​Les couleurs vives de la plupart des fleurs et fruits proviennent des caroténoïdes accumulés dans des chromoplastes (organites observés dans les cellules des organes végétaux colorés de jaune à orange, comme par exemple les cellules de pétales de fleurs). Ces organites dérivent des chloroplastes (siège de la photosynthèse) et sont riches en pigments non chlorophylliens, comme les xanthophylles et les carotènes. Le changement de couleur lors du mûrissement de tomates et de poivrons résulte d'une transformation des chloroplastes en chromoplastes dans les cellules du péricarpe du fruit. Les chromoplastes n'ont apparemment aucun rôle métabolique. On parle de coévolution entre la plante et l'insecte: la couleur de la plante due aux chromoplastes attire l'insecte qui se nourrit de son nectar et "en retour " pollinise la plante.

Les caroténoïdes sont des pigments végétaux responsables des couleurs rouges, orangées et jaunes des fruits, des légumes, des fleurs et des algues. Ils jouent un rôle important dans la récolte des photons lors de la photosynthèse et assurent une photoprotection efficace de l'appareil photosynthétique. Ils présentent une forte absorption électronique les faisant passer d'un état fondamental S0 à un état excité S2 (la transition vers le premier état excité est interdite à un photon). Après la photoexcitation, les caroténoïdes isolés retournent rapidement à l'état fondamental en quelques picosecondes.
Dans les chromoplastes matures, les caroténoïdes sont séquestrés sous forme de structures cristallines (cristalloïdes), granules ou plastoglobules stromaux. Bien que les chromoplastes ne soient pas censés présenter une photoactivité fonctionnelle spécifique, les chercheurs du SB²SM ont récemment découvert que les cristalloïdes de lycopène (famille des carotènes) dans les chromoplastes de tomate présentent effectivement une photophysique qui n'est pas observée dans les caroténoïdes isolés : le lycopène auto-associé dissipe l'énergie d'excitation selon un processus appelé « fission du singulet », provisoirement proposé comme étant photoprotecteur.

Dans ce travail, les chercheurs ont étudié la photochimie de la lutéine et de la violaxanthine, deux caroténoïdes naturels, dans les chromoplastes de la jonquille « Narcissus pseudonarcissus L. » afin de déterminer si la fission du singulet était propre au lycopène des cristalloïdes de tomate, ou s'il s'agissait d'une propriété plus générale des chromoplastes. Les chromoplastes de la jonquille accumulent ces 2 caroténoïdes dans un système membranaire concentrique, formant des structures condensées, les plastides dans lesquels les caroténoïdes sont proches. Les expériences de spectroscopie électronique résolue dans le temps et spectroscopie vibrationnelle (spectroscopie Raman) révèlent sans ambiguïté que le processus de fission du singulet se produit bel et bien dans les agrégats de lutéïne et de violaxanthine. Elles décryptent également dans un détail sans précédent ce processus en mesurant tous les états d'énergie des espèces intermédiaires (figure).

Les chercheurs proposent ainsi pour la première fois une description complète de la voie de fission des singulets des caroténoïdes dans une fleur, voie restée jusqu'alors méconnue en raison du désordre intrinsèque des agrégats de caroténoïdes. La description de ce processus naturel est importante pour comprendre le rôle des agrégats de caroténoïdes dans le chromoplaste, mais elle peut également ouvrir de nouvelles voies qui permettraient d'améliorer l'efficacité solaire des cellules photovoltaïques en augmentant leur rendement quantique.

Contacts : Manuel J. Llansola-Portoles (manuel.llansola@cea.fr ; manuel.llansola@i2bc.paris-saclay.fr) ; Bruno Robert (bruno.robert@cea.fr)