Étude réalisée par : Sébastien CHEYPE Julien COUTHOUIS Émilie FERRIÈRE Jean-Marc HUMBERT

Transcription

1 Étude réalisée par : Sébastien CHEYPE Julien COUTHOUIS Émilie FERRIÈRE Jean-Marc HUMBERT

2 CAPTURE ET DIGESTION DES PROIES CHEZ DROSERA CAPENSIS Introduction La Drosera capensis est une plante herbacée, vivace, atteignant facilement 30 cm de hauteur, hampe florale incluse. Les feuilles de D. capensis sont de forme oblongue-linéaire, rétrécies à la base. Les pétioles sont courts, et mesurent la moitié environ de la longueur du limbe. Toutes ses feuilles sont transformées en pièges semi-actifs à tentacules d'environ 4 cm de long sur 8 mm de large. Ils sont constitués de poils rouges, recouverts d'un mucilage gluant où nous pouvons retrouver des insectes morts et passablement décomposés. Un mucilage est un produit végétal à consistance de gelée formée de polymères de sucres en partie acides et estérifiés, dépourvu de protéines ou en renfermant peu. Le biotope naturel de cette plante se trouve dans la région du Cap, en Afrique du Sud. La D. capensis se développe dans des milieux particuliers, riches en matières organiques, très asphyxiants et donc pauvres en azote minéral : les tourbières. Dans cette étude, nous allons nous consacrer à l étude de la capture et de la digestion des insectes par cette plante. Pour cela nous allons nous baser sur des expériences qui seront complétées par une recherche bibliographique. Nous verrons en premier lieu comment la plante arrive à capturer ses proies puis comment elle les digère et assimile les nutriments ainsi libérés. I Les phénomènes intervenants dans la capture des insectes. Ce qui frappe à l observation d une Drosera capensis est l aspect étrange de ses feuilles. Elles sont recouvertes de poils possédant une excroissance recouverte d une goutte de liquide. On y trouve çà et là des insectes morts. Nous avons cherché à comprendre pourquoi ces insectes morts se trouvaient là. 1 / Les moyens utilisés par D. capensis pour retenir les insectes. Les propriétés collantes du mucilage Le liquide recouvrant les poils de Drosera est très collant, il est appelé mucilage. Nous nous sommes demandés ce qui lui conférait ses propriétés collantes. Nous avons pensé à une éventuelle concentration importante en sucre. Nous avons pour cela recherché la présence de sucre dans le mucilage. Principe de la dissolution Lorsqu'on ajoute des cristaux de sucre dans une solution d'eau pure, ils sont dissous. Mais si la quantité de cristaux ajoutés est trop importante ils ne sont plus dissous, on dit alors que la solution est saturée. Donc, dans un volume d'eau déterminé (v) on ne pourra dissoudre qu'une quantité maximale (m) de cristaux et, au-delà de cette quantité, les cristaux ne seront plus dissous. On pourra alors observer la persistance du sucre dans la solution.

3 Dans une solution de volume (v) composée d'eau et de mucilage de D. capensis dissout (comportant une quantité m'' de cristaux), on ajoute une quantité m' de cristaux qui sera la quantité de cristaux permettant d'atteindre la limite de saturation. La quantité totale des cristaux dans la solution (m'+m'') sera égale à la quantité maximale (m) de cristaux pouvant être dissout dans un volume (v) d'eau. D'autre part, la présence d'une espèce en solution n'agit pas sur la dissolution d'une autre espèce. Cela nous permettra d'étudier plusieurs espèces présentes dans une solution. Application Nous avons choisi d'étudier la composition du mucilage en glucose, fructose et saccharose. Pour cela dans 40ml d'eau pure dans laquelle nous dissolvons du mucilage de la plante, nous ajoutons successivement des quantités de sucres permettant d'atteindre la limite de saturation. Résultats témoins Masse des sucres ajoutés : m (fructose) = 1,345g m (glucose) = 4,502g m (saccharose) = 1,254g Parallèlement dans 40ml d'eau pure, nous diluons le mucilage présent sur 7 feuilles de la plante. Puis nous effectuons la même manipulation que précédemment. Résultats expérimentaux Masse des sucres ajoutés : m' (fructose) = 0,754g m' (glucose) = 4,433g m' (saccharose) = 0,435g La différence entre m et m' est due à la quantité de sucres initialement présents en solution. N'ayant ajouté que du mucilage dans la seconde solution, les sucres proviennent obligatoirement de celui-ci. Le calcul m-m' nous permet de déterminer la masse de sucres m'' apportée par le mucilage : m'' (fructose) = 0,591g m'' (glucose) = 0,069g m'' (saccharose) = 0,819g La grande quantité de sucres présents dans le mucilage lui confère ses propriétés collantes. Il peut asphyxier un insecte en bouchant ses stigmates et il peut aussi l épuiser jusqu à la mort. La très faible teneur en glucose laisse présager que le mucilage n en contient pas et l on doit certainement cette infime quantité à une erreur d appréciation de dosage Présence éventuelle de composés toxiques Nous nous sommes aussi demandé s il ne pouvait pas y avoir, comme dans d autres plantes, un poison dans le mucilage. Une recherche bibliographique nous a informé de la présence de composés cyanogènes dans le mucilage de D. capensis. Nous avons alors réalisé une expérience le mettant en évidence.

