Cyril Da - 17/12/2013

Modélisation et biologie, récit d'une collaboration à succès

Christophe Godin et Teva Vernoux
Christophe Godin et Teva Vernoux    - © Inria
Christophe Godin, de l'équipe Inria Virtual Plants, et Teva Vernoux, du Laboratoire de reproduction et développement des plantes (CNRS/ENS Lyon/INRA/UCBL) ont mené un projet dont les résultats jettent une lumière nouvelle sur la façon dont les plantes forment ces étonnants et universels arrangements d’organes en spirales ou en couronnes. Au total, 23 chercheurs et ingénieurs de domaines disciplinaires variés ont contribué à cette découverte qui fait l'objet d'une publication dans la revue de référence Nature en décembre. Interview croisée.

Comment avez-vous été amenés à travailler ensemble ?
Teva Vernoux : Au départ nous travaillions tous les deux sur la phyllotaxie, l'architecture primaire des plantes. Chez un très grand nombre d’espèces, cette phyllotaxie est spiralée, c'est-à-dire que les organes latéraux sont distribués en spirale autour d'un axe, avec un angle de 137° environ entre chacun.

Christophe Godin : C'est ce qu'on appelle « l'angle d'or ». Cet angle est relié au fameux nombre d’or, utilisé depuis des siècles en architecture ou en peinture, qui était supposé établir des proportions idéales entre les différentes parties d’un bâtiment ou d’un corps. Curieusement, il est également présent au cœur des végétaux…

T.V. :  En outre, cet angle était considéré comme relativement immuable chez une grande majorité de plantes à phyllotaxie spiralée. Mais, en travaillant sur une plante mutante (plante pour laquelle un unique gène est changé par rapport à la plante non mutante, dite « sauvage »), mon thésard Fabrice Besnard a noté des déviations importantes de l’angle de 137,5°. Certaines de ces déviations revenaient régulièrement, faisant un motif remarquable dans la séquence des angles sur la tige du mutant. Très vite, il s'est rendu compte que ce motif pouvait s'expliquer très facilement par une permutation de deux organes le long de la tige à l’endroit où apparaît le motif. Cependant, des perturbations beaucoup plus complexes apparaissaient également en nombre très important chez le mutant. On s’est aperçu qu’elles apparaissaient aussi chez le sauvage quoique beaucoup plus rarement. Ces perturbations étaient tellement incompréhensibles qu’elles faisaient penser à une sorte de bruit. Pourtant, il y avait ces motifs reconnaissables au beau milieu…

Nous avons donc imaginé que cela pouvait être en fait des permutations plus complexes, impliquant plus d’organes. Fabrice a commencé de vérifier cette hypothèse à la main. Mais avec 2000 ou 3000 angles par phénotype on s'est vite rendu compte que c'était un véritable casse-tête. Il nous fallait mettre en place une démarche analytique précise. Connaissant les approches mathématiques et statistiques de l’équipe Virtual Plants, on est donc descendu à Montpellier pour rencontrer l’équipe de Christophe et voir s’ils pouvaient nous aider à résoudre ce problème.

CG : La question était en effet compliquée. À première vue, le signal correspondant à ces suites d’angles ne semblait contenir presque aucune logique. On aurait dit une sorte de bruit. Nous avons évalué à ce moment-là la possibilité de formaliser mathématiquement le problème et de construire des algorithmes qui nous permettent de trancher avec certitude si oui ou non il s’agissait de permutations cachées. Avec mon thésard Yassin Réfahi, ainsi qu’Etienne Farcot et Yann Guédon chercheurs dans l’équipe, nous avons donc commencé à analyser le problème sous un angle mathématique. Une première analyse théorique sur les langages de permutations, c’est-à-dire sur les motifs (ou mots) que peuvent engendrer des permutations de n organes, nous avons montré, de façon un peu inattendue, que des motifs assez complexes pouvaient émerger de l’enchaînement de plusieurs permutations sur une même tige, même si celles-ci n’impliquent chacune que très peu d’organes.

