Cette journée destinée aux écoles veut mettre en évidence la dynamique de la recherche sur les plantes.
Parmi les recherches en biosciences celles concernant directement l'humain par la santé ont souvent occupé le devant de la scène, et le prestige de la médecine a souvent incité à mettre en évidence les bienfaits médicaux attendus. Pourtant la recherche en physiologie des plantes est dynamique et leur enseignement mériterait aussi d'être remis à jour.
Prenons un exemple :
Pas de plantes, pas de vitamines !
Dans un article récent, la professeure Fitzpatrick T.B. et al. (2012) fait le point sur l'importance des vitamines, leur métabolisme par les plantes, et les problèmes de déficiences dans les pays en développement, pour discuter comment la science des plantes pourrait contribuer à résoudre ces problèmes.
Elle nous présente des tables compilant les compositions en vitamine de plusieurs plantes cultivées en rapport avec les besoins journaliers, les facteurs de risques de déficiences en vitamine, l'examen des voies biochimiques de production de ces vitamines, et termine par un bilan des stratégies possibles pour résoudre les problèmes de déficience en vitamine. Comment Obtenir un article mentionné : Get-a-doi
La lumière qui éclaire les plantes n'est pas toujours blanche !
Explorons un autre exemple plus en détail : la couleur de la lumière, les spectres des pigments et la régulation de la photosynthèse pour lequel (Rochaix, J.-D., 2011) apporte une mise a jour bienvenue.Une feuille reçoit de la lumière qui a une composition spectrale différente selon l'heure du jour ( plus rouge au lever et au coucher), mais surtout sa position dans le feuillage : nettement plus verte à l'intérieur d'une forêt.
Fig 1 : la lumière qui illumine les feuilles n'est souvent pas blanche...Sans parler des rougeurs de l'aube ou du crépuscule [img]Source :F.Lombard. (2011).
Or les documents scolaires que je connais présentent - implicitement - la lumière blanche comme référence pour discuter de l'activité photosynthétique
Fig 2 : L'expérience de Engelmann montre l'efficacité photosynthétique selon les longueurs d'onde avec le nombre de bactéries qui se développent auprès d'un filament d'algue illuminé par un spectre.
Implicitement l'intensité de la lumière violette qui illumine les algues est la même que pour le vert ou le rouge. [img]Source :Wikipedia)
Ce n'est vraiment pas toujours le cas, et l'efficacité de la photosynthèse dépend de l'adéquation entre les spectres d'absorption des pigments et de la lumière reçue.
Pour commencer, une lumière verte est fort peu efficace, contrairement à une croyance courante chez nos élèves.
Les conceptions qui fonctionnent bien dans la vie courante font obstacle à l'apprentissage.
L'observation de nombreux travaux d'élèves dans mon expérience suggère qu'une conception qui fait obstacle auprès des élèves est une sorte d'association "vert = plante = bon pour la photosynthèse"Cette conception fonctionne assez bien dans la vie courante, puisque là où les plantes poussent bien un observateur perçoit en général de la lumière verte...
Dépasser ce genre de conceptions demande un décentrement qui n'est pas aisé.
De nombreux élèves s'en sortiront très bien en apprenant par coeur pour l'épreuve les phrases de l'enseignant ou du manuel sans changer ce qu'ils pensent au fond d'eux-même. Or on sait combien ces conceptions sont tenaces (Giordan, A. 1996). Combien d'universitaires répondent sans hésiter à la question "d'où vient la matière qui compose un bout de bois sec ?" Même les biologistes master ou docteurs qui sont mes étudiants trébuchent en général sur cette question si on les prend par surprise. Il m'arrive de me laisser surprendre aussi...
Tanner et al. résument combien les conceptions des apprenants - si on les ignore – produisent "des effets imprévisibles sur l'apprentissage". Cf ce Tableau
- Tanner, Kimberly. Allen, Deborah. (2005).Approaches to Biology Teaching and Learning: Understanding the Wrong Answers—Teaching? toward Conceptual Change Cell Biol Educ 4(2): 112-117 2005 DOI: 10.1187/cbe.05-02-0068 Tableau-résumé
- Project 2061 répertorie les plus fréquentes conceptions-obstacle sur la photosynthèse
Les spectres, des connaissances-fantôme ?