4 Expérience On ajoute dans un tube à essai contenant de l eau une goutte de sulfate de cuivre en solution et une goutte de sulfure d ammonium. Il y a formation d un précipité noir. En ajoutant du cyanure ce précipité disparaît. On réalise donc trois expériences ; -Dans un premier tube, on ajoute du mucilage prélevé sur une feuille sans moucheron. -Dans un deuxième tube, on ajoute du mucilage prélevé à proximité d insectes morts. -Enfin on ajoute dans un troisième tube des moucherons morts noyés dans de l eau. On constate la disparition partielle du précipité dans le tube n 2 seulement. Interprétation S il y a disparition du précipité c est dû à la présence de cyanure dans la plante. En effet grâce au témoin 3 nous pouvons exclure la possibilité que ce soit l insecte qui possède du cyanure. De plus les hétérosides cyanogènes sont sécrétés par la plante lorsque qu un insecte se prend au piège. Ce n est pas une présence permanente. Ainsi Drosera capensis est capable de retenir ses proies. Le mucilage est un moyen efficace pour retenir les insectes grâce à ses propriétés collantes et toxiques. 2 / Drosera attire les insectes sur ses feuilles. Nous avons trouvé curieux que les insectes viennent se poser alors que de nombreux congénères soient morts sur cette plante. Nous avons pensé que la plante produisait une substance attirant les insectes. Nous avons déjà mis en évidence la présence de sucre dans le mucilage de D. capensis. Ceci peut être un facteur qui attire les insectes. On remarquera d ailleurs que le mucilage a une composition en sucres très proche de celle du nectar que l on trouve dans les fleurs. Remarque Nous avions voulu essayer de mettre en évidence les sucres par une chromatographie, mais nous nous sommes heurtés à des difficultés avec la plaque de silice. En effet, elle avait subi un traitement la faisant réagir avec les sucres et les rendant ensuite impossibles à révéler. 3 / Les différents facteurs attirant les insectes vers la plante. En raison de son milieu de vie, la Drosera a besoin d une source d azote. L hypothèse de l utilisation d azote atmosphérique peut être exclue de par l absence de nodules tels que dans le haricot. Il lui faut donc une autre source d azote, or les animaux sont la seule source de matières azotées présente en abondance dans son milieu de vie. Pourquoi les insectes s approchent de la plante? Hypothèses - 1 ère hypothèse : le mucilage sécrété par les poils glanduleux est le phénomène attractif principal. -2 ème hypothèse : la plante elle-même sécrète des substances chimiques, comme des phéromones, pour attirer les insectes.

