Thème 1A : génétique et évolution

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1 Thème 1A : génétique et évolution 3 semaines Les relations entre organisation et mode de vie, résultat de l'évolution : l'exemple de la vie fixée chez les plantes 1

2 Mise en situation: Décrire les plantes, et donner le rôle de chaque grand appareil décrit 2

3 Rappels: qu est ce qu une plante? Un appareil foliaire : feuille, tige Un appareil racinaire: racine principale et racine secondaire Un appareil reproducteur: fleur, fruit 3

4 Quelles sont les contraintes que tout être vivant doit subir pour se maintenir en vie? Différence essentielle entre le monde animal et le monde végétal présenté? Otiorhynque dévorant une feuille

5 introduction;: les contraintes de la vie fixée Un végétal est constitué Un appareil foliaire : feuille, tige Un appareil racinaire: racine principale et racine secondaire Un appareil reproducteur: fleur, fruit Conséquence de cette vie fixée obligatoire pour les végétaux? Pas de possibilité d aller chercher sa nourriture Pas de possibilité d aller chercher un partenaire pour la reproduction Pas de possibilité de fuir les prédateurs, de se protéger des contraintes environnementales L'objectif de ce thème est (sans rentrer dans le détail des mécanismes) de comprendre les particularités d'organisation fonctionnelle de la plante et de les mettre en relation avec le mode de vie fixé. 5

6 1-les structures spécialisées des plantes pour la vie fixée 1-1 il existe des organes avec une grande surface d échange 6

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8 Travail classe entière: localiser avec le doc diapo 11, les surfaces d échange entre l animal et le milieu extérieur et identifier ce qui est échangé. Même travail pour le végétal Ce qui est attendu: formes d énergie et molécules échangées sens des échanges et lieux des échanges 8

9 Titre: 9

10 Evacuation de la chaleur par les oreilles Fennec: renard des sables: Lieu de vie désert chaud Une loi : plus la surface est grande plus il y a d échange vers l extérieur Renard polaire : lieu de vie toundra 10

11 Alvéoles pulmonaires au MET x Cellules intestinales au MO X 600

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15 Absorption de photons par les pigments chlorophylliens Echanges gazeux au niveau des stomates et chambres sous stomatiques Stomate ouvert au MET Echanges en eau et sels minéraux 15

16 L eau, le CO2 et les photons, l eau sont des éléments ubiquistes. (que l on trouve partout) Ils conviennent donc à la nutrition d un organisme fixé. Par contre leur concentration est faible(co2) donc ces éléments doivent être captés de façon très importante: Les plantes ont des surfaces d échanges très importantes pour assurer une capture suffisante de ces éléments Système racinaire Système foliaire 16

17 1-2les surfaces d échanges adaptées à la vie fixée TP le système racinaire : Rôle des racines? Fixation et absorption 17

18 Cellule épidermique Coupe transversale de racine de radis objectif 400 observation au MO Donnez une définition d un poil absorbant? Un poil absorbant est une longue cellule fine de l épiderme racinaire, ces cellules sont très abondantes 18 dans la partie médiane de la racine

19 On révèle que les poils absorbants sont des cellules spécialisées dans l absorption d eau et d ions minéraux. Quels sont les échanges au niveau du poil absorbant? 19

20 Montrer comment le système racinaire peut être adapté aux variations de milieu avec les documents présentés. Diapo 17 et 18 20

21 Observons les diapos suivantes de façon à compléter le rôle des poils absorbants 21

22 Plant de riz en milieu sec Plant de riz en milieu sec Donc possibilité de contrôle génétique (OGM) nourrir l humanité 22

23 Définition des mycorhizes? 23

24 Rôle des mycorhizes pour la plante? 24

25 Les racines de la partie souterraine permettent l ancrage de la plante dans le sol ainsi qu une absorption d eau et d ions minéraux du sol grâce à leurs poils absorbants. Un poil absorbant est une longue cellule fine de l épiderme racinaire. Leur nombre à l extrémité des racines augmente la surface d échange avec le sol. Les ramifications des racines, la densité et la longueur des poils absorbants dépendent des variations de l environnement comme la teneur en eau ou en ions minéraux du sol. + les mycorhizes 25

