1A5. Les relations entre organisation et mode de vie, résultat de l évolution : l exemple de la vie fixée chez les plantes. Introduction Contrairement à la plupart des animaux qui peuvent se déplacer, les plantes ont une vie fixée : elles subissent donc les contraintes du milieu et doivent s adapter aux conditions qu elles rencontrent. Comment l évolution a-t-elle abouti à une organisation de la plante en relation avec sa vie fixée? Comment, dans ce cadre d une vie fixée, la reproduction de la plante est-elle assurée? 1. La plante : des caractéristiques en rapport avec la vie fixée. 1.1 L organisation générale d une plante et les surfaces d échanges. On cherche en premier lieu à examiner l organisation des plantes à fleur, et à voir en quoi cette organisation est adaptée à la vie fixée. * Les poils absorbants sont surtout trouvés aux extrémités des racines. Ce sont des cellules très allongées, qui absorbent les ions minéraux du sol et l eau. Plus les sols sont carencés, plus ils sont longs (idem pour les racines). * Les stomates sont surtout trouvés sur la surface inférieure des feuilles (c est uniquement le cas chez le houx), ce qui évite la dessiccation (adaptation à la vie fixée). La cuticule trouvée à la surface des feuilles de houx est une autre adaptation qui préserve du dessèchement. Les stomates ont un degré d ouverture variable au cours de la journée (fermeture la nuit, minimum d ouverture vers 12-13h, ce qui préserve là aussi du dessèchement) : là encore c est une adaptation à la vie fixée Ce sont les cellules de garde qui règlent l ouverture. L intégration du CO 2 dans les molécules organiques peut être corrélée au degré d ouverture des stomates : les stomates permettent ainsi l entrée du CO 2 dans la feuille (et donc la sortie de gaz comme O 2 et H 2O). Le CO 2 diffuse à l intérieur de la feuille par les nombreuses lacunes visibles sur la CT de feuille, et atteint les cellules des tissus chlorophylliens où à lieu la photosynthèse (dans les chloroplastes où est localisée la chlorophylle, sous l effet de l énergie solaire) : il permet alors la synthèse de molécules organiques. Schéma d un stomate (d après http://svt.ac-dijon.fr). Bilