Les pigments végétaux

Plusieurs familles de pigments existent chez les végétaux, chacune avec des rôles distincts :

• les chlorophylles, enchâssées dans les membranes internes des chloroplastes (thylakoïdes), ont un rôle essentiel dans la photosynthèse ;
• les caroténoïdes, également dans les membranes des chloroplastes, sont liposolubles et interviennent dans la photosynthèse. On les trouve également dans les chromoplastes (qui peuvent dériver des premiers lors du murissement par exemple), et leur rôle est alors lié aux relations interspécifiques, par exemple attraction des insectes pollinisateurs ou d'animaux favorisant la dissémination des graines - dans tous les cas ils ont un rôle dans la photoprotection ;
• les flavonoïdes, dans les vacuoles, sont impliqués dans les stress abiotiques et biotiques. Ils ont des propriétés antioxydantes, réduisent l'effet nocif des ultraviolets et agissent comme un répulsif pour des insectes phytophages ou des pathogènes. Leur rôle dans les relations interspécifiques peuvent être inverse, par exemple attirer des insectes pollinisateurs.

Les flavonoïdes (sens large)

Les flavonoïdes regroupent un très grand nombre de pigments dont les des plus connues, les anthocyanes, peuvent produire des teintes allant du jaune-orangé au bleu, en passant par le pourpre et le rouge. Composés polyphénoliques, ils partagent tous une même structure de base formée par deux cycles aromatiques reliés par trois carbones, C6-C3-C6 (la chaîne à 3 atomes de carbone est souvent fermée en un hétérocycle oxygéné hexa- ou pentagonal comme dans l'illustration ci-à-droite). A l'état naturel, les flavonoïdes sont souvent sous forme d'hétérosides, une ou plusieurs de leurs fonctions phénols sont alors glycosylées (les oses étant le glucose, le galactose, le rhamnose ou l'arabinose). La partie autre que l'ose est appelée aglycone.
Les flavonoïdes sont divisés en plusieurs classes qui se différencient par le degré de saturation de l'hétérocycle de l'aglycone, son oxydation et sa conformation spatiale :
- les flavonols, pigments conférant une couleur jaune,
  Ex : quercétine dans les oignons, les échalotes
- les anthocyanidines (ou anthocyanidols), présents dans les anthocyanes
- les flavanols, incolores, qui entrent dans la contitution des tanins (ex : catéchine dans le thé, le vin)

Les anthocyanes (ou anthocyanosides)

Les anthocyanes, hydrosolubles, sont contenues dans la vacuole des cellules végétales. La large gamme de couleur qu'elles confèrent aux végétaux est liée à leur nature chimique et au pH de la solution vacuolaire.

Exemple de 15 fleurs riches en anthocyanes

 
 Influence du pH

Spectre d'absorption d'une solution d'anthocyanes extraites des 15 fleurs rouges et bleues à deux pH

Photographies et spectre : P. S. Vankar et al, 2010

Dans l'exemple ci-dessus, quel que soit le pH, les anthocyanes absorbent les longueurs d'onde du domaine des UV. Si le pH est très acide, les rayonnements de longueur d'onde 350 à 600 nm le sont également (max vers 520 nm) alors qu'ils ne le sont que peu si le pH est plus modérément acide :
- à pH 1, la solution d'anthocyanes n'absorbe quasiment pas les rayonnement du spectre visible qu'elle renvoie dans toutes les directions (elle la diffuse), elle apparait quasiment blanche, rouge pâle ;
- à pH 4,5, elle absorbe les rayonnements du domaine du vert et diffuse les longueurs d'onde correspondant aux couleurs rouge et dans une moindre mesure bleu-violet, elle apparait rouge rosé.
Pour plus d'informations, voir la ressource "Spectres d'absorption et d'action photosynthétiques" pour la mise en oeuvre du programme d'enseignement scientifique.