26 1-2-2 La feuille une interphase plante/ atmosphère 26

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28 Structure de la feuille et capture de la lumière Localisation de la majorité des cellules chloroplastiques? 28

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30 Observation au MO x 600 et ME de coupe transversale de feuille 30

31 Avec ce qui a été vu précédemment, les photos ci contre dire ce qui va permettre dans le végétal une absorption optimisée de lumière + phototropisme 31

32 Autre structure sur les feuilles: les stomates Constitution d un stomate? 32

33 Autre fonction des stomates Livre page 104 doc 3 Question 2 33

34 Epiderme face inférieure du poireau X 400 au Mo Epiderme face supérieure du poireau X 400 au Mo 34

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37 Les feuilles de la partie aérienne permettent le captage de la lumière et les échanges gazeux avec l atmosphère - Leur forme aplatie et la disposition préférentielle des cellules chlorophylliennes à leur face supérieure permettent une grande surface d exposition au soleil pour toutes les cellules photosynthétiques. - Leurs stomates permettent des échanges de dioxygène, dioxyde de carbone et vapeur d eau entre l atmosphère et des lacunes situées au contact des cellules chlorophylliennes. Un stomate est constitué de 2 cellules de garde ménageant une ouverture : l ostiole, au sein d un épiderme imperméable. Cette ouverture est réglable en fonction des variations journalières de l environnement, comme le degré d ensoleillement, la température et le taux d humidité de l air qui doivent être favorables à la photosynthèse. Leur disposition préférentielle à la face inférieure des feuilles permet de limiter les pertes en eau de la plante. 37

38 1ere contrainte à la vie fixée :Se nourrir sur place : quelles sont les adaptations à la vie fixée des végétaux? Grande surface de contact /sol (poils absorbants, qui augmentent si besoin, les racines servent également à l ancrage dans le sol ) Grande surface de contact avec l atmosphère( capteurs solaires + avec des systèmes d ouvertures des stomates 2eme contrainte: L eau est dans le sol, tandis que la photosynthèse se fait dans la partie aérienne. Il faudra acheminer l eau du sol vers les feuilles. Les glucides produits dans les feuilles devront être distribués à l ensemble de la plante: racine, bourgeons 38

39 1-3 Un double système conducteur de substances dissoutes entre organes souterrains et aériens Voir TP17 Les deux types de sèves: 39

40 Transport de la sève brute: L apport en eau et ions minéraux étant dissocié de l apport en CO2 et exposition à la lumière, les vaisseaux du xylème transportent la sève brute provenant des racines jusqu aux cellules chlorophylliennes des feuilles, lieu de la photosynthèse Xylème: cellule morte(accumulation de lignine: bois) cellules allongées, avec disparition des cloisons transversales ; lignification de la paroi formant anneaux, spirales, réticulation ou ponctuation ; mort des cellules et disparition du cytoplasme par disparition des capacités d'échange ; transport rapide optimisé de la solution du sol 1 cm Observation à l œil nu face inférieure de feuille Observation microscopique de vaisseaux de céleri objectif

41 Transport de la sève élaborée Les vaisseaux de phloème véhiculent la sève élaborée, des feuilles adultes jusqu à divers organes tels que ceux en croissance et les organes non chlorophylliens ne réalisant pas la photosynthèse : racines, fleurs, fruits Cellules vivantes, sans noyau preforées à certains endroits 41

42 Feuille de houx en CT, au MO X400 Vaisseaux que l on retrouve dans l ensemble du végétal: Acheminement de l eau et de la mo produite Coupe transversale d une tige de renoncule 42