  Les algorithmes ont validé l’hypothèse à 95% 
Teva Vernoux : Ces premiers résultats étaient encourageants car ils donnaient une piste plausible d’interprétation de ce qui se passait sur les tiges du mutant : des permutations d’un nombre limité d’organes mais assez fréquentes chez le mutant et moins fréquentes chez le sauvage.

Christophe Godin : Il restait toutefois à le démontrer sur les données réelles. Pour cela on a développé des techniques qui permettaient d’aborder le problème dans deux sens complémentaires 1. En faisant l'hypothèse a priori qu'il y avait des permutations dans les données et en quantifiant la vraisemblance de cette hypothèse et 2. En extrayant les motifs statistiquement les plus fréquents dans les données, sans a priori, et en vérifiant a posteriori que l’ensemble des motifs ainsi extraits correspondaient bien à des langages de permutation.

Modélisation de plantes vue sur écran d'ordinateur.
Travaux de l'équipe Virtual Plants    - © Inria / Photo C. Lebedinsky
T.V. : Les algorithmes ainsi construits nous ont permis de valider l’hypothèse des permutations avec une grande confiance : on a pu expliquer à plus de 95% les déviations par rapport à l'angle de 137,5° par des permutations à 2 ou 3 organes.

C.G. : Ce n’était donc pas tant la taille des permutations qui rendait le problème épineux que la fréquence et la complexité de leur enchainement.

T.V. : Au fur et à mesure, la certitude grandissait pendant ce travail que nous avions bien affaire à des permutations et ça nous donnait des pistes à explorer pour savoir où regarder dans l’analyse biologique.

C.G. : La question devenait : « comment la mutation de ce seul gène pouvait-il engendrer une telle cascade de permutations ? »

T.V. :  Il fallait revenir au niveau du méristème, et comprendre ce qui se passe dans ce tissu qui contrôle en premier lieu la mise en place de l’architecture de la partie aérienne. En effet c’est le patron spatio-temporel de l’initiation des nouvelles fleurs dans le méristème qui va déterminer leur position relative et qui est le premier déterminant de leur positionnement ultérieur sur la tige de l’inflorescence.

  Peu d’études jusqu’ici s’étaient intéressées aux perturbations de la phyllotaxie 
C.G. : L’histoire de l’étude de la phyllotaxie est longue et riche. Elle a conduit à bâtir un modèle de son fonctionnement communément admis aujourd’hui. Ce « modèle standard » dit que, dans le méristème, chaque organe interdit à un autre organe de se créer dans son voisinage immédiat. Celui-ci émet ce que l’on appelle un « champ inhibiteur ». On peut montrer que cette simple hypothèse des champs inhibiteurs permet d’obtenir tous les types de phyllotaxie connus dans le règne végétal.

T.V. : Cependant peu d’études jusqu’ici s’étaient intéressées aux perturbations de la phyllotaxie et à leur compatibilité avec le modèle standard. Probablement parce que l’idée de symétrie associée à ces motifs en spirales était si forte que les imperfections étaient la plupart du temps mises sur le compte d’un banal bruit biologique sans importance.

C.G. : Mais devant ces perturbations remarquables que nous venions de découvrir, il fallait aller plus loin : si les permutations d’organes observées sur l’inflorescence indiquent des permutations de l’ordre d’initiation des organes dans le méristème, est-ce que cela ne devrait pas déstabiliser complètement le système des champs d’inhibition, régulier comme une horloge ?

T.V. : Dans notre cas, le fait d’avoir des hypothèses précises à tester nous a permis de mettre au point un protocole expérimental adapté utilisant des développements technologiques récents, tel que l’imagerie de méristèmes vivants qui permet de suivre la dynamique de l’initiation des fleurs dans le méristème. Grâce à ces méthodes, on a démontré que dans le meristème, les organes ne sont en réalité pas permutés. Ils sont en fait de temps en temps co-initiés, c’est à dire que plusieurs fleurs peuvent être initiées en même temps alors qu’en temps normale elles apparaissent les unes après les autres à intervalles réguliers. Nous avons observé que ces co-initiations sont, de façon assez surprenante, relativement fréquentes chez les plantes sauvages et que leur fréquence augmente chez les plantes mutantes.

C.G. : C’est ensuite seulement que se produisent les permutations, pendant la phase de croissance où les organes co-initiés se rangent dans un ordre aléatoire le long de la tige, induisant de temps en temps en fonction de l’aléa des permutations.

T.V. : Toujours grâce à l’imagerie et à la biologie moléculaire, nous avons ensuite pu également expliquer comment le gène mutant est impliqué dans la définition des champs d’inhibition et induit par son action une augmentation significative des co-initiations dans le mutant et donc des permutations. C'est ça qu'on publie avec Fabrice Besnard et l’équipe de Christophe dans Nature  : on part de l'architecture pour aller vers le méristème puis vers un mécanisme qui explique très bien comment ça fonctionne.

Qu'est-ce que vous n'auriez pas pu faire l'un sans l'autre ?
Christophe Godin : Dans ce cas, c’est l’observation biologique et la question posée au départ par Teva qui sont à l’origine de tout. Si on veut comprendre un objet biologique, il faut le secouer, casser un truc dedans, le modifier et le remettre... et aujourd’hui, ce travail fait appel à des développements pointus en biologie moléculaire et en génétique, ce n'est pas mon métier.

Teva Vernoux : Si on n'avait pas eu ce contact avec Christophe, on serait probablement arrivé à décrire ce qui se passait au niveau du méristème, mais pas à ce degré de profondeur et de conceptualisation du problème qui rejaillit sur le mécanisme même de la phyllotaxie. Travailler à l'interface est extrêmement enrichissant.

Que retenez-vous de ce travail interdisciplinaire ?
C.G. : Il faut que les deux parties aient faim de bosser ensemble. Si une équipe de biologistes va voir une équipe de mathématiciens et que leurs problèmes biologiques ne les accrochent pas, ça va rester stérile.

T.V. : D'autant que tout biologiste ne va pas avoir forcément envie de poser des questions d’une manière qui peut intéresser des mathématiciens ou informaticiens...

C.G. : Teva nous a proposé un objet de réflexion avec ses mots et ses concepts. Au départ, la question n’est même pas forcément clairement formulée. Mais le problème est là. L’intérêt de mon côté nait de ce que d’une manière ou une autre, il peut faire écho à mes propres questions. On commence alors à se dessiner, maladroitement au début, l’objet de réflexion perçu par l’un et par l’autre. Tout l'enjeu de la collaboration est ensuite de construire cet objet ensemble. Chacun amène des idées, teste leur cohérence, explore des pistes, se convainc puis tente de convaincre l'autre.

T.V. : C'est comme une sculpture à quatre mains. On apporte le matériau sur la table, on commence par dégrossir, et puis on fignole, parfois chacun un peu de son côté, parfois sur des zones communes et on essaie de converger.

C.G. : Cette sculpture est elle-même une œuvre interdisciplinaire et partagée, même si les questions posées ne sont pas symétriques au départ. Si l’objet restait l’œuvre de l’un des acteurs seulement, on serait plus dans quelque chose de l'ordre du service ou du conseil.

T.V. : On est venu avec une première idée. Après on a vraiment élaboré la direction du projet à partir de ça. Quand on a eu l'idée qu'il y avait une analyse statistique possible de nos mesures des angles entre les siliques, on s'est dit qu'il y avait quelque chose à construire et on a pris le temps de le faire.

