Il existe une faille fondamentale de perte d’énergie au cœur de la production agricole mondiale. Ce processus, appelé photorespiration, conduit les plantes à gaspiller de l’énergie et à relâcher du CO₂ qui n’est que partiellement réabsorbé. Les plantes C3, qui représentent plus de 85 % des espèces végétales, constituent la base de notre alimentation. Elles perdent de l’énergie à cause d’une mauvaise réaction catalysée par l’enzyme RuBisCO. Cette enzyme fixe l’oxygène plutôt que le dioxyde de carbone. Résultat : du CO₂ est libéré et de l’énergie est gaspillée.
Un schéma biologique de ce processus est nécessaire pour illustrer les changements. Dans ce guide blog, vous trouverez un tuto schéma facile sur EdrawMax qui reprend toutes les grandes étapes et événements. Vous pouvez modifier le modèle en ligne ou dessiner votre propre schéma. En plus, vous pouvez aussi utiliser des modèles numériques gratuits sur différentes plateformes.
Dans cet article
Qu’est-ce que la photorespiration ?
La photorespiration est un processus qui a lieu chez les plantes vertes lors de la photosynthèse. Les plantes produisent leur nourriture en utilisant la lumière du soleil, l’eau et le dioxyde de carbone. Cette alimentation leur fournit de l’énergie et favorise leur croissance. Une enzyme appelée RuBisCO (ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygénase) joue un rôle central dans la photorespiration.
Oxygénation par RuBisCO
RuBisCO aide les plantes à fixer le dioxyde de carbone de l’air. Cette étape lance la production alimentaire de la plante. Cependant, RuBisCO présente une faiblesse : il ne distingue pas bien le CO₂ de l’O₂. À cause de cela, RuBisCO réagit parfois avec l’oxygène plutôt qu’avec le dioxyde de carbone. Les scientifiques appellent cette réaction oxygénation de RuBisCO.
L’oxygénation de RuBisCO initie la photorespiration. Ce processus apparaît généralement par temps chaud et sec. Sous forte chaleur, les plantes ferment leurs stomates pour préserver l’eau. Quand les stomates se ferment, le niveau de CO₂ dans la feuille baisse alors que celui d’oxygène augmente. RuBisCO utilise donc plus facilement l’oxygène.
Lorsque RuBisCO réagit avec l’oxygène, deux composés se forment : un composé à 3 carbones, le 3-PGA, qui aide la plante, et le phosphoglycolate, qui pose des soucis à la plante. Ce composé nocif ne sert pas à produire de nourriture. La plante doit l’éliminer rapidement pour rester en bonne santé.
La plante dépense de l’énergie pour éliminer ce composé toxique. Pendant ce processus, la plante libère du CO₂ dans l’atmosphère. Elle utilise aussi de l’ATP et ne produit pas de glucose pendant la photorespiration. Conséquence : la photorespiration provoque une perte d’énergie.
De plus, la photorespiration réduit le rythme de la photosynthèse. Cela ralentit la croissance et diminue la production alimentaire. Ce processus touche surtout les plantes C3 comme le blé, le riz, l’orge et l’avoine, très fragilisées par la chaleur.
Les scientifiques considèrent la photorespiration comme un processus coûteux. Elle gaspille de l’énergie, relâche du dioxyde de carbone et diminue les rendements. Les agriculteurs rencontrent des difficultés car la photorespiration limite la production alimentaire des plantations.
Décrire la voie de la photorespiration
Processus à trois organites
La voie de la photorespiration comporte plusieurs étapes. Elle implique trois organites de la cellule végétale : le chloroplaste, , le peroxysome et la mitochondrie. Pour cette raison, la photorespiration est appelée processus à trois organites.
La voie démarre dans le chloroplaste. Là, RuBisCO réagit avec l’oxygène. Cette réaction génère un composé toxique. Le chloroplaste transforme ce composé en glycolate. La cellule envoie ensuite le glycolate vers le peroxysome.