5 Expérimentation Nous avons utilisé une cage cubique dont toutes les faces étaient fermées par une moustiquaire à mailles très fines (pour éviter que les insectes ne s échappent dans toute la pièce) dans laquelle nous avons mis une plante avec mucilage et une autre sans mucilage en présence de drosophiles. Les deux plantes sont elles mêmes protégées par un filet formé d une gaze très fine sur laquelle nous avions pulvérisé de la colle. Le résultat de l expérience est éloquent, aucune Drosophile n est venue se coller sur la gaze de la Drosera sans mucilage alors que 12 Drosophiles, sur la cinquantaine d insectes lâchés, sont venues se coller sur la gaze de la Drosera avec mucilage. Ce résultat nous confirme la première hypothèse. Sachant que c est le mucilage de la Drosera qui attire les insectes nous nous sommes demandés quels caractères du mucilage peuvent attirer les drosophiles. Hypothèses - 1 ère hypothèse : la lumière a un rôle attractif en faisant croire à l insecte que la plante est couverte de rosée. - 2 ème hypothèse : l odorat des insectes est sollicité. Expériences Pour vérifier ces deux hypothèses, nous avons utilisé le même matériel que précédemment sur des plantes avec mucilage. On réalise une des expériences à la lumière et deux autres à l obscurité. Par ailleurs, nous avons installé pour chacune des expériences un témoin, qui consiste-en une coupelle remplie d eau, d un même diamètre que le feuillage de la plante, pour nous permettre d évaluer les insectes qui se colleraient au mucilage par erreur. Là encore une cinquantaine de drosophiles étaient présentes. - Dans la première expérience à l obscurité, nous avons enfermé la plante sous une cuve en verre recouverte de gaze collante. - Dans la deuxième expérience, nous avons juste disposé la plante à l obscurité. - Dans l expérience à la lumière, nous avons disposé la plante seule. Résultats - Pour le pot placé à l obscurité et sous la cuve 2 drosophiles étaient collées sur la gaze et 3 dans le témoin. - Pour le bac placé à l obscurité sans la cuve, seulement 9 drosophiles étaient collées sur la plante et 2 noyées dans le témoin. - Pour le bac placé à la lumière, 24 drosophiles étaient collées sur la plante et aucune dans le témoin. Les résultats sont sans équivoques, les phénomènes optiques sont primordiaux, mais une odeur intervient cependant en partie dans la capture des insectes. En effet par forte chaleur, la plante dégage une douce odeur de miel.

6 Ainsi nous avons pu observer que les insectes étaient attirés à la fois par une odeur et par des phénomènes optiques. Drosera capensis est donc capable d attirer et de retenir les insectes. Le mucilage est utilisé aussi bien comme un moyen d attraction par ses propriétés optiques et sa teneur en sucres mais c est aussi un moyen de rétention par ses propriétés visqueuses et toxiques. II Les phénomènes intervenants dans la digestion des proies. Nous pouvons remarquer que lorsqu un insecte s englue sur la plante, celle-ci s enroule autour de lui. On peut se demander pourquoi la plante se replie. On peut se dire que, de cette façon, la plante réalise une sorte de structure de protection autour de l insecte permettant de réaliser une plus grande surface de contact entre les poils et l insecte. De plus si on observe bien l insecte mort, on se rend compte qu il n en reste que les parties chitineuses. Le phénomène de digestion s il existe doit se dérouler à ce moment-là. La plante vivant sur un milieu très pauvre en éléments azotés il semble normal de s intéresser aux différentes sources d azote contenues dans l insecte. 1 / Recherche de la présence d enzymes. Mode de recherche des protéases Nous allons réaliser une électrophorèse dans le dessein de mettre en évidence ces enzymes. Matériel Pour réaliser cette expérience, nous avons eu besoin du matériel et des produits suivants: -Un générateur de courant -Une cuve à électrophorèse -4 bandes d'acétate de cellulose -Une solution tampon -Colorant : rouge ponceau -Un décolorant : solution d'acide acétique 5% -4 eppendorfs -De l'ovalbumine en poudre -Du mucilage prélevé sur la plante au niveau d insectes englués. -Une pipette -Une éprouvette graduée à 20 ml -De l'eau distillée. Protocole expérimental. On prépare dans un premier temps la solution d'ovalbumine. Pour cela nous prenons la poudre d œuf que nous versons dans l'éprouvette 20 ml. On verse ensuite 20 ml d'eau distillée dans l'éprouvette puis on agite. À l aide de la pipette, on prélève de la solution d'ovalbumine que l'on met dans deux éppendorfs. Ce sont les tubes 1 et 2. On prépare un troisième eppendorf avec en plus du mucilage et enfin dans le dernier tube, on introduit seulement du mucilage.

7 On place ensuite les tubes 2, 3 et 4 dans une étuve à 35 C pendant une demi-heure pour accélérer une éventuelle réaction. Pendant ce temps, on prépare les plaques. Elles sont placées à tremper dans la solution tampon pendant 15 minutes. On les égoutte puis on les place entre 2 feuilles de papier-filtre pour éponger l'excès de tampon. Ces plaques sont ensuite placées dans la cuve remplie de solution tampon jusqu'à mi-hauteur. On dépose un mince échantillon des solutions à tester sur une extrémité des bandes, du côté du pôle négatif, à raison d une bande par tube. On alimente le système durant la migration des protéines. Au bout d une heure on colore les bandes ce qui laisse des bandes rouges correspondant aux différentes protéines présentes. Résultats et interprétation. Comparons les bandes 1 et 2. On constate que pour ces 2 bandes, la protéine a migré sur la même distance. On a confirmation de l effective coloration de la protéine et de plus confirmation qu aucun phénomène d autolyse ne s est produit par passage de la protéine l étuve. Puis on s intéresse à la bande 3, celle qui correspond à la solution contenant les enzymes et la protéine. On constate que la tache est légèrement plus grande et que la protéine a migré en comparaison avec les bandes 1 et 2. Il doit y avoir eut une simplification moléculaire au moins partielle de l ovalbumine. Il y a donc dans le mucilage de Drosera capensis une substance ayant commencé à dégrader la protéine : une enzyme. En revanche, sur la bande 4 on observe aucune bande colorée. Ceci peut s'expliquer par la très faible concentration en enzymes de la solution.

8 . Il y a bien mise en évidence de la sécrétion de protéases par la plante. La chitine n est pas digérée car ce n est pas une protéine. De plus aucune enzyme la digérant n est sécrétée. Cela peut s expliquer par sa nature glucidique et donc pauvre en azote. Mode de recherche d acides nucléases. Une seconde source d éléments azotés se trouve dans les différents acides nucléiques présents au cœur de chaque cellule de l insecte. Une électrophorèse telle que celle employée dans la recherche de protéase aurait suffi, mais la cuve à électrophorèse n aurait pas convenue. Les cuves pour l électrophorèse sont en effet différentes et rares car représentent un investissement élevé. Mais une recherche bibliographique nous a confirmé la présence d enzymes dégradant l ADN et l ARN. Ainsi la Drosera est capable de digérer certaines parties des arthropodes pour en libérer des matières azotées. Mais peut-elle les récupérer immédiatement ou doit elle attendre leur passage dans le sol pour pouvoir les absorber? 2 / L assimilation des nutriments. Pour que l on puisse vraiment parler de plante carnivore et donc de digestion il faut qu il y ait une réabsorption effective des produits de la digestion au niveau des feuilles. Les moyens techniques faramineux nécessaires pour une telle étude n étant pas à notre disposition nous avons réalisé une importante recherche bibliographique. Les résultats de cette recherche nous ont bien montré qu il y avait absorption des produits de la digestion. Des insectes cultivés sur un milieu nutritif comportant des éléments azotés radioactifs ont permis de mettre en évidence le trajet des nutriments dans la plante. Utilisation d une coupe transversale de glande digestive de D. capensis observée au Microscope Electronique à Transmission.

9 Schéma récapitulatif de la digestion. Il y a donc une absorption des nutriments dégagés lors de la digestion. La plante utilise donc les ressources présentes dans l insecte et faisant défaut dans le sol. Drosera capensis est bien une plante carnivore, capable de digérer ses proies à l aide d enzymes et d en soutirer les éléments indispensables à sa survie dans les milieux carencés en azote. Ainsi nous avons pu voir dans cette étude que la Drosera capensis attire les insectes à l aide de phénomènes physico-chimiques variés et les digère ensuite à l aide d enzymes. Les insectes sont attirés grâce à une forte odeur de nectar et de plus sont induits en erreur sur la nature des pièges par des phénomènes optiques les conduisant à croire que la plante est recouverte de rosée. Ces facultés étonnantes pour un végétal chlorophyllien peuvent s expliquer à l aide d une connaissance précise du biotope naturel de cette plante, ainsi que des autres plantes carnivores, milieu très pauvre en azote. Or même si la faible quantité d azote que peut trouver D. capensis dans le sol lui suffit pour sa croissance, elle a besoin de fabriquer de nombreuses protéines lors de sa reproduction. L évolution a permis à ces étranges végétaux de coloniser des milieux jusque-là impropres à de nombreuses plantes. Il serait toutefois bon de se demander si toutes les dépenses énergétiques mises en jeu sont compensées par l apport que tire la plante de ses mœurs carnivores.

10 Remerciements À tout le personnel des laboratoires de biologie et de chimie du lycée M. Montaigne de BORDEAUX qui nous ont toujours aidés à nous procurer le matériel et les produits nécessaires à la réalisation de nos expériences. À M me EBERHARDT, notre professeur de sciences physiques et de chimie qui nous a fourni une documentation importante sur les protocoles de nos expériences. À M r DUPUY, notre professeur de biologie qui nous a donné de nombreux conseils pour rédiger ce TIPE. Enfin à M r PAJOT, notre professeur de biologie de terminale qui nous a aidé pour la réalisation de l électrophorèse. Bibliographie Livret sur les plantes carnivores de l association Dionée. De nombreuses recherches sur Internet et auprès notamment d internautes du forum de discussion sur les plantes carnivores qui nous ont fourni une aide précieuse.