Enjeux planétaires contemporains

De la plante sauvage à la plante domestiquée

Organisation de la plante, reproduction, domestication et sélection

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Ce que tu dois savoir faire
  • Relier la vie fixée de la plante à ses grandes surfaces d'échange, à ses systèmes conducteurs et à ses défenses
  • Décrire la photosynthèse comme source de toute la matière organique de la plante, et le devenir de ses produits
  • Légender une fleur, expliquer le modèle ABC et les mécanismes qui favorisent la pollinisation croisée
  • Expliquer comment une plante fixée se reproduit grâce à des partenaires mobiles (pollinisateurs, disperseurs)
  • Identifier les caractères sélectionnés lors de la domestication et discuter les techniques et enjeux de l'amélioration des plantes

1. Vivre fixé : l’organisation fonctionnelle de la plante

Une plante à fleurs (une Angiosperme) ne se déplace pas : ni pour chercher sa nourriture, ni pour fuir un prédateur, ni pour trouver un partenaire. Toute son organisation répond à cette contrainte de vie fixée. Elle puise sa matière dans deux milieux à la fois : l'air (lumière, ) et le sol (eau, ions minéraux).

Organisation fonctionnelle d’une plante à fleurs

sol lumière fleur (reproduction) CO₂ entre par les stomates O₂ et vapeur d'eau sortent sève brute ↑ eau + ions (xylème) sève élaborée ↓ saccharose (phloème) mycorhize : champignon associé aux racines eau + ions minéraux absorbés par les poils surface souterraine racines + poils absorbants surface aérienne feuilles (lumière, CO₂)

Deux surfaces d'échange très étendues (aérienne et souterraine), reliées par deux systèmes conducteurs qui circulent en sens opposés.

Définition — Surfaces d’échange
  • Surface aérienne : les feuilles, minces et étalées, captent la lumière et échangent des gaz avec l'atmosphère par les stomates (pores de l'épiderme qui s'ouvrent et se ferment).
  • Surface souterraine : les racines, très ramifiées et couvertes de poils absorbants, prélèvent l'eau et les ions minéraux du sol.

Ces surfaces sont immenses par rapport au volume de la plante : c'est une réponse à l'immobilité — faute d'aller chercher les ressources, la plante s'étend pour les rencontrer.

Exemple — Un pied de seigle

Une étude classique (Dittmer, 1937) a mesuré un unique pied de seigle cultivé quatre mois : environ m² de surface aérienne, mais près de m² de surface souterraine (racines + poils absorbants), avec plus de km de racines mises bout à bout — sans compter les poils absorbants, qui en ajoutent plus de km. La surface souterraine est plus de fois supérieure à la surface aérienne.

Les deux sèves

CaractéristiqueSève bruteSève élaborée
Tissu conducteurxylème (vaisseaux de cellules mortes, à paroi renforcée de lignine)phloème (tubes criblés : cellules vivantes)
Contenueau + ions minérauxeau + saccharose, acides aminés…
Trajetdes racines vers les feuilles (vers le haut)des organes producteurs (feuilles) vers les organes consommateurs ou de réserve (racines, fruits, tubercules)
Moteur principalla transpiration foliaire qui « aspire » la colonne d’eaules différences de concentration en sucres entre organes
Définition — Mycorhize

Association symbiotique entre les racines et un champignon du sol. Les filaments du champignon prolongent les racines et augmentent considérablement la surface d'absorption : ils fournissent eau et ions (notamment les phosphates) ; la plante leur cède en retour des glucides issus de la photosynthèse. La grande majorité des plantes terrestres forment des mycorhizes.

Propriété — Se défendre sans fuir

La plante ne peut pas fuir ses agresseurs ni les variations du milieu. Elle s'en protège :

  • par des structures : épines, poils, cuticule cireuse, écorce, paroi lignifiée ;
  • par des molécules de défense, produites par le métabolisme secondaire : tanins, alcaloïdes (caféine, nicotine), composés toxiques ou répulsifs ;
  • par des réponses aux stress : fermeture des stomates en cas de sécheresse, perte des feuilles en hiver, vie ralentie.
Propriété — Un développement continu et contrôlé

La plante grandit toute sa vie grâce à ses méristèmes, zones de cellules qui se divisent (à l'extrémité des tiges et des racines). Ce développement est contrôlé par des hormones végétales comme l'auxine : produite à l'apex de la tige, elle stimule l'allongement des cellules et oriente la croissance vers la lumière. La forme de la plante s'adapte ainsi aux conditions du milieu — c'est une autre réponse à la vie fixée.