On montre assez souvent aux élèves les spectres d'absorption (Cf. Fig 3a) des pigments impliqués dans la photosynthèse, et on effectue souvent une chromatographie avec les élèves Cf. Fig 3b
b) 
Fig 3 : a) Spectres d'absorption des pigments photosynthétiques. [img] Source :Nicerweb b) a droite : un exemple typique de ce que les élèves produisent lors d'un TP sur la photosythèse. [img] Source : élèves du collège Calvin)
Mais qu'en tire-t-on ? Quelle compréhension de la photosynthèse ces images étayent-elles ? Pour aller vers une formulation que le PER encourage : en quoi ces données aident-elles l'élève à affiner ou développer son modèle de la photosynthèse ?
Constater qu'il y a plusieurs pigments dans le feuille, les distinguer, les nommer, en apprendre les noms les prépare-t-il à comprendre le monde et à devenir des citoyens capables de décisions responsables ?
Il est bien sûr plus facile de tester les termes et la nomenclature, que les mécanismes et la physiologie... On sait que ce sont alors des connaissances évanescentes, des connaissances fantômes qui ne restent que le temps de l'examen.
S'agit-il de développer un modèle du fonctionnement de la photosynthèse qui permette de comprendre son fonctionnement, prédire ses variations selon les circonstances. Et à terme avec d'autres notions, comprendre notre dépendance alimentaire des plantes, les cycles de la matière et les flux de l'énergie qui déterminent le fonctionnement des écosystèmes... et le climat. De comprendre par exemple comment une forêt n'absorbe vraiment du CO2 que durant son "jeune" âge ? Ou pourquoi on ne peut pas cultiver du blé dans une forêt, ou pourquoi il faut de l'engrais au printemps, ou pourquoi il faut remettre de l'engrais dans les champs depuis que les consommateurs sont loin des champs cultivés, etc.
Ne pas remplacer la rigueur scientifique par une juxtaposition d'anecdotes, mais donner du sens aux savoirs rigoureux en les reliant à la vie des élèves, peut améliorer l'intérêt des élèves et la qualité des apprentissages.
« L'importance des plantes pour la vie humaine »
Par le Prof. Jean-David Rochaix de Université de Genève
Comprendre comment une plante s'adapte aux différentes circonstances c'est montrer leur dynamique, explorer comment malgré leur immobilité elles sont réactives. On sait que les élèves ont de la peine à qualifier les plantes de vivantes, parce que leurs adaptations sont très différentes des nôtres : si nous manquons d'eau nous nous déplaçons pour en chercher. Une plante s'adapte en réglant l'ouverture des stomates par exemple. Si nous n'avons pas assez ou pas la bonne lumière nous enlevons ce qui fait de l'ombre ou nous déplaçons... La plante s'adapte de manière biochimique et physiologique.
La photosynthèse est un processus qui s'adapte.
Les spectres d'absorption qu'on montre classiquement sont une belle occasion de mettre en évidence cette dynamique. En effet un review récent (Rochaix, J.-D., 2011) fait le point sur la régulation du transport électronique dans la photosynthèse.Comment Obtenir un article mentionné : Get-a-doiLes transporteurs électroniques constituent une longue chaîne qui permet un flux d'électrons permettant les premières étapes de la photosynthèse. Si l'une des étapes de ce flux est plus lente elle ralentit l'ensemble. Comme les travaux dans un tunnel à Glion produisent des bouchons en amont jusqu'à Lausanne et ralentissent le flux de touristes en aval jusqu'en Valais.
Or les 2 centres réactionnels (PSI et PSII)ne captent pas tout à fait les mêmes types de lumière - ici l'examen des spectres prend tout son sens – et comme ils sont en série, un changement dans la composition de la lumière peut créer un déséquilibre dans le flux d'électrons et des "bouchons".
J'avoue un faible pour ce phénomène, ayant apporté une minuscule pierre à la compréhension de ce phénomène dans mes jeunes années en étudiant par fluorescence cette transition dans le labo du prof. Greppin avec Reto. J. Strasser.
On sait maintenant qu'un déplacement dans la membrane fluide des "antennes" ("light harvesting complex"LHC) qui captent les photons et les dirigent vers les centres réactionnels, depuis le PS I vers le PSII permet de ré-équilibrer le flux en dirigeant plus de photons vers ce centre réactionnel.
La littérature parle de State 1 State2. "The light-harvesting systems of PSII and PSI have different protein and pigment composition and hence different light absorption properties. Thus changes in light quality lead to unequal excitation of PSII and PSI and create an imbalance in the electron transport chain, which is corrected through state transitions" (Rochaix, J.-D., 2011) Comment Obtenir un article mentionné : Get-a-doi
Fig 3 : La transition de "state1" à "state 2" se produit quand l'état redox du pool de la Plastoquinone (PQ) est réduit, par exemple suite à l'excitation préférentielle des PSII par rapport à PSI. Une chaine d'évènements impliquant Cytb6f, la protéine kinase Stt7/STN7 phosphoryle le complexe LHCII qui se dissocie du PSII et se lie au PSI. [img]Source :Rochaix, J.-D. (2011).