C.G. : On se connaissait déjà assez bien avant la première réunion, on connaissait mutuellement nos travaux. Et on sait qu'on partage ce goût pour des objets communs, même si on n'a pas les mêmes outils...

T.V. : Petit à petit, on élabore un langage commun, et pour ça il faut beaucoup échanger. Ça prend du temps et il faut de la patience. Mais avec le temps la communication va de plus en plus vite, est plus valorisante et devient même très efficace.

C.G. : La puissance des outils technologiques qui se développent aujourd’hui - microscopie laser, la biologie moléculaire, bio-informatique -, nous donne accès à des parties inexplorées du monde, à de nouvelles échelles. On est un peu démuni face à la complexité des systèmes qui apparaissent. Les outils traditionnels des biologistes ont besoin de s’adapter. C’est une opportunité considérable pour les mathématiques et l’informatique de découvrir de nouvelles inspirations.

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Paris, 3 juin 2015
Varroa destructor : le parasite capable de mimer chimiquement deux espèces d'abeilles

Des chercheurs de l'Institut de recherche sur la biologie de l'insecte (CNRS/Université François Rabelais de Tours) et du laboratoire Abeilles et environnement de l'Inra, en collaboration avec des collègues américains et chinois1, ont démontré que Varroa destructor, un acarien parasite des abeilles qui a la capacité d'imiter la composition chimique de la cuticule2 de son hôte, est aussi capable de changer cette composition en fonction de l'espèce qu'il parasite. Cette faculté d'adaptation remarquable pourrait expliquer comment ce parasite de l'abeille asiatique a pu coloniser l'abeille européenne au cours du 20e siècle, contribuant ainsi au déclin de l'espèce. Ces travaux sont publiés le 3 juin 2015 dans la revue Biology Letters.
L'acarien Varroa destructor est un ectoparasite3 de l'abeille domestique posant de nombreux problèmes sanitaires à leurs colonies. Il s'introduit dans les alvéoles des ruches contenant les larves d'abeille et se nourrit de leur hémolymphe4. Il parasite également les nymphes et les abeilles adultes, participant au déclin observé actuellement chez cette espèce et provoquant des pertes économiques importantes en apiculture. L'hôte d'origine de cet acarien est Apis cerana, l'abeille asiatique, mais il est devenu une grave menace pour l'abeille européenne (Apis mellifera) qu'il a commencé à parasiter dans les années 40-50 et qui résiste moins bien à ses attaques. Les abeilles asiatiques présentent en effet des comportements (toilettage des adultes et vérification des larves par les ouvrières) qui leur permettent de détecter et d'éliminer le parasite. Ces comportements se retrouvent moins chez les abeilles mellifères et, sans traitement chimique, leurs colonies meurent en deux à trois ans.

La cuticule des abeilles est constituée d'un mélange d'une cinquantaine de composés lipidiques – des hydrocarbures – qui servent entre autre à la communication chimique. Les abeilles sont capables de reconnaître la composition d'une cuticule et d'identifier ainsi l'espèce ou l'âge d'un individu. Cela leur sert également à détecter la présence des parasites dont la cuticule est différente. Des études précédentes ont montré que l'acarien Varroa destructor peut mimer les hydrocarbures cuticulaires de leur hôte et ainsi échapper au comportement hygiénique des abeilles. Dans ces nouveaux travaux, les chercheurs se sont intéressés à la capacité des acariens, selon leur origine, à mimer la composition de la cuticule d'un nouvel hôte, d'une espèce différente, en transférant des acariens vivant dans une colonie d'abeilles asiatiques sur des larves d'abeilles européennes et inversement.

Leurs résultats montrent que les parasites sont capables d'imiter les deux hôtes, même lorsqu'ils sont transférés artificiellement. En effet, les proportions des hydrocarbures cuticulaires des acariens changent après le transfert afin de mimer la cuticule de leur nouvel hôte. Le mimétisme chimique est donc maintenu et cette faculté d'adaptation remarquable pourrait expliquer comment ce parasite de l'abeille asiatique a pu coloniser l'abeille domestique.