Influence de la nature chimique

Il a été recensé plus de 537 anthocyanes différentes !
Sur la partie non glucidique - l'aglycone ou anthocyanidine - peuvent être associés en R3, R5, R6 et/ou R7, un ou deux oses (glucose, galactose, rhamnose et/ou arabinose), rarement trois.
En 2001, 18 structures d'anthocyanides étaient identifiées, fonction des radicaux R' de l'aglycone, mais la plupart correspondent à seulement 6 groupes :

Structure de base, aglycone	Groupe	R3'	R5'	Couleur à pH 1
	Pelargonidines	H	H	Orangé
	Cyanidine	OH	H	Orangé rouge
	Malvidine	OCH3	OCH3	Violet
	Paeonidine	OCH3	H	Rouge
	Delphinidine	OH	OH	Violet
	Pétunidine	OH	OCH3

La synthèse des anthocyanes

La voie métabolique

Les anthocyanes sont synthétisées par la voie des phénylpropanoïdes, une voie du métabolisme secondaire.

Enzymes : CHS, Chalcone synthase ; CHI, chalcone isomerase ; PN, flavone synthase ; F3H, flavonoïde-3-hydroxylase ; F3′H, flavonoïde-3′-hydroxylase ; F3′5′H, flavonoïde 3′, 5′-hydroxylase ; FLS, flavonol synthase ; DFR, dihydroflavonol 4-réductase ; ANS, anthocyanidine synthase
Fleurs de gauche à droite : Chrysanthemum morifolium, Gentiana scabra, Calendula officianalis, Ipomoea quamochit, Gentiana triflora et Evolvulus pilosus.

Falcone Ferreyra et al., 2012

Les gènes impliqués

Deux classes de gènes sont nécessaires à la biosynthèse des anthocyanes :
- les gènes de structure codant les enzymes qui participent directement à la formation des anthocyanes et autres flavonoïdes ;
Ex : gène an1 (anthocyanin 1)
- les gènes régulateurs qui contrôlent la transcription des gènes de structure.
La voie est également contrôlée en réponse à différents signaux environnementaux et de développement (pour une revue, voir Koes et al., 1994 ; Holton et Cornish, 1995 ; Mol et al., 1998 ; Weisshaar et Jenkins, 1998 ; Winkel-Shirley, 2001).

Certains gènes, par exemple une famille de 7 gènes Ph1, Ph2... Ph7, influent sur la couleur des fleurs en modifiant le pH des vacuoles (ce sont des ATPases à protons).

Ressources scientifiques et pédagogiques

Plus de ressources scientifiques sur les pigments :
Les pigments végétaux 

Activité 1 :

Seconde : « Les échelles de la biodiversité »

• Compétence travaillée : "Mener une démarche scientifique, résoudre un problème"
  Capacités : "Caractériser la variabilité phénotypique chez une espèce commune animale ou végétale et envisager les causes de cette variabilité"
• Il s'agit d'amener les élèves à décrire la variabilité phénotypique liée à la couleur des fleur de pétunias, à identifier quelques corrélations et à proposer des hypothèses.

Pour la 2de question de l'épreuve commune académique de 2de de la session 2022, nous avons choisi d'évaluer la capacité des élèves à formuler une hypothèse, en la justifiant, c'est-à-dire en indiquant en quoi elle est plausible en s'appuyant sur des données, des corrélations. Les critères généraux seront ceux choisis ici. Il y sont déclinés sous la forme d'indicateurs propres à la situation d'évaluation.

Télécharger la proposition en version Word  , en version PDF 
Remarque : certains documents ne peuvent pas être exploités sans la couleur (cette activité nécessite donc un accès à un ordinateur ou une tablette pour que les élèves disposent d'une version numérique des images)

Activité 2 :

Terminale spécialité SVT : « La plante productrice de matière organique »
TP proposé par Caroline Lechevallier

• Compétence travaillée : "Mener une démarche scientifique, résoudre un problème"
  Capacités : "Réaliser et observer des coupes dans des or-ganes végétaux pour repérer une diversité de métabolites.", "Réaliser une chromatographie de pigments végétaux"
• L'activité pratique proposée amène les élèves à identifier les pigments des pétales de roses.
  Sous une forme proche des ECE tout en étant plus ouverte, elle permet aux élèves de travailler la démarche d'investigation en laissant une place à leur autonomie et leur esprit d'initiative.

Télécharger la proposition en version Word  , en version PDF 

Biblio :

Cornelis Spelt, ANTHOCYANIN1 of Petunia Controls Pigment Synthesis, Vacuolar pH, and Seed Coat Development by Genetically Distinct Mechanisms, Plant Cell, 2002

Vankar et al, Evaluation of Anthocyanin Content in Red and Blue Flowers, International Journal of Food Engineering 2010