De la plante sauvage à la plante domestiquée

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1 De la plante sauvage à la plante domestiquée Thème 1-A-5 Les relations entre organisation et mode de vie, résultat de l'évolution : l'exemple de la vie fixée chez les plantes. L'organisation fonctionnelle des plantes (angiospermes) est mise en relation avec les exigences d'une vie fixée en relation avec deux milieux, l'air et le sol. Au cours de l'évolution, des processus trophiques, des systèmes de protection et de communication, ainsi que des modalités particulières de reproduction se sont mis en place. 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. Bilans : schéma général de la plante, organisation et fonction de la fleur. Thème 2-B La plante domestiquée Les plantes (on se limite aux angiospermes), directement ou indirectement (par l'alimentation des animaux d'élevage) sont à la base de l'alimentation humaine. Elles constituent aussi des ressources dans différents domaines : énergie, habillement, construction, médecine, arts, pratiques socioculturelles, etc. La culture des plantes constitue donc un enjeu majeur pour l'humanité. Sans chercher l'exhaustivité, il s'agit de montrer que l'homme agit sur le génome des plantes cultivées et donc intervient sur la biodiversité végétale. L'utilisation des plantes par l'homme est une très longue histoire, qui va des pratiques empiriques les plus anciennes à la mise en œuvre des technologies les plus modernes. Bilan : sélection génétique des plantes ; génie génétique.

2 I Les adaptations à la vie fixée Contrairement à la plupart des animaux, les plantes ne peuvent pas se déplacer pour s approvisionner, se reproduire ou fuir les prédateurs. Au cours de leur histoire évolutive, elles ont développé des adaptations pour assurer ces fonctions. 1) Prélever la matière et l énergie Connaissances : Les caractéristiques de la plante sont en rapport avec la vie fixée à l'interface sol/air dans un milieu variable au cours du temps. Elle développe des surfaces d'échanges de grande dimension avec l'atmosphère (échanges de gaz, capture de la lumière) et avec le sol (échange d'eau et d'ions). Objectif et mots-clés. Il s'agit d'aboutir à une vue globale de la plante, de ses différents organes et de leurs fonctions. Un schéma fonctionnel synthétique permet de présenter les notions à retenir. L'étude d'une coupe anatomique permet de repérer les deux grands types de tissus conducteurs. (Collège. Première approche de l'organisation végétale.) [Limites. Le raisonnement s'appuie uniquement sur l'observation d'une plante en tant qu'organisme. L'anatomie végétale n'est pas un objectif de formation : on se limite au repérage du phloème et du xylème et à l'indication de leurs rôles - sans mécanisme - dans la conduction des sèves. Les mécanismes immunitaires des végétaux ne sont pas au programme.] Pistes. Modélisation fractale de l'augmentation de surface du système foliaire ou racinaire. Étude d'hormones végétales et de leurs actions sur la croissance, le passage de la mauvaise saison. Rappel : équation de la photosynthèse 6 CO H 2 O C 6 H 12 O O 2 Pour réaliser la photosynthèse, la plante a besoin de CO 2, d eau et de sels minéraux. Elle a aussi besoin d être éclairée. La lumière est captée au niveau des feuilles ainsi que le CO 2 qui pénètre par des structures spécialisées (stomates). L eau et les sels minéraux (sous forme d ions solubles) sont prélevés par les racines. Feuilles et racines représentent une très grande surface d échange par rapport au volume de la plante. 2) Distribuer la matière Des systèmes conducteurs permettent les circulations de matières dans la plante, notamment entre systèmes aérien et souterrain. L eau et les sels minéraux prélevés par les organes souterrains sont transportés jusqu aux organes aériens par des vaisseaux qui constituent un tissu : le xylème. Ce liquide constitue la sève brute. Il en va de même pour la sève élaborée, qui contient les produits de la photosynthèse, transportés par d autres vaisseaux constituant le phloème. (schéma de synthèse)