L'analyse des cuticules a aussi mis en lumière que les acariens issus de colonies d'abeilles asiatiques sont de meilleurs imitateurs que ceux provenant d'abeilles européennes. Ainsi la longue co-évolution entre Varroa destructor et Apis cerana a semble-t-il permis aux acariens d'être plus efficaces dans leur mimétisme chimique et aux abeilles asiatiques de développer des comportements plus adaptés à la lutte contre le parasite. A l'inverse le passage relativement récent de l'acarien chez Apis mellifera explique pourquoi l'abeille européenne a du mal à détecter le parasite. Ce système hôte parasite offre donc une belle illustration de la « course aux armements » à laquelle se livrent deux organismes au cours de leur évolution commune.

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La révolution métagénomique

16.07.2015, par Jean-Philippe Braly


Combinant les avancées du séquençage à haut débit et du big data, la métagénomique a bouleversé notre vision du monde microscopique en dévoilant l'incroyable biodiversité des écosystèmes microbiens, qu'ils résident dans les fonds marins, sous terre ou dans nos intestins...
Océans, sols, intestins… Comment étudier la biodiversité de milieux dont un seul dé à coudre contient des milliards de micro-organismes réfractaires à toute culture en laboratoire ? Réponse : par l’analyse métagénomique. Le concept ? Faire directement parler l’ADN de ces organismes ! À la croisée de la génétique, de l’écologie et de l’informatique, cette discipline émergente est en train de révolutionner de nombreux pans de la recherche.

Une invention aussi importante que le microscope

En métagénomique, la première étape consiste d’abord à extraire l’ADN de l’échantillon prélevé par des traitements physiques, chimiques ou enzymatiques. Cet ADN « en vrac » est alors exploité de diverses manières, en premier lieu à des fins d’inventaire. En effet, certains gènes dits ubiquitaires sont présents chez tous les organismes vivants, par exemple ceux codant pour les ribosomes, mais leur séquence est propre à chaque espèce, constituant ainsi une sorte de code-barres biologique. En amplifiant puis en séquençant ces gènes ubiquitaires, les chercheurs peuvent désormais établir l’inventaire complet des espèces présentes dans l’environnement échantillonné. « C’est une vraie révolution, aussi importante que l’invention du microscope il y a 400 ans… Une sorte de microscope du IIIe millénaire ! », s’enthousiasme Colomban de Vargas, chercheur à la Station biologique de Roscoff1.
 


Nous avons créé
plus de deux
millions de clones
contenant chacun
une séquence
d’ADN inconnue
de bactéries du sol.
Mais la métagénomique consiste aussi à séquencer la totalité de l’ADN présent. Un séquençage massif et systématique permis grâce au développement récent des techniques du Big Data combiné à l’utilisation de séquenceurs à très haut débit capables de séquencer plusieurs dizaines de milliards de bases nucléiques par jour ! À titre de comparaison, les chromosomes humains n’en contiennent « que » trois milliards… La masse de donnée obtenue après séquençage passe ensuite à la moulinette de logiciels qui peuvent, après avoir identifié certaines séquences parmi d’immenses bases de données génétiques, émettre des hypothèses sur leurs rôles en fonction de similarités avec des séquences connues, déterminer les interactions entre les divers organismes identifiés, etc.

On peut même insérer certaines séquences génétiques inconnues dans le génome de bactéries afin de les faire « s’exprimer », et ainsi découvrir leurs fonctions en tant que gènes. « Dans notre laboratoire, nous avons ainsi créé plus de deux millions de clones contenant chacun une séquence d’ADN inconnue de bactéries du sol », explique Pascal Simonet, chercheur au laboratoire Ampère de l’École centrale de Lyon2.

