SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE Durée : 3 heures. Adaptation des Angiospermes à des conditions de vie difficiles

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1 Banque «Agro-Véto» AT SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE Durée : 3 heures L usage d une 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. Chaque candidat est responsable de la vérification de son sujet d épreuve : pagination et impression de chaque page. Ce contrôle doit être fait en début d épreuve. En cas de doute, il doit alerter au plus tôt le chef de centre qui contrôlera et éventuellement remplacera son sujet. Adaptation des Angiospermes à des conditions de vie difficiles Le sujet comporte 2 parties indépendantes. Première partie Il est demandé au candidat d utiliser ses connaissances pour répondre à la question posée. La réponse devra être présentée sous forme d un exposé structuré par un plan apparent et encadré par de courtes introduction et conclusion. Elle comporte 3 thèmes dépendants. Seconde partie Le candidat s appuiera essentiellement sur une analyse détaillée des documents, pour répondre aux questions posées en début de chaque thème. Aucune introduction n est attendue. En revanche, une courte conclusion s appuyant sur un schéma bilan est attendue en fin de chaque thème. Le candidat ne doit pas rédiger de longs développements de ses connaissances sur le thème, indépendamment de l exploitation des documents. Les documents peuvent être découpés et collés sur la copie à condition d être légendés, commentés et exploités ; des croquis légendés peuvent également être proposés. 1/12

2 Partie 1 Durée conseillée : 1h00 En régions tempérées, les Angiospermes sont soumises à des variations des conditions climatiques. Vous expliquerez comment ces êtres vivants peuvent supporter le passage de l hiver et assurer ainsi la pérennité de l espèce. L exposé se limitera à l étude des plantes herbacées : on ne traitera pas le cas des arbres et arbustes. On veillera à envisager les différentes échelles du vivant. 2/12

3 Partie II Durée conseillée : 2h00 L adaptation des plantes à métabolisme CAM (Métabolisme Acide Crassuléen) à l aridité Les plantes grasses, succulentes ou encore crassulescentes comme les cactus ou les agaves se trouvent communément dans les régions arides où les précipitations annuelles oscillent entre 100 et 300 mm/an (en climat tempéré, les précipitations varient entre 500 et 1500 mm/an). Ces plantes présentent des adaptations morphologiques, anatomiques et physiologiques aux conditions extrêmes de ces milieux. Du point du vue métabolique, les plantes CAM, comme les plantes en C4, associent une photosynthèse en C3 et une photosynthèse en C4. Cependant, chez les plantes CAM, le découplage entre les deux phases de photosynthèse n est pas spatial mais temporel. Certaines espèces comme Mesembryanthemum crystallinum peuvent présenter un métabolisme exclusivement C3 ou un métabolisme CAM, en fonction de leur développement et/ou des conditions du milieu. Thème 1 : Les mécanismes de la photosynthèse des plantes CAM A partir des documents 1.1 à 1.3 et de vos connaissances, déterminez les caractéristiques de la photosynthèse des plantes CAM. Vous résumerez vos hypothèses et/ou conclusions sous forme d un schéma en précisant où et quand se font les photosynthèses en C3 et C4. Document 1.1 : Immunolocalisation de la PEPc (PhophoEnolPyruvate Carboxylase) dans le mésophylle d une feuille de M. crystallinum (Mesembryanthemum crystallinum, une plante ayant un métabolisme CAM dans les conditions de l expérience). Les anticorps secondaires, qui se fixent spécifiquement sur les anticorps anti-pepc, sont couplés à des particules d or qui apparaissent en noir sur le cliché. L observation est réalisée en MET. C : chloroplaste S : grain d amidon mt : mitochondrie 3/12

4 Document 1.2 : Absorption de CO 2 et activités de la PEPc et de la RuBisCO (ribulose-1,5-diphosphate carboxylase/oxygénase) Document 1.2.A : Taux d'absorption nette de CO 2 mesuré sur des feuilles de 2 espèces Pour chaque espèce, une feuille est placée pendant 36h dans une chambre confinée de façon à pouvoir mesurer en continu les échanges gazeux. Deux espèces sont utilisées : - espèce à métabolisme CAM : Kalanchoe daigremontiana (KD) - espèce à métabolisme en C3 : Peperomia obtusifolia (PO) Les régions en gris correspondent aux périodes de nuit. Les taux d absorption sont donnés en µmol. m -2 de surface foliaire. seconde -1. Document 1.2.B : Activités de deux enzymes (PEPc et RuBisCO) chez des plantes à métabolisme CAM 1 : Activité de la PEPc mesurée pendant 24h dans des feuilles de M. crystallinum. Les résultats sont donnés en pourcentage de l activité maximale de l enzyme. 2 : Activité de la RuBisCO mesurée pendant 24h dans des feuilles de Kalanchoë daigremontiana. L activité est quantifiée en µmol CO2. m -2 de surface foliaire. seconde -1 (µmol. m -2. s -1 ). Elle reste inférieure à 15 µmol CO2. m -2. s -1 entre 20h et 6h (non visible sur le graphique) /12