3 3) Se défendre Elle possède des structures et des mécanismes de défense (contre les agressions du milieu, les prédateurs, les variations saisonnières). La plante doit faire face aux agressions du milieu et des autres êtres vivants sans pouvoir se déplacer. 1 er exemple : limiter la déshydratation Pour limiter les pertes d eau, l épiderme de la plupart des plantes est couvert d une cuticule cireuse imperméable. Les échanges gazeux sont ainsi limités aux stomates qui sont plus nombreux sur la face inférieure (moins exposée au soleil) et qui peuvent se fermer en cas de forte chaleur. Ex 7 p. 114 (voir spé) (cas du chêne liège / feu) 2 ème exemple : passer la mauvaise saison Pour passer l hiver, les plantes adoptent des stratégies différentes. Certaines adoptent un cycle biologique annuel (germination au printemps, mort en hiver), d autres sont vivaces mais perdent leurs feuilles etc 3 ème exemple : dissuader les herbivores (p.97) Pour limiter la prédation, la plante peut utiliser des défenses mécaniques (ex : épines) ou chimiques (ex : laurier rose). Exemple de l acacia (épines, tanins, fourmis). Mimosa pudica.

4 4) Se reproduire L'organisation florale, contrôlée par des gènes de développement, et le fonctionnement de la fleur permettent le rapprochement des gamètes entre plantes fixées. La pollinisation de nombreuses plantes repose sur une collaboration animal pollinisateur/plante produit d'une coévolution. À l'issue de la fécondation, la fleur se transforme en fruits contenant des graines. La dispersion des graines est nécessaire à la survie et à la dispersion de la descendance. Elle repose souvent sur une collaboration animal disséminateur/plante produit d'une coévolution. Objectif et mots-clés. Fleur, pistil (ovaire, ovule), étamine, pollen. Fruit, graine. Pollinisation par le vent et les animaux. [Limites. Seule une vision élémentaire de la reproduction sexuée est ici attendue. Sont explicitement hors programme : la structure du grain de pollen, sa formation, les mécanismes de la double fécondation, les mécanismes de formation de la graine ou du fruit. La coévolution est constatée comme un résultat, mais ses mécanismes ne sont pas demandés. La connaissance exhaustive des gènes du développement floral.] Pistes. Études de coévolution. Étude des mécanismes de transformation de la fleur en fruit. Comme tous les eucaryotes, les plantes ont recours à la reproduction sexuée. Cette fonction est assurée par un organe : la fleur. La plupart des fleurs sont hermaphrodites, c'est-à-dire qu elles contiennent à la fois les organes reproducteurs mâles (étamines) et femelles (pistil). Ces organes reproducteurs sont protégés par des couronnes d éléments protecteurs : sépales et pétales. Les étamines produisent les grains de pollen qui contiennent les gamètes mâles. Ces derniers vont se déposer sur le pistil de la même fleur (autofécondation) ou d une autre fleur. Ils développent alors un tube pollinique qui va acheminer le gamète mâle jusqu à l ovule, situé dans l ovaire. L ovule fécondé donnera la graine, tandis que le reste de la fleur, en particulier la paroi de l ovaire, donnera le fruit. Les fruits ou les graines seront ensuite dispersés par le vent ou les animaux. Les animaux, et en particulier les insectes, interviennent souvent dans la pollinisation et la dispersion des graines. Pour attirer les insectes, les fleurs émettent plusieurs signaux : odeur, couleurs vives, forme des pétales, nectar sucré etc Cette collaboration entre espèces animales et végétale est le résultat d une longue coévolution. Au cours de ce processus, la plante et l animal se sont adaptés l un à l autre, par le mécanisme de la sélection naturelle. L organisation de la fleur est déterminée par des gènes du développement regroupés en familles multigéniques. Comme chez les animaux, la mutation de ces gènes entraîne le remplacement d une partie de la fleur par une autre (ex : sépales remplacés par des pétales).