Zoom sur la biodiversité aquatique

Combinés, tous ces outils ont fait faire des bonds de géant à la biologie. Exemple : la récente analyse métagénomique de 579 échantillons d’eau de mer récoltés aux quatre coins du globe par la mission Tara Oceans. Objectif : étudier la biodiversité du plancton, cette myriade de micro-organismes à la base de la chaîne alimentaire océanique et qui produit près de 50 % de l’oxygène atmosphérique. Ainsi, au total, l’équipe Tara a séquencé une quantité d’ADN planctonique équivalant à près de 2 000 génomes humains, identifiant près de 40 millions de gènes différents, dont 80 % jusqu’ici inconnus ! « Rien que pour les organismes dotés d’un noyau (eucaryotes), nous avons séquencé près d’un milliard de code-barres génétiques, indique Colomban de Vargas. Nous avons ainsi mis à jour une diversité d’organismes unicellulaires (protistes) bien plus grande que prévu. » Les chercheurs de Tara ont également collecté le matériel génétique de plus de 35 000 espèces de bactéries planctoniques différentes. Grâce à de nouveaux modèles informatiques, ils ont même établi la nature des interactions, souvent parasitiques, entre virus, bactéries et eucaryotes.
 


Nous avons mis à
jour une diversité
d’organismes
unicellulaires
(protistes)
bien plus grande
que prévu.
Appliquée aux grands fonds marins, la métagénomique fait aussi des merveilles. Ainsi, en mai dernier, des chercheurs suédois ont fait une découverte cruciale publiée dans la célèbre revue Nature. Par analyse métagénomique des sédiments du château de Loki – une source hydrothermale située à plus de 2 300 mètres de fond entre le Groenland et la Norvège – équipe a identifié un tout nouveau groupe d’archées, des micro-organismes unicellulaires différents des bactéries et des eucaryotes. Leur particularité ? Ils possédaient de nombreux gènes de type eucaryotes.

Depuis longtemps, les spécialistes suspectaient les archées d’avoir été les ancêtres des eucaryotes, et donc de toutes les plantes et tous les animaux. Nommé Lokiarchaeota, ce nouveau groupe semble bien être le chaînon qui manquait pour expliquer l’apparition des eucaryotes il y a plusieurs milliards d’années ! Les écosystèmes océaniques ne sont d’ailleurs pas seuls à receler une étonnante diversité microbienne. « Depuis quelques années, l’étude métagénomique des lacs révèle aussi une extrême diversité génétique de virus avec de très nombreux gènes jamais vus auparavant », complète Francois Enault, bio-informaticien spécialiste des virus aquatiques au laboratoire clermontois Micro-organismes : génome et environnement3.
 

Château de Loki, source hydrothermale Le Château de Loki est le nom d'une fissure géothermique, entre le Groenland et la Norvège. C'est à cet endroit que le Lokiarchaeota a été découvert, et ferait le lien entre procaryotes et eucaryotes.
 UNIVERSITE DE BERGEN

Du monde sous nos pieds… et dans nos intestins

Un autre gisement de biodiversité microbienne se cache aussi sous nos pieds. Un seul gramme de terre peut en effet contenir jusqu’à un milliard de bactéries ! Et là encore, seule la métagénomique est capable d’étudier ce colossal réservoir biologique souterrain, qui regorge notamment de bactéries productrices d’antibiotiques naturels. « Alors que certaines bactéries pathogènes pour l’homme résistent aujourd’hui à tous les antibiotiques disponibles, ce gisement de nouveaux antibiotiques mis à jour par métagénomique est une excellente nouvelle », se félicite Pascal Simonet. Mais les antibiotiques sont loin de constituer la seule application potentielle de l’étude métagénomique des bactéries du sol. L’idée est aussi de trouver de nouvelles enzymes utiles pour l’industrie ou l’agriculture, mais aussi pour dépolluer ; c’est ainsi que l’on a découvert une bactérie dotée d’un gène capable de dégrader le lindane, un pesticide extrêmement persistant.