5 Document 1.3 : Evolution de la teneur en malate dans des feuilles de plante à métabolisme CAM Des extraits sont réalisés à partir de feuilles de M. crystallinum ayant un métabolisme CAM. Le malate est dosé à partir de la matière fraîche de ces extraits. Les résultats sont donnés en µmol par gramme de matière fraîche (µmol. g mat fraîche -1 ). 5/12

6 Thème 2 : Adaptations morphologiques, anatomiques et physiologiques des plantes à métabolisme CAM. A partir des documents 2.1 à 2.5, montrez en quoi la morphologie, l anatomie et la physiologie des plantes à métabolisme CAM sont adaptées aux milieux arides. Document 2.1 : Anatomie d une feuille d Aloes L Aloes (Aloe vera) est une plante à métabolisme CAM caractéristique des zones arides : elle possède des feuilles charnues bordées d épines. C : Coupe transversale dans la partie supérieure de la feuille (MO, x25) 0,5 m A : Morphologie de la plante 0,2 cm B : Coupe transversale de feuille d Aloès parenchyme aquifère riche en mucilage (gel hydraté) parenchyme chlorophyllien faisceau cribro-vasculaire D : Coupe transversale dans le mésophylle d une feuille fixée (MO, x10) 6/12

7 Document 2.2 : Mesure de l épaisseur et de la taille des cellules des feuilles de plantes CAM et C3. Caractéristiques anatomiques d espèces CAM Espèces (Famille) Epaisseur des feuilles (µm) Epaisseur du mésophylle (µm) Taille des cellules du mésophylle (µm 2 ) Ananas comosus (Broméliacées) Mesembryanthemum salmii Crassula argentea (Crassulacées) Clusia rosea (Clusiacées) Kalanchoe tomentosa (Crassulacées) Caractéristiques anatomiques d espèces C3 Espèces Epaisseur des feuilles (µm) Epaisseur du mésophylle (µm) Taille des cellules du mésophylle (µm 2 ) Euphorbia millii (Euphorbiacées) Chenopodium album (Chenopodiacées) Zygopetalum intermedium (Orchidacées) Document 2.3 : Caractéristiques du mésophylle des feuilles de plantes CAM A : Coupe de feuille montrant le mucilage. B : Valeurs de potentiel hydrique chez des plantes C3 et CAM Potentiel hydrique du mésophylle d une plante en C3 : valeur comprise entre -0,2 et -0,3 MPa. Potentiel hydrique du parenchyme hydrique de cactus (plante CAM) : -0,5 à -1 MPa. 7/12

8 Document 2.4 : Etude du lien entre la proportion de CO 2 fixé la nuit et la succulence des feuilles chez différentes espèces : espèces à métabolisme C3, espèces intermédiaires entre C3 et CAM et espèces totalement CAM. - On mesure le flux net de CO2 échangé entre la plante (différentes espèces d Aeonium) et l atmosphère. Un flux positif correspond à une entrée nette de CO2. Un flux négatif correspond à une sortie nette de CO2. Le degré de succulence est défini comme le rapport entre la quantité d eau contenue à saturation dans l organe et la surface de l organe. Degré de succulence nuit jour Document 2.5 : Etude de l ouverture des stomates d un cactus (plante CAM) et de l évolution du potentiel hydrique du sol au cours de l année dans le désert du Colorado L ouverture des stomates est mesurée chaque mois chez Ferocactus acanthodes, un cactus vivant dans le désert du Colorado. On mesure en parallèle la quantité de précipitations et le potentiel hydrique du sol (ψ sol). La résistance stomatique (rs) rend compte directement du degré de fermeture des stomates. La valeur indiquée correspond au minimum de résistance mesurée au cours de la journée. 8/12