5 II La plante domestiquée Connaissances : La sélection exercée par l'homme sur les plantes cultivées a souvent retenu (volontairement ou empiriquement) des caractéristiques génétiques différentes de celles qui sont favorables pour les plantes sauvages. Une même espèce cultivée comporte souvent plusieurs variétés sélectionnées selon des critères différents ; c'est une forme de biodiversité. Les techniques de croisement permettent d'obtenir de nouvelles plantes qui n'existaient pas dans la nature (nouvelles variétés, hybrides, etc.). Les techniques du génie génétique permettent d'agir directement sur le génome des plantes cultivées. Objectifs et mots-clés. Il s'agit de montrer les différentes modalités d'action humaine sur les caractéristiques génétiques des plantes cultivées. [Limites. Les éléments scientifiques introduits ici permettent un débat sur l'usage de telle ou telle méthode, mais il n'entre pas dans les objectifs de l'enseignement scientifique de trancher, à lui seul, la controverse.] Convergences. Histoire des arts : la modification des aliments de l'homme au travers de leur représentation picturale. Histoire et géographie : histoire des plantes cultivées et des civilisations. 1) La domestication par la sélection La sélection exercée par l'homme sur les plantes cultivées a souvent retenu (volontairement ou empiriquement) des caractéristiques génétiques différentes de celles qui sont favorables pour les plantes sauvages. Une même espèce cultivée comporte souvent plusieurs variétés sélectionnées selon des critères différents ; c'est une forme de biodiversité. Avant de se sédentariser, l homme vivait de la cueillette et de la chasse. En se sédentarisant, il a commencé à cultiver certaines plantes sauvages, et à ressemer une partie des graines récoltées. Plus ou moins volontairement, il a favorisé à chaque semis les variétés qu il préférait. Sous l effet de cette sélection, les variétés cultivées se sont progressivement distinguées génétiquement de leur ancêtre sauvage. (livre p.246) Au final, la plante domestique présente des caractéristiques intéressantes pour l alimentation humaine, mais bien souvent défavorables pour la survie du végétal en milieu sauvage. Les plantes domestiques sont ainsi beaucoup moins rustiques que leurs ancêtres. Cette sélection a un impact sur la biodiversité. Les nombreuses variétés issues d un unique ancêtre sauvage contribuent à l augmenter, mais à l échelle locale, la monoculture la réduit considérablement. (p.248)

6 2) L amélioration par les croisements Les techniques de croisement permettent d'obtenir de nouvelles plantes qui n'existaient pas dans la nature (nouvelles variétés, hybrides, etc.). Par le croisement de variétés différentes, l Homme obtient des variétés hybrides inédites et intéressantes. Ces hybrides sont souvent plus robustes que les lignées pures («vigueur hybride»). Un hybride hétérozygote ne peut pas, par définition, constituer une nouvelle lignée pure. (p.252, castration des fleurs du maïs, instabilité génétique des F1) Dans certains cas il crée de nouvelles espèces par hybridation (voir chapitre précédent, polyploïdie). Ces hybrides peuvent être fertiles ou stériles. Dans ce cas on les multiplie par bouturage, marcottage etc (multiplication végétative). (p.250) Enfin, pour augmenter la rusticité de certaines variétés fragiles, on effectue des croisements avec des variétés ancestrales plus robustes. 3) La révolution des biotechnologies Les techniques du génie génétique permettent d'agir directement sur le génome des plantes cultivées. Depuis les années 70, l Homme essaie de modifier directement le génome des plantes cultivées afin de les améliorer. C est l objet du génie génétique. La transgénèse est une technique permettant de transférer un gène (transgène) d un organisme à un autre, même lorsqu ils appartiennent à des espèces très différentes. Ce transfert est assuré par un vecteur (ex : virus). L organisme génétiquement modifié (OGM) obtenu, possède alors des propriétés totalement inédites pour son espèce. Cette technique est dans certains cas très controversée.

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