Le gisement
de nouveaux
antibiotiques
découvert par
métagénomique
est une excellente
nouvelle.
Enfin, l’analyse métagénomique a aussi été appliquée au corps humain, notamment à notre intestin. En effet, ce dernier recèle près de 100 000 milliards de micro-organismes, soit dix fois plus que nos propres cellules ! Une biodiversité jusque-là méconnue, car la plupart des espèces hébergées par notre système digestif ne sont pas cultivables in vitro. « Les analyses métagénomiques ont révélé une grande variabilité de familles bactériennes intestinales articulée autour de trois grands types de compositions dits entérotypes, indique Pascal Simonet. Quant à la part de flore intestinale propre à chaque individu, elle semble moins importante que prévu. »

En décryptant les fonctions de ce « second génome », les chercheurs ont aussi découvert qu’une flore intestinale saine est indispensable au bon fonctionnement de la digestion bien sûr, mais aussi pour le métabolisme, l’immunité… ou bien encore pour le système nerveux. Obésité, diabète, maladies cardiovasculaires, allergies, maladies inflammatoires : les déséquilibres de la flore intestinale sont aujourd’hui suspectés d’être à l’origine d’une kyrielle de pathologies.

Médecine, protection de l’environnement, paléontologie, agroalimentaire… Si la métagénomique reste avant tout utilisée pour mieux connaître la biodiversité microbienne, ses potentielles applications intéressent de plus en plus de secteurs. Cette discipline en plein boom n’a pas fini de nous surprendre…

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photosynthèse

Feuilles de l'arbre Ginkgo biloba
Consulter aussi dans le dictionnaire : photosynthèse
Cet article fait partie du dossier consacré à la nutrition.
Feuilles de l'arbre Ginkgo bilobaFeuilles de l'arbre Ginkgo biloba
Chez les végétaux et certaines bactéries, en présence de lumière, réaction biochimique qui, à partir de molécules minérales simples (CO2, H2O …), produit des molécules organiques glucidiques de relativement faible masse molaire. (Certaines de ces molécules sont polymérisées en glucides de masse molaire élevée [amidon], d'autres se transforment en lipides, d'autres enfin s'unissent à des molécules azotées. Le phénomène est caractérisé par une absorption de dioxyde de carbone et par un dégagement d'oxygène.) [Synonyme : assimilation chlorophyllienne.]
1. Introduction

Principe de la photosynthèsePrincipe de la photosynthèse
La photosynthèse s'effectue au niveau des organes verts des plantes, et tout particulièrement des feuilles, dont le tissu végétal est formé de cellules riches en chlorophylle (les chloroplastes). Elle produit en volume autant d'oxygène qu'elle absorbe de dioxyde de carbone, et enrichit l'atmosphère en oxygène. C'est sans doute dans la photosynthèse des temps précambriens qu'il faut voir la source de l'oxygène de l'atmosphère terrestre.
La lumière est un facteur décisif. L'intensité lumineuse optimale est différente d'une espèce végétale à une autre. Les diverses radiations qui composent la lumière blanche ont une action spécifique ; les radiations rouges (600 nm) et indigo (400-450 nm), absorbées par la chlorophylle, sont les plus efficaces ; les vertes ne sont d'aucun effet.
2. Phases de la photosynthèse

Structure d'une feuilleStructure d'une feuille
La photosynthèse comporte une phase lumineuse, au cours de laquelle l'énergie solaire est captée par la chlorophylle, suivie d'une phase sombre (ou obscure), beaucoup plus longue, où cette énergie est utilisée pour réaliser les synthèses chimiques.
2.1. La phase lumineuse