Mais cet exemple montre bien que la dynamique des plantes est biochimique, qu'elles sont beaucoup mieux équipées que nous les animaux et que s'il existe une échelle de complexité, il y a fort à parier que les plantes seraient loin devant nous...
Les plantes se protègent des UV
Et pour se protéger elles doivent le détecter, un article récent dans Science de l'équipe du Professeur Ulm, (Rizzini L., et al., 2011) a identifié le récepteur (UVR8). Peut-être que c'est un peu pointu comme résultat , mais la lecture de l'abstract donne en quelques mots un point sur la question des UV-B pour les plantes."To optimize their growth and survival, plants perceive and respond to ultraviolet-B (UV-B) radiation. However, neither the molecular identity of the UV-B photoreceptor nor the photoperception mechanism is known. Here we show that dimers of the UVR8 protein perceive UV-B, probably by a tryptophan-based mechanism. Absorption of UV-B induces instant monomerization of the photoreceptor and interaction with COP1, the central regulator of light signaling. Thereby this signaling cascade controlled by UVR8 mediates UV-B photomorphogenic responses securing plant acclimation and thus promotes survival in sunlight." Comment Obtenir un article mentionné : Get-a-doi
- UVR8 chez UniProt : Q9XHD7
L'épigénétique chez les végétaux.
L'équipe du professeur Jurek Paszkowski a publié un article dans Nature (Ito H.,2011) qui montre comment l'épigénétique limite l'expression des rétro-transposons, comment le stress induit la transposition de ces éléments génétiques et comment les SiRNA réduisent cette activation " a crucial role of the siRNA pathway in restricting retrotransposition triggered by environmental stress. " Peut-être que c'est aussi un peu pointu comme résultat , mais la lecture de l'abstract donne en quelques mots un éclairage qui reflète la science en mouvement. Comment Obtenir un article mentionné : Get-a-doiTout cela donne une idée des interactions possibles avec les chercheurs lors de la 1ère Journée Internationale consacrée à la Recherche sur les Plantes
Visite du jardin botanique – 18h00 à 19h30En compagnie de plusieurs guides, sur inscription au préalable par téléphone au 022 418 5100 ou par Email (visites.cjb@ville-ge.ch).Rendez- vous au pavillon d'accueil place Albert-Thomas. http://ville-ge.ch/cjb/
« L'importance des plantes pour la vie humaine »
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Sources
- Fitzpatrick T.B., Basset G.J., Borel P., Carrari F., Dellapenna D., Fraser P.D., Hellmann H., Osorio S., Rothan C., Valpuesta V., Caris-Veyrat C. & Fernie A.R.: Vitamin Deficiencies in Humans: Can Plant Science Help? Plant Cell 2012. PMID: 22374394. intranet.pdf
- Giordan, A. (1996). Les conceptions de l'apprenant. Sciences humaines Hors. Serie, 12, 6.
- Ito H., Gaubert H., Bucher E., Mirouze M., Vaillant I. & Paszkowski J.: An siRNA pathway prevents transgenerational retrotransposition in plants subjected to stress. Nature 2011, doi:472(7341):115-119. PMID: 21399627.
- Lombard, F., & Strasser, R., J. (1983, 1984). Evidence for spill over changes during state-1 to state-2 transition in green leaves. VIth International Congress on Photosynthesis, Bruxelles.
- Rizzini L., Favory J.J., Cloix C., Faggionato D., O'Hara A., Kaiserli E., Baumeister R., Schafer E., Nagy F., Jenkins G.I. & Ulm R.: Perception of UV-B by the Arabidopsis UVR8 protein. Science 2011, 332(6025):103-106. PMID: 21454788.
- Rochaix, J.-D. (2011). Regulation of photosynthetic electron transport. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics, 1807(8), 878–886. doi:10.1016/j.bbabio.2011.05.009 [ Abstract]
- Tanner, Kimberly. Allen, Deborah. (2005).Approaches to Biology Teaching and Learning: Understanding the Wrong Answers—Teaching? toward Conceptual Change Cell Biol Educ 4(2): 112-117 2005 DOI: 10.1187/cbe.05-02-0068 Tableau-résumé
- Project 2061 répertorie les plus fréquentes conceptions-obstacle sur la photosynthèse
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