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45 Un double système conducteur de substances dissoutes entre organes souterrains et aériens L apport en eau et ions minéraux étant dissocié de l apport en CO2 et exposition à la lumière, les vaisseaux du xylème transportent la sève brute provenant des racines jusqu aux cellules chlorophylliennes des feuilles, lieu de la photosynthèse. La sève brute est une solution diluée d ions minéraux principalement Ces vaisseaux sont formés de cellules mortes, vides, allongées, sans paroi transversale, renforcées par des dépôts de lignine, ce qui permet une circulation ascendante rapide. Les vaisseaux de phloème véhiculent la sève élaborée, des feuilles adultes jusqu à divers organes tels que ceux en croissance et les organes non chlorophylliens ne réalisant pas la photosynthèse : racines, fleurs, fruits La sève élaborée est une solution concentrée en produits de la photosynthèse, en majorité des glucides. Ces vaisseaux sont formés de cellules vivantes, sans noyau, allongées, à paroi transversale perforée (cellules criblées) Cette circulation est descendante majoritairement. 45

46 2. Ne pouvant fuir devant les agressions du milieu, les plantes ont développé au cours de leur évolution des structures et mécanismes de défense 2-1 Contre les variations du milieu physique Variation du milieu physique? Le froid La sécheresse Les milieux instables Les milieux salés Excès d UV (plante de haute altitude) 46

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48 3 eme contrainte: Comparée à un organisme mobile la plante est dans l impossibilité: -De s abriter des agressions climatiques saisonnières ou accidentelles (incendie) -de fuir un éventuel prédateur - de se débarrasser mécaniquement d un invasif. 48

49 Ecailles protectrices du marronnier Oignons, rhizomes, tubercule,graine.. 49

50 Adaptation à la sécheresse 50

51 Chêne vert Ciste cotonneux lavande Argeras 51

52 CT de feuille de lavande vue au MO grossissement 600 CT de feuille de romarin vue au MO grossissement importance des substances volatiles CT de feuille de thym vue au Mo grossissement

53 L oyat : plante des dunes qui pousse sur le sable incapable de retenir l eau et soumis a de forts vents. Plante avec des adaptations étonnantes CT de feuille d oyat, coloration CVA; X400 Observation au MO Les adaptations à la sécheresse: stomates face inférieure des feuilles, feuilles recourbées, crypte(cavité) recouverte de poils avec à l intérieure des poils. Tissu hydrophobe à l extérieur, hydrophile à l intérieur, cuticule épaisse imperméable. 53

54 Fleurs des Alpes vivement colorés (présence d anthocyane qui protège contre l altération de l ADN) Sélection des variants avantagés 54

55 Palétuvier dans la mangrove: racine «échasse» 55

56 Chêne pyrophyte 56

57 2-2 Contre les divers pathogènes ou prédateurs DONC.. Nombreuses substances pharmacogénes dans les plantes 57

58 Coévolution (voir plus loin) 58

59 Défense contre les herbivores DEFENSE MECANIQUE Épines Poils urticants Cuticule coriace Épiderme de misère observé au microscope polarisant (lumière polarisée et analysée, x400 59

60 Question 1 page 109 Dans les ranchs, milieu fermé Plus de Koudous Plus de broutage Les acacias s en portent mieux, pas les koudous Les acacias dégagent de l éthylène qui se diffuse, ce qui augmente la teneur en tanins de la plante broutée et de ses voisines Les koudous qui s en nourrissent voient leur mortalité augmenter. 60

61 Les acacias cohabitent : des fourmis vivent dans les épines particulières, gonflées, des arbres qui leur fournissent ainsi un habitat de la sève sécrétée tandis que les fourmis apportent une défense active lorsque les herbivores s'attaquent à l'arbre puisque leur morsure est un vrai supplice(démontré face aux jeunes girafes et aux éléphants). 61

62 La défense contre les virus: Nécroses de tissus infectés par des virus par exemple limitation de l invasion, tissus morts 62

63 2. Ne pouvant fuir devant les agressions du milieu, les plantes ont développé au cours de leur évolution des structures et mécanismes de défense Contre les variations du milieu physique La présence de poils à la face inférieure des feuilles, l enroulement de leurs bords, une épaisse cuticule recouvrant l épiderme foliaire sont des protections contre la sécheresse de certains milieux La perte des feuilles de certains arbres, l entrée en vie ralentie en hiver, la protection écailleuse des bourgeons, la formation de bulbes, tubercules souterrains sont des adaptations au froid saisonnier. Certaines espèces meurent et ne subsistent que sous forme de graines Contre les divers pathogènes ou prédateurs La présence d épines, poils urticants, la fabrication de molécules amères, toxiques repoussent les herbivores 63