Pendant la phase lumineuse, la chlorophylle, après absorption d'un photon, dispose d'une énergie de 41 kcal par mole, dont une partie se convertit en chaleur ou en fluorescence. L'utilisation de marqueurs isotopiques (18O) a montré que l'oxygène libéré au cours de la photosynthèse provient de l'eau décomposée et non du gaz carbonique absorbé.
Il existe plusieurs types de chlorophylle. Seule la chlorophylle a transforme directement l'énergie lumineuse en énergie chimique ; la chlorophylle b et les pigments caroténoïdes associés fixent l'énergie portée par d'autres longueurs d'onde et la cèdent à la chlorophylle a.
2.2. La phase obscure

Feuille de « plante en C3 »Feuille de « plante en C3 »
Pendant la phase obscure se produisent les synthèses. Une quinzaine de secondes après l'absorption du CO2 apparaissent les premiers sucres : trioses, pentoses, hexoses, heptoses. À partir de certains hexoses se constituent le saccharose et l'amidon. Outre des glucides, la photosynthèse peut également élaborer des lipides et des protéines par liaison avec une molécule azotée.
Ce cycle existe chez les algues, les plantes des régions tempérées et tous les arbres ; ces végétaux sont dits « plantes en C3 », les corps intermédiaires les plus importants du cycle biochimique ayant une molécule possédant trois atomes de carbone (C3).
3. Adaptations particulières

3.1. Plantes en C4

Feuille de « plante en C4 »Feuille de « plante en C4 »
Chez les graminées tropicales (maïs, mil, sorgho, canne à sucre, plusieurs amarantacées et atriplex), on a découvert en 1966 un autre mécanisme, dit « photosynthèse en C4 », qui permet à ces plantes d'assimiler la totalité du CO2 de l'atmosphère interne du végétal et ainsi d'avoir un rendement photosynthétique très supérieur à celui des plantes en C3. Ce mécanisme fonctionne d'autant mieux que la lumière est plus vive et la température plus voisine de 40-50 °C.
La synthèse des glucides se faisant autour des vaisseaux conducteurs, la migration des produits synthétisés est également plus rapide ; la photorespiration y est très faible. Alors que les végétaux en C3 ont besoin de 150 à 250 g d'eau pour assimiler 1 g de carbone, les végétaux en C4 peuvent se contenter de 50 à 100 g.
3.2. CAM (Crassulacean Acid Metabolism)

Cycle de CalvinCycle de Calvin
Certaines plantes, généralement des plantes grasses et quelques fougères, fixent le CO2 pendant la nuit pour former de l'acide malique ; cet acide est décomposé pendant le jour et libère du CO2 qui, comme précédemment, est introduit dans le cycle des synthèses (cycle de Calvin) en utilisant l'énergie fixée par les chloroplastes à la lumière. Ces végétaux peuvent ainsi supporter la vie dans les milieux arides-chauds : leurs stomates se ferment le jour pour limiter la transpiration et s'ouvrent la nuit pour laisser pénétrer le CO2, les synthèses se faisant le jour suivant.
4. Importance de la photosynthèse

De la lumière reçue par une feuille, 20 % sont réfléchis, 10 % transmis et 70 % effectivement absorbés, sur lesquels 20 % sont dissipés en chaleur, 48 % perdus en fluorescence. Il reste environ 2 % servant à la photosynthèse.
Grâce à la photosynthèse, les végétaux jouent un rôle irremplaçable à la surface de la Terre ; en effet, les plantes vertes sont, avec quelques groupes de bactéries, les seuls êtres vivants capables d'élaborer des substances organiques à partir d'éléments minéraux. On estime que chaque année 20 milliards de tonnes de carbone sont fixés par les végétaux terrestres à partir du gaz carbonique de l'atmosphère et 15 milliards par les algues.
Les végétaux verts sont les producteurs primaires indispensables, premier maillon de la chaîne trophique (→ chaîne alimentaire) ; les végétaux non chlorophylliens et les animaux herbivores et carnivores (y compris l'homme) sont entièrement dépendants de la photosynthèse.