À l’intérieur du peroxysome, le glycolate se convertit en glycine. Cette étape produit aussi du peroxyde d’hydrogène, qui peut nuire à la cellule. Des enzymes spécifiques dans le peroxysome le décomposent rapidement, ce qui protège la cellule végétale.
À cette étape, la glycine est transportée vers la mitochondrie. Dans la mitochondrie, deux molécules de glycine fusionnent pour former une molécule de sérine. Lors de cette transformation, la plante relâche du dioxyde de carbone et de l’ammoniac, ce qui entraîne une perte de carbone et d’azote fixés.
Ensuite, la sérine retourne dans le peroxysome, qui la modifie encore. La cellule la renvoie enfin au chloroplaste, où la plante reforme le RuBP, qui pourra alors servir à nouveau à la photosynthèse.
Même si la plante récupère certains matériaux, le processus entraîne une perte d’énergie significative. La plante utilise de l’ATP pendant la photorespiration et perd du dioxyde de carbone précédemment fixé.
Cette perte d’énergie diminue l’efficacité de la photosynthèse. Les plantes poussent lentement. Les feuilles produisent moins de nourriture. Les cultures affichent des rendements inférieurs. Les agriculteurs des régions chaudes sont particulièrement impactés par ce phénomène.
La photorespiration augmente également le stress chez la plante. Elle les rend plus vulnérables dans les climats secs. Ce processus explique pourquoi de nombreuses plantes C3 survivent mal dans les environnements chauds.
Comparer les adaptations C4 et CAM
Éviter la photorespiration
Certaines plantes ont développé des adaptations pour contourner la photorespiration. On retrouve parmi elles les plantes C4 et plantes CAM. Ces espèces vivent dans des régions chaudes et sèches. Elles utilisent des stratégies particulières pour réduire l’effet de l’oxygénation par RuBisCO.
Parmi les plantes C4, on cite le maïs, la canne à sucre, le sorgho ou encore le millet. Elles fixent d’abord le CO₂ dans les cellules du mésophylle. Elles créent alors un composé à 4 carbones, l’oxaloacétate, qui migre vers les cellules de la gaine fasciculaire.
Dans ces cellules, RuBisCO fonctionne dans un environnement riche en CO₂. Dans ces conditions, RuBisCO ne réagit pas avec l’O₂. Cette stratégie réduit fortement la photorespiration. Les plantes C4 produisent de la nourriture plus efficacement et poussent vite sous la chaleur.
Les plantes C4 affichent aussi une meilleure gestion de l’eau : elles gardent leurs stomates partiellement fermés, ce qui réduit la perte d'eau et limite l’entrée d’oxygène. Cette adaptation leur permet de survivre dans des milieux arides.
Les plantes CAM, comme le cactus, l’ananas ou l’aloe vera, adoptent une autre méthode. Elles ouvrent leurs stomates la nuit, quand la température est basse et l’évaporation minimale, pour capter le CO₂.
Les plantes CAM stockent le CO₂ dans des acides organiques. Durant la journée, elles ferment leurs stomates et libèrent le CO₂ stocké dans la feuille, afin que RuBisCO puisse l’utiliser.
Les plantes CAM évitent la photorespiration en séparant dans le temps l’échange gazeux et la photosynthèse. Cette méthode permet d’économiser eau et énergie, et explique leur capacité à survivre en zones désertiques.
Les adaptations C4 et CAM limitent fortement la photorespiration. Elles améliorent la photosynthèse et favorisent la croissance dans des environnements extrêmes.
Créer un schéma de photorespiration avec EdrawMax
Vous pouvez réaliser un schéma de la photorespiration gratuitement sur EdrawMax, qui propose les fonctions suivantes pour dessiner des schémas de biologie :
- Modèles, symboles et icônes gratuits pour les schémas de biologie
- Outils de connexion
- Options glisser-déposer
- Formes pour les organites et autres composants
- Multiples options d’exportation : images, documents ou GIF haute résolution
Ici, vous pouvez créer votre schéma de la photorespiration étape par étape, facilement.