64 Mais attention à ne pas avoir un discours finaliste: SELECTION DES VARIANTS AVANTAGES AU COURS DE L EVOLUTION 64

65 3. La vie fixée impose une reproduction avec transport du pollen et des graines 3-1 L'organisation florale et le fonctionnement de la fleur permettent le rapprochement des gamètes entre plantes fixées. A-L organisation d une fleur: Fécondation croisée ou autofécondation. Fleurs «Alstroéméria» ou «Lys des Incas». 65

66 Grande diversité de forme, de dimension, mais 66

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68 Les fleurs présentent une grande diversité de forme, de couleur, de nectar, de parfum MAIS La fleur est l appareil sexué reproducteur chez de nombreux végétaux. Leur organisation obéit à un même plan d organisation en couronne concentriques V1 : 4 sépales V2 : 4 pétales Photographie ENS Lyon- article de Stéphanie Breuil V3 : 6 étamines V4 : 2 carpelles soudés (pistil) Arabette des dames 68

69 B- le contrôle de l organisation de la fleur Cependant il existe quelques exceptions au sein d une même famille dans l organisation Hypothèse : Mutation de gène de développement 69

70 Mutation du gène A? pas de pétales Mutation du gène B pas d étamines Mutation du gène C pas de pistil 70

71 4 gènes du développement sont responsables de l organisation de la fleur: (A, B, C) A responsable de l emplacement des sépales et des pétales B responsable de l emplacement pétales et étamines C responsable de l emplacement des étamines et du pistil 71

72 Ce qui est dit dans votre polycopié: La fleur est l appareil sexué reproducteur de nombreux végétaux qui présente une grande diversité de forme, de dimension, de couleur mais qui obéit à un même plan d organisation en couronnes concentriques 2 couronnes externes stériles protégeant 2 couronnes internes centrales constituant les organes reproducteurs le calice est formé des sépales le plus souvent verts et la corolle est formée de pétales de couleur et dimension variables. les étamines sont les organes mâles formés d un filet et de 2 anthères renfermant les grains de pollen, cellules sexuelles mâles le pistil est l organe femelle, divisé en carpelles renfermant les ovules, cellules sexuelles femelles. Ce plan d organisation est sous le contrôle des gènes du développement floral dont les mutations expliquent la variété des fleurs. 72

73 Contrainte N 4: les plantes étant éloignées les unes des autres les grains de pollen doivent être transportés d une plante à l autre 1ere mode de trnasport: Transport du pollen par les insectes: plantes entomogames: Il faut que la fleur soit vue 73

74 La fleur peut avoir un «restaurant»! Les fleurs peuvent tromper les insectes 75

75 Pour les plantes entomogames le pollen est gros avec de nombreuses aspérités qui vont permettre la fixation sur l insecte Dans les corbeilles il peut y avoir 50mg de pollen (à comparer avec les 82 mg de l abeille ) 76

76 2 eme mode de transport du pollen: le vent: les plantes sont alors anémogames 1 micromètre Grain de pollen de pin vu au microscope électronique à balayage. NOTEZ LES DIFFERENCES AU NIVEAU DE LA TAILLE 77

77 Regarder les trois diapos qui suivent et formuler une problématique à partir de ces observations: 78

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80 Observations: Fruit et fleur au même endroit Pétales et étamines encore présents quand le fruit est formé Lien? Le fruit est formé à partir d une partie de la fleur Problème: En quoi l organisation florale est-elle à l origine de la fructification (formation des fruits)? 81

81 De la fleur au fruit Le fruit est issu de la fécondation de l ovaire 82

82 Comment la fécondation est elle réalisée chez les plantes à fleurs et quelles en sont les conséquences? Livre page 120/121 83

