BIOLOGIE. Épreuve B (partielle) Durée : 1 heures 30 minutes

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Jérémie Lachance
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Devoir N 7 - Biologie 31/03/08 BIOLOGIE Épreuve B (partielle) Durée : 1 heures 30 minutes L usage de la calculatrice, d abaques et de tables est interdit pour cette épreuve.

1 Devoir N 7 - Biologie 31/03/08 BIOLOGIE Épreuve B (partielle) Durée : 1 heures 30 minutes L usage de la calculatrice, d abaques et de tables est interdit pour cette épreuve. Si, au cours de l épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d énoncé, il le signale sur sa copie et poursuit sa composition en expliquant les raisons des initiatives qu il a été amené à prendre. Opuntia Ficus Indica Mesembryanthemum crystallinum Le métabolisme CAM Le succès écologique d'une certain nombre de plantes grasses ou succulentes dans les milieux extrêmes très chauds ou hypersalins tient dans une large mesure aux modalités de leur assimilation du carbone. Les plantes succulentes sont caractérisées par un métabolisme de type CAM (Crassulacean Acid Metabolism), un métabolisme proche de celui des plantes en C4. Le métabolisme CAM est permanent chez Opuntia Ficus Indica (Famille des Cactacées) mais non permanent chez Mesembryanthemum crystallinum (Famille des Aïzoacées). A partir des documents proposés, mettez en évidence les particularités du métabolisme CAM. Cette étude sera précédée d'un courte introduction et suivie d'une rapide conclusion-bilan

2 Document 1 : Surface d'un cladode (rameau aplati en raquette) d'une plante grasse CAM la nuit (photo a) et le jour (photo b) a. b. Document 2 : Variations de l'absorption nette de CO2 (A) et de la transpiration (B) chez Opuntia ficus-indica sur une période de 24 heures sur sol humide, à température modérée et fort éclairement (le jour)

physiology/ Document 4 : Chez Mesembryanthemum crystallinum, on suit l'évolution de l'absorption du CO2 dans des conditions

3 Document 3 : Variations de l'absorption nette du CO2, de la concentration vacuolaire en malate et de la quantité de glucides dans les cellules chlorophylliennes d'une plante CAM au cours de 24 heures. Document 4 : Chez Mesembryanthemum crystallinum, on suit l'évolution de l'absorption du CO2 dans des conditions normales puis après plusieurs jours de culture dans un milieu contenant 400mmol.L-1 de NaCl.

500mM NaCl pour l'électrophorèse 3. Les flèches indiquent de haut en bas la PEP carboxylase, la grosse sous unité (LS) et la petite sous unité (SS) de la Rubisco. Source : plant physiol.

4 On étudie les protéines des feuilles de Mesembryanthemum cristallinum par électrophorèse. Le prélèvement provient de feuilles de plantes cultivées sur un milieu sans sel dans le cas de l'électrophorèse 1, de feuilles cultivées sur un milieu contenant 200mM NaCl pour l'électrophorèse 2 et 500mM NaCl pour l'électrophorèse 3. Les flèches indiquent de haut en bas la PEP carboxylase, la grosse sous unité (LS) et la petite sous unité (SS) de la Rubisco. Source : plant physiol. (1987)83, Höfner et coll. Document 5 : Électrophorèse de protéines de feuilles Document 6 Une hormone végétale, l'acide abscissique (ABA), a les mêmes effets que ceux mis en évidence dans les documents 4 et 5. On applique tous les jours de l'acide abscissique sur les feuilles de plants de Mesembryanthemum âgés de 4 semaines. On suit les activités PEPcarboxylase (A) et de la NADP-malate décarboxylase (B) des feuilles de plantes ayant reçu l'application de deux concentrations différentes d'aba ( 5 et 10 µmol.l-1) ainsi que chez une plante témoin non traitée (Figure 1 ). L'acidité et la concentration en malate des tissus chlorophylliens sont également suivies chez les plantes traitées avec la solution à 10µmol.L-1 et chez les plantes témoins (Figure 2). Figure 1 Figure 2 Source : Plant Physiol.(1990)93, Chun Chu et coll.