Étape 1 Sélectionner des modèles de biologie végétale
- Ouvrez EdrawMax et connectez-vous. Appuyez ensuite sur le bouton 'Nouveau' à gauche de l’écran. Dans la section des modèles, vous pouvez choisir des modèles tout prêts dédiés à la biologie végétale, comme la photosynthèse ou la structure cellulaire.
- Vous pouvez en sélectionner un ou opter pour un dessin vierge afin de créer votre schéma de A à Z.
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Propulsé par l'IAÉtape 2 Dessiner la voie à trois organites
- Utilisez les formes et symboles de la bibliothèque, et faites-les glisser sur la zone de dessin. Dessinez la mitochondrie (forme de haricot), le chloroplaste (ovale avec sacs internes) et le peroxysome (petit cercle).
- Disposez-les selon un flux triangulaire : la photorespiration reliera ces parties. Utilisez les flèches pour illustrer le parcours en boucle
- Du chloroplaste vers le peroxysome
- Du peroxysome vers la mitochondrie
- Retour de la mitochondrie au peroxysome puis au chloroplaste
Tracez des flèches pour les échanges gazeux : entrées de CO₂ et O₂ dans le chloroplaste, et ajoutez un encadré texte pour la photorespiration.
Étape 3 Illustrer les réactions de RuBisCO
- Ajoutez un encadré texte pour l’enzyme RuBisCO dans le chloroplaste
- Dessinez les deux voies de réaction. Étiquetez l’une des flèches CO₂ pour la carboxylation, qui devra passer par le cycle de Calvin et produire des sucres utiles à la plante.
- Dessinez une flèche pour l’oxygénation, O₂, qui est la voie de gaspillage. Ceci montre la sortie du chloroplaste vers la voie photorespiratoire
- Utilisez des couleurs différentes pour les réactions O₂ et CO₂
Étape 4 Créer des tableaux comparatifs C3, C4, CAM
Vous pouvez fabriquer un tableau de comparaison avec les outils d’Edraw pour comparer plantes C3, C4 et CAM.
Ajoutez un encadré pour le CCM (mécanisme de concentration du carbone), utilisé par les plantes C4 et CAM pour fixer le CO₂ dans un composé à 4 carbones.
Ajoutez un encadré pour le carboxysome, utile pour limiter la photorespiration.
Étape 5 Ajouter des détails biochimiques
- Utilisez les encadrés et outils de formes d’EdrawMax pour noter les détails biochimiques.
- Ajoutez des encadrés texte pour les éléments suivants et étiquetez-les :
- HCO₃⁻ (bicarbonate)
- Pompes à CO₂
- Carboxysome : provient des cyanobactéries et concentre le CO₂
- CCM du pyrenoïde : présent dans les chloroplastes d’algues
- Facteurs environnementaux : CO₂, H₂O, lumière, température, vent
- Objectifs d’ingénierie pour les cultures C3
Une fois le schéma terminé, vous pouvez l’exporter. Vous trouverez ici tous les formats et téléchargerez selon vos besoins : par exemple, exportez votre schéma au format GIF comme ci-dessous :
Que vous soyez étudiant, professeur ou passionné de biologie, vous pouvez réaliser gratuitement des schémas de biologie sur EdrawMax et les exporter pour les partager avec vos amis ou sur les réseaux sociaux.
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Conclure
La photorespiration n’est pas seulement un processus biologique : c’est aussi un frein à la production alimentaire mondiale, car elle est en concurrence avec le cycle de Calvin (producteur de sucres chez les plantes). Une illustration visuelle grâce à des outils numériques comme EdrawMax permet d’expliquer ce phénomène de manière plus claire. En soulignant ses principales étapes, les étudiants peuvent mieux comprendre ce mécanisme.
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(IA et Web)