2. La plante, productrice de matière organique

Définition — Photosynthèse

Dans les chloroplastes des cellules chlorophylliennes, l'énergie lumineuse captée par les pigments (surtout la chlorophylle) est convertie en énergie chimique : la plante fabrique des glucides à partir de et d'eau, et rejette du dioxygène.

La plante est autotrophe : toute sa matière organique, et celle des animaux qui la mangent, vient de là.

Propriété — D’où vient le dioxygène ?

Des expériences utilisant l'isotope ont montré que le dioxygène libéré provient de la molécule d'eau, et non du : si l'eau est marquée, l' rejeté est marqué ; si seul le est marqué, il ne l'est pas. L'eau est oxydée à la lumière ; le carbone du est incorporé dans des molécules organiques.

Le devenir des produits de la photosynthèse

MoléculeRôleOù ?
saccharoseforme de transport des glucidessève élaborée (phloème)
amidonréserve de glucose, insolublechloroplastes, et organes de réserve (tubercule, graine)
celluloseconstruction de la paroi des cellulestoutes les cellules
ligninerigidité, imperméabilité (bois)xylème, tiges
lipides, protéinesréserves des graines, membranes, enzymes (azote apporté par les ions du sol)graines (colza, soja…), toutes les cellules
molécules du métabolisme secondairedéfense (tanins, alcaloïdes), attraction des pollinisateurs (pigments, parfums)feuilles, écorce, fleurs, fruits
Piège fréquent

La plante respire aussi, jour et nuit, comme toute cellule vivante. Le jour, la photosynthèse l'emporte (rejet net d') ; la nuit, il n'y a que la respiration (rejet de ). Ne dis jamais « la plante respire le jour et fait la photosynthèse la nuit ».

Conseil bac

Pour expliquer l'origine de la matière d'un fruit, d'un tubercule ou du bois, remonte toujours la chaîne : photosynthèse dans les feuilles → saccharose → transport par le phloème → transformation en amidon, cellulose ou lipides dans l'organe. C'est un raisonnement attendu dans presque tous les sujets sur ce chapitre.

3. La fleur et la reproduction sexuée

Coupe longitudinale d’une fleur

stigmate style tube pollinique ovaire (→ fruit) ovule (→ graine) anthère (pollen) filet pétale sépale réceptacle PISTIL (♀) ÉTAMINE (♂) De l'extérieur vers l'intérieur : sépales → pétales → étamines → pistil (carpelles)

Les étamines produisent le pollen ; le pistil (formé de carpelles) contient les ovules. Un grain de pollen déposé sur le stigmate germe en un tube pollinique qui conduit les gamètes mâles jusqu'à un ovule.

Définition — Les pièces florales

Une fleur est organisée en verticilles concentriques :

  1. les sépales (le calice), qui protègent le bouton floral ;
  2. les pétales (la corolle), souvent colorés, qui attirent les pollinisateurs ;
  3. les étamines, organes mâles : un filet portant une anthère qui produit les grains de pollen ;
  4. le pistil, organe femelle formé de carpelles : stigmate, style et ovaire contenant les ovules.

Le modèle ABC

verticille 1verticille 2 verticille 3verticille 4 gènes A gènes B gènes C sépalesA seul pétalesA + B étaminesB + C carpellesC seul A et C s'excluent mutuellement : là où l'un manque, l'autre s'exprime.

L'identité de chaque verticille dépend de la combinaison des gènes du développement floral exprimés dans cette zone.

Propriété — Des gènes du développement contrôlent l’organisation de la fleur

Chez l'arabette (Arabidopsis), trois groupes de gènes, A, B et C, s'expriment dans des zones différentes du bourgeon floral. Leur combinaison détermine l'organe formé. Une mutation qui inactive un groupe change l'identité des verticilles concernés :

  • sans B : sépales, sépales, carpelles, carpelles ;
  • sans C : A s'étend à toute la fleur → sépales, pétales, pétales, sépales (et la fleur ne s'arrête pas de produire des verticilles).

Ces gènes codent des facteurs de transcription : ils contrôlent l'expression d'autres gènes.

Définition — Pollinisation et fécondation
  • La pollinisation est le transport du pollen depuis une anthère jusqu'au stigmate d'un pistil. Elle est croisée si le pollen vient d'un autre individu, autopollinisation s'il vient de la même plante.
  • La fécondation a lieu dans l'ovule : le tube pollinique y apporte les gamètes mâles. Chez les Angiospermes elle est double : un gamète mâle féconde l'oosphère (→ zygote, futur embryon), l'autre la cellule centrale (→ tissu de réserves de la graine).
Propriété — Favoriser le brassage

De nombreuses plantes empêchent l'autofécondation, ce qui favorise le brassage génétique :

  • auto-incompatibilité : le pistil reconnaît et bloque le pollen génétiquement trop semblable au sien (même allèle d'un gène de reconnaissance) ;
  • étamines et pistil mûrs à des moments différents ;
  • fleurs mâles et femelles séparées, parfois sur des plantes différentes (kiwi, houx).

D'autres espèces, au contraire, s'autofécondent facilement (blé, pois) : la reproduction est assurée même sans partenaire, au prix d'un brassage réduit.

4. Fixée mais mobile : pollinisateurs, graines et fruits

Une plante fixée doit confier deux déplacements à un agent extérieur : celui du pollen (pour la fécondation) et celui des graines (pour coloniser de nouveaux milieux). Ces agents sont le vent, l'eau… et surtout les animaux.

Propriété — La pollinisation par les animaux : un mutualisme

Environ 9 plantes à fleurs sur 10 sont pollinisées par des animaux (surtout des insectes). La fleur offre une récompense — nectar, pollen — et attire par sa couleur, son parfum, sa forme. L'animal, en se nourrissant, transporte du pollen d'une fleur à l'autre. Les deux partenaires en tirent profit : c'est un mutualisme.

Les plantes anémogames (pollinisées par le vent : graminées, noisetier) ont au contraire des fleurs discrètes, sans nectar, et produisent un pollen léger en quantité énorme — c'est lui qui déclenche les allergies saisonnières.

Exemple — Une coévolution prédite par Darwin

L'orchidée de Madagascar Angraecum sesquipedale cache son nectar au fond d'un éperon de près de cm. En 1862, Darwin en déduit qu'il doit exister un papillon à trompe aussi longue. Le sphinx Xanthopan qui la pollinise est décrit en 1903. Plante et pollinisateur ont coévolué : chacun exerce une pression de sélection sur l'autre.

Définition — Graine et fruit

Après la fécondation :

  • l'ovule devient la graine : un embryon, des réserves (amidon, lipides, protéines) et un tégument protecteur ;
  • la paroi de l'ovaire devient le fruit, qui contient et protège les graines.

La graine est une forme de vie ralentie : très déshydratée, elle peut survivre des mois ou des années, puis germer quand les conditions (eau, température) sont favorables.

Disperser les graines

AgentAdaptationExemples
animaux (qui mangent le fruit)fruit charnu, sucré, coloré ; graines résistantes à la digestion, rejetées plus loincerise, tomate, gui
animaux (transport externe)crochets qui s’accrochent aux poilsbardane, gaillet
ventfruits légers, ailés ou à aigrettepissenlit, érable
eaufruit flottant, imperméablenoix de coco
Propriété — La reproduction asexuée

Beaucoup de plantes se multiplient aussi sans fécondation, à partir d'un fragment : stolons du fraisier, tubercules de la pomme de terre, rhizomes, bouturage. Les descendants sont des clones, génétiquement identiques au parent. Avantage : colonisation rapide d'un milieu favorable. Inconvénient : aucune diversité génétique, donc une même maladie peut toucher tous les individus.

5. La domestication des plantes

Définition — Domestication

Processus par lequel l'être humain, en semant et en récoltant de génération en génération une plante sauvage, sélectionne — d'abord sans le vouloir — des variants héréditaires qui lui conviennent. La plante cultivée finit par différer génétiquement de son ancêtre sauvage, et souvent par dépendre de l'humain pour se reproduire.

Quelques foyers de domestication

RégionPlantesIl y a environ
Croissant fertile (Proche-Orient)blé, orge, lentille, pois10 500 ans
Chineriz, millet9 000 ans
Mexiquemaïs (à partir de la téosinte), courge9 000 ans
Andespomme de terre, quinoa8 000 ans
Propriété — Le « syndrome de domestication »

Dans des foyers indépendants, les mêmes caractères ont été sélectionnés :

  • perte de la dispersion naturelle : chez le blé sauvage, l'épi mûr se désarticule et les grains tombent ; chez le blé cultivé, le rachis reste solide et l'épi garde ses grains jusqu'à la récolte ;
  • grains ou fruits plus gros, plus nombreux, plus riches ;
  • perte de la dormance : toutes les graines semées germent en même temps ;
  • port plus compact : la téosinte est très ramifiée ; le maïs a une tige unique portant de gros épis (une mutation d'un gène de ramification, tb1, y a joué un rôle majeur) ;
  • moins de molécules toxiques ou amères (amande douce contre amande amère).

Plusieurs de ces caractères seraient désavantageux à l'état sauvage : un blé qui ne disperse plus ses grains ne survit que parce que l'humain le sème.

Les techniques d’amélioration

TechniquePrincipeExemple
sélectionon ressème les graines des meilleurs individusvariétés traditionnelles
croisement (hybridation)on croise deux lignées pour réunir leurs qualités ; les hybrides F1 sont souvent plus vigoureuxmaïs hybride (les semences doivent être rachetées : la F2 est hétérogène)
transgenèse (OGM)on insère dans le génome un gène venu d’une autre espècemaïs Bt : gène d’une bactérie produisant une toxine insecticide
édition du génomeon modifie un gène précis à un endroit choisi (CRISPR-Cas9)variétés en cours de développement
Propriété — Les enjeux : une diversité à préserver

La domestication puis la sélection moderne ont réduit la diversité génétique des plantes cultivées : quelques variétés, souvent très homogènes, couvrent d'immenses surfaces. Une telle culture est vulnérable : un seul parasite peut l'anéantir. En Irlande, la famine de 1845-1852 est due au mildiou qui a ravagé des pommes de terre presque toutes issues de quelques clones.

D'où l'importance des variétés anciennes et des espèces sauvages apparentées, réservoirs d'allèles (résistance à une maladie, à la sécheresse…), conservés dans des banques de graines comme la réserve mondiale du Svalbard, en Norvège.

Conseil bac

Dans un sujet de domestication, on te donne souvent la plante sauvage et la plante cultivée à comparer. Range tes observations en deux colonnes (sauvage / cultivée), puis pour chaque différence dis pourquoi l'humain l'a sélectionnée et si elle serait avantageuse dans la nature. Termine par l'idée clé : la sélection est artificielle, mais elle agit sur une diversité génétique naturelle (des mutations préexistantes).

L’essentiel à retenir

  1. La vie fixée explique l'organisation de la plante : immenses surfaces d'échange aérienne (feuilles) et souterraine (racines, poils absorbants, mycorhizes).
  2. Sève brute (eau + ions) dans le xylème, des racines vers les feuilles ; sève élaborée (saccharose) dans le phloème, des feuilles vers les organes consommateurs.
  3. La photosynthèse () dans les chloroplastes produit toute la matière organique ; l' rejeté vient de l'eau.
  4. Glucides produits → saccharose (transport), amidon (réserve), cellulose et lignine (structure) ; métabolisme secondaire → défense et attraction.
  5. Fleur : sépales, pétales, étamines (pollen), pistil (ovaire, ovules) ; leur identité dépend des gènes A, B, C.
  6. Pollinisation par les animaux = mutualisme, parfois coévolution ; l'auto-incompatibilité favorise le brassage.
  7. Après fécondation, l'ovule devient graine, l'ovaire devient fruit ; la dispersion des graines est confiée au vent, à l'eau ou aux animaux.
  8. La domestication (depuis environ 10 000 ans) a sélectionné des caractères utiles à l'humain mais souvent désavantageux à l'état sauvage, et a réduit la diversité génétique.

Et pour t’entraîner : 10 QCM corrigés et 4 exercices type bac, avec indices et corrections rédigées.

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