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84 En image. Germination du grain de pollen de Campanula sp. Début de germination Après hydratation du grain, sous l'effet de la turgescence (poussée exercée par les vacuoles surtout), une excroissance de la cellule végétative fait saillie au niveau d'un pore. Allongement du tube pollinique en cours: La fonction du grain de pollen (gamétophyte mâle) est de livrer 2 spermatozoïdes au sac embryonnaire par l'intermédiaire du tube pollinique. L'image montre le noyau de la cellule spermatogène (CS) coloré par le vert de méthyle (et peut être celui de la cellule végétative) engagé dans le tube 85

85 En schéma 86

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87 Comment la fécondation croisée est elle empêchée dans ce cas? 88

88 Origine de la fraise?????? Une particularité.. Ici c est le réceptacle de la fleur qui est transformée en fruit 89

89 Les ovules fécondés se transforment en? Et dedans la graine on a 90

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91 Ce qui est écrit sur le polycopié La pollinisation est le transport du pollen sur le pistil d une fleur de la même espèce. Le grain de pollen germe ensuite et féconde les ovules. La pollinisation peut se faire entre pollen et pistil de la même fleur (autofécondation) ou entre pollen et pistil de fleur différente (fécondation croisée) La pollinisation croisée à l avantage de produire de la diversité génétique, elle est facilitée par le vent, l eau et les insectes A l issue de la fécondation, la fleur se transforme en fruit contenant des graines La paroi de l ovaire forme généralement la paroi du fruit Chaque ovule fécondé donne une graine 92

92 3-2 La pollinisation et la dissémination repose sur la collaboration animal / végétal: coévolution A- Coévolution et pollinisation (déjà vu un peu avec la pollinisation) 93

93 Livre page 123 question 3 et 4 94

94 Bourdon sur la sauge. 95

95 B- La dispersion des graines Contrainte n 5: l embryon de la plante (graine) devant germer au sol, il doit limiter la concurrence avec la plante mère donc il doit s en éloigner. 96

96 Fruit attractif (couleur mais aussi riche en substance nutritive) 97

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98 Dissémination de la Bardane 99

99 Coévolution.? La collaboration entre un animal disséminateur et une plante est le fruit d une coévolution 100

100 Collaboration ou pas! Adaptation qui se sont influencées mutuellement : collaboration coévolution Plante anémophile, hydrochorie, balistique 101

101 Notion de coévolution quand l homme intervient. Araujia sericifera : Portrait d une plante tueuse d insectes Ce système de piège est en fait tout à fait adapté à son milieu d origine puisque les espèces tropicales plus «musclées» que nos petits papillons de nuits et abeilles provoquent suffisamment de remue-ménage pour que deux petits sacs de pollen (ou pollinies) se fixent sur leur trompe ou leur corps pour être emportés au loin. Papillon de nuit mort d épuisement Photographie : Vieil-art 102

102 La pollinisation et dissémination des graines de nombreuses plantes reposent sur une collaboration animal disséminateur/végétal, produit d une coévolution Des relations étroites se sont construites au cours de l évolution entre les plantes à fleurs et leurs insectes pollinisateurs Les insectes en visitant les fleurs assurent leur pollinisation et les fleurs leur fournissent nectar et pollen : il y a collaboration Le nectar est une ressource nutritive sécrétée par des glandes nectarifères Les fleurs pollinisées par des insectes ont développé des signaux attractifs pour les insectes comme des ornementations sur les pétales, des molécules odorantes, des glandes nectarifères colorées, luisantes, des grains de pollen gros et facilement transportables Les insectes pollinisateurs ont développé des organes adaptés à la récolte et le transport du pollen : pièces buccales transformées, poils, peigne.. Leurs adaptations se sont influencées mutuellement : on parle de coévolution. La dispersion des graines est nécessaire à la survie et à la dispersion de la descendance, elle peut être assurée par un animal Les graines disséminés par les animaux sont dans des fruits attractifs : colorés, charnus, riche en sucres ou présentant des dispositifs d accrochage Les animaux transportent les graines accrochées dans leurs poils, plumes ou les dispersent avec leurs excréments Avec les fruits, l animal accède à une ressource nutritive et le transport pour la plante permet la colonisation de nouveaux territoires et souvent une meilleur germination lorsque les graines sont passés par l appareil digestif de l animal. Il ya bien collaboration et coévolution. 103

103 Fin! 104