9 Thème 3 : Induction du métabolisme CAM chez Mesembryanthemum crystallinum au cours d un stress hydrique. A partir des documents 3.1 à 3.4, reconstituez la séquence d'événements qui conduit au passage d un métabolisme en C3 à un métabolisme CAM dans les conditions naturelles en justifiant chaque étape. Vous pourrez proposer des hypothèses pour les étapes non traitées dans les documents. Mesembryanthemum crystallinum (M. crystallinum) ou ficoïde glaciale est une plante annuelle présentant successivement un métabolisme en C3 puis un métabolisme CAM. Cette espèce vit dans les environnements présentant une saison humide suivie d une saison aride. Son développement végétatif débute en saison humide, et est associé à un métabolisme en C3. Le début de la saison aride coïncide avec l apparition de structures reproductrices. La transition développement végétatif / développement reproducteur, qui se déroule au début de la saison sèche, est associée à une modification irréversible du métabolisme C3 en métabolisme CAM. D autres plantes telles que Umbilicus rupestris présentent également une transition C3/CAM lorsque le milieu s assèche. 2 cm Document 3.1 : Etude de la transcription d un gène codant pour la PEPcarboxylase (PEPc1) au cours d un stress hydrique Des feuilles de M. crystallinum sont détachées de plantes âgées de 5 semaines cultivées en conditions normales : les feuilles sont soumises à différentes conditions à t=0 : - H2O : les pétioles des feuilles sont plongés dans de l eau - Deshyd. : les feuilles sont placées à l air ambiant sans eau - NaCl : les pétioles des feuilles sont plongés dans une solution à 0,4M de NaCl La transcription de deux gènes est suivie au cours du temps à 3, 6 et 9h. - le gène PEPc1 - un gène non impliqué dans la photosynthèse et exprimé en permanence : Fnr1 La quantification des ARNm est faite par RT-PCR sur des fragments de feuilles. La RT-PCR se fait en deux étapes : - les ARNm sont extraits des feuilles : une réverse transcription permet d obtenir des brins d ADNc, complémentaires des ARNm présents - une PCR est réalisée sur les ADNc obtenus : dans cette expérience, des amorces spécifiques des gènes de la PEPc1 et de Fnr1 sont utilisées. pb : paires de bases 9/12

10 Document 3.2 : Etude du rôle des protéines kinases calcium/calmoduline dépendantes dans l induction du métabolisme CAM chez M. crystallinum Des feuilles de M. crystallinum sont détachées de plantes âgées de 5 semaines cultivées en conditions normales : elles subissent deux incubations successives. Première incubation (3h) : les feuilles sont immergées pendant 3h : - soit dans de l eau (colonne H2O) - soit dans un milieu contenant un inhibiteur des protéines kinases calcium/calmoduline dépendantes (colonne Inhib.) Deuxième incubation (6h) : les feuilles sont ensuite incubées pendant 6h dans différentes conditions (identiques à celle de l expérience du document 3.1) - ligne H2O : les pétioles des feuilles sont plongés dans de l eau déminéralisée - ligne NaCl : les pétioles des feuilles sont plongés dans une solution à 0,4M de NaCl On quantifie l ARNm de la PEPc par RT-PCR. Document 3.3 : Etude du rôle de la méthylation du gène codant la PEPc1 dans l induction du métabolisme CAM L expérience est réalisée sur des plantes entières de M. crystallinum qui sont soumises à un stress salin induisant le métabolisme CAM (milieu à 200mM de NaCl). Les feuilles sont prélevées à différents temps : la méthylation des cytosines est étudiée dans la région entourant le promoteur du gène codant la PEPc. Les résultats sont donnés en pourcentage de la méthylation maximale qui correspond à celle observée à 72h. 10/12

11 Document 3.4 : Etude de l activité de la PEPc chez Umbilicus rupestris L'activité de la PEPc est étudiée chez Umbilicus rupestris. Comme pour M. crystallinum, une augmentation de l aridité ou de la salinité du milieu induit le passage d un métabolisme en C3 à un métabolisme CAM en quelques jours. L activité de la PEPc est étudiée (mesure de l absorbance) à partir d extraits de feuilles issues de plantes cultivées : - en conditions normales - en conditions de stress hydrique (= sans eau pendant 6 jours) Les résultats sont donnés en inverse de la vitesse initiale de réaction (1/v). 11/12

12 Bibliographie Thème 1 : Kondo et al., 1998, Journal of Experimental Botany, Vol. 49, No. 329, Maxwell et al., 1999,Plant Physiology, Vol. 121, Nelson and Sage, 2008, Journal of Experimental Botany, Vol. 59, No. 7, Winter 1982, Planta, 154, Meyer et al., Botanique : Biologie et physiologie végétales, Ed. Maloines 2002 Thème 2 : Nelson et al., 2005, Functionnal Plant Biology, 32, Ni et al., 2004, International Immunopharmacology 4, Park S. Nobel, 2006, Annals of Botany 97: Physiological Plant Ecology, Larcher, Ed. Springer, 4ème édition Hopkins, Physiologie végétale, Ed de Boeck Thème 3 : Daniel et al., 1984, Biochemistry Journal 218, Winter et al., 1982, Plant physiology, 69, Taybi et Cushman, 1999, Plant Physiology, vol. 121, Huang et al., 2010, 178, /12