inefficient enzyme has encountered another difficulty. It's begun to confuse its natural diet of carbon dioxide molecules with oxygen. That's no good for photosynthesis. When rubisco grabs oxygen, as scientists say it does around 20 percent of the time, it forces the plant to undergo an energy-consuming process known as photorespiration. During photorespiration, a plant sends its enzymes through three different compartments within the plant cell.

&ldquoPhotorespiration is anti-photosynthesis,&rdquo says lead author Paul South, a research molecular biologist with the Agricultural Research Service, in a press statement. &ldquoIt costs the plant precious energy and resources that it could have invested in photosynthesis to produce more growth and yield.&rdquo

Over two years, the research team attempted to develop a more efficient version of photorespiration. Testing through 1,700 plants, they created three. These new methods of photorespiration use alternate sets of promoters and genes, allowing plants to achieve the same results while expending far less energy.

&ldquoMuch like the Panama Canal was a feat of engineering that increased the efficiency of trade, these photorespiratory shortcuts are a feat of plant engineering that prove a unique means to greatly increase the efficiency of photosynthesis,&rdquo says Stephen Long, the Ikenberry Endowed University Chair of Crop Sciences and Plant Biology at Illinois and director of Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE).

In field studies, these engineered plants were able to develop plants faster, grow taller, and produce around 40 percent more biomass.

Although only tested in tobacco (an ideal test subject due to its relative genetic simplicity and big ol' leaves), scientists now hope to expand testing to crops that make up the staples of many diets around the globe: soybeans, cowpeas, rice, potatoes, tomatoes, and eggplants. Scientists anticipate a decade-long journey toward gaining regulatory approval for the new engineering across the globe.

After that process, smaller farms in Sub-Saharan Africa and Southeast Asia could have royalty-free access to these engineered plants producing more oxygen than they have in a long time.


Red Light

Red light is the second main contributor to photosynthesis, but similarly to blue it produces unique results in plant physiology. Red light exists most when the sun is low in the sky, which is winter, morning and evening. You can imagine that a plant will know what time of day it is by the presence of red light, and you would be right. Phytochromes are phytochemicals that carefully observe red and far red light, specifically the balance between them, and set many decisions based on this balance, such as elongating stems to beat crowing via other plants, setting seasonal or daily flowering period, budding, and contributing to plant circadian rhythm. For more information on phytochromes and their use, please see our article ‘Phytochrome Manipulation.

Red light is special in that it can deliver high growth to a plant, but without the limiting effect of blue that obscures the chloroplast to protect it from high-blue midday sun. Therefore red is very efficient at producing fast growing tall and strong plants and indeed produces some of the most impressive growth rates of height and stem width in plants.