5 Corrigé du DS n 7 -A Sur 40 Introduction : L'assimilation du carbone correspond au passage du carbone de l'état minéral (sous forme de CO2) dans des molécules organiques. Les premières molécules organiques ayant fixé le carbone du CO2 sont des molécules en C3 (trioses phosphates) pour les espèces qualifiées de plantes en C3 ou des molécules en C4 (oxaloacétate) pour les plantes C4. Les particularités du mode d'assimilation du carbone par les plantes grasses ou plantes CAM seront mises en évidence à partir des documents proposés. I. Un fonctionnement particulier des stomates Doc.1 Comparaison des 2 photos : cellules épidermiques, celllules stomatiques, stomates, ostiole fermé, ostiole ouvert. => ouverture des stomates la nuit, fermeture le jour Doc.2 L'absorption du CO2 est faible au cours de la journée (entre 8h et 17h) et augmente en soirée et atteint son maximum la nuit. Léger pic en début de journée (vers 7h) Même évolution pour la transpiration. => mise en relation avec l'ouverture des stomates la nuit = voie de sortie de l'eau = voie d'entrée du CO2 transition : comment l'assimilation se fait-elle puisque pas de lumière quand le CO2 entre dans la feuille. II. Une fixation temporaire du carbone dans du malate Doc.3 Lors de la période d'absorption du CO2, la concentration des vacuoles en malate augmente, elle diminue lorsque le CO2 n'est plus absorbé. => le CO2 est fixé dans des molécules de malate. Le jour, lorsque le CO2 n'est plus absorbé, la concentration de malate baisse et on voit augmenter la quantité de glucides dans la cellule => le malate est utilisé le jour pour la synthèse de glucides. La nuit la quantité de glucides baisse => il n'y a pas de synthèse de glucides mais les glucides sont transformés et exportés III. La modification de la chronologie de l'absorption du CO2 chez le Mesembryanthemum Doc.4 En début d'expérience, la plante transpire et absorbe du CO2 essentiellement le jour. => ceci correspond à une assimilation ayant lieu lorsque la lumière permet la réalisation de la phase photochimique. Lorsque le milieu est salé, au fur et à mesure que les jours passent, apparaît en milieu de journée une période de plusieurs heures où les échanges gazeux sont diminués. Des échanges gazeux apparaissent la nuit : absorption du CO2 et transpiration => les stomates se ferment donc en milieu de journée et s'ouvrent la nuit. Leur fonctionnement devient comparable à celui de l'opuntia. On peut supposer que l'assimilation du carbone devient comparable également. Le milieu salé induit un changement de métabolisme avec apparition du métabolisme CAM IV. Des modifications biochimiques et métaboliques Doc.5 La comparaison du contenu en protéines des 3 extraits montre que la PEP carboxylase n'est pas (ou très peu) présente dans les feuilles des plantes cultivées dans un milieu sans sel mais est présente chez les plantes cultivées sur un milieu salé. Les quantités des sous unités de Rubisco augmentent légèrement lorsque le milieu est salé. => La présence d'un milieu salé induit donc la synthèse de la PEP carboxylase et augmente un peu celle de Rubisco.

6 La PEPcarboxylase fixe le CO2 sur une molécule de PEP et donne un oxaloacétate. La Rubisco est l'enzyme qui fixe le CO2 issu de la décarboxylation du malate sur le ribulose 1-5 bisphosphate dans le cadre du cycle de Calvin. Chez les plantes non soumises à un milieu salé, la fixation du CO2 s'effectue directement au niveau du cycle de Calvin par la Rubisco. Chez les plantes soumises à un milieu salé, la PEP carboxylase intervient et fixe le CO2 dans de l'oxaloacétate. L'oxaloacétate est ensuite transformé en malate qui est stocké dans la vacuole. Doc.6 A L'activité PEPcarboxylase augmente sous l'action l'aba. Son effet est repérable 4 jours après la mise en présence de l'hormone et ceci davantage lorsque l'aba est en concentration élevée L'activité NADP-malate décarboxylase augmente également. Il s'agit de l'activité de l'enzyme qui permet de récupérer le CO2 qui entre ensuite dans le cycle de Calvin. Ceci confirme la stimulation par l'aba de deux voies : l'une qui fixe le CO2 dans l'oxaloacétate, l'autre qui en produit à partir du malate issu de la transformation de l'oxaloacétate. Doc.6 B Chez les plantes soumises à l'aba, on constate que, le matin, les tissus chlorophylliens sont plus acides et plus riches en malate que ceux qui n'ont pas été traités. Ceci confirme bien que l'aba en agissant sur l'activité enzymatique, stimule la synthèse de malate la nuit et plus généralement d'acides (le malate et l'oxaloacétate sont des sels d'acides qui ont libéré un H+ au ph de la cellule). On remarque pour la plante sans traitement à l'aba une légère augmentation des activités enzymatiques étudiées ainsi que de la concentration en malate et de l'acidité. Elle modifie donc spontanément un peu son métabolisme. Conclusion bilan : les plantes grasses qui vivent en milieu sec ou salé pauvres en eau ferment leurs stomates aux heures où elles sont susceptible de perdre de l'eau. Il s'est suit une impossibilité d'absorber de CO2 pendant cette période. Elles compensent cette impossibilité en ouvrant leur stomates la nuit et en fixant temporairement le carbone dans du malate. Ce malate est utilisé lors de la période éclairée pour libérer du CO2 qui entre dans le cycle de Calvin tournant alors grâce à la phase photochimique et produit des glucides Plan, soin apporté à la présentation, à la rédaction, l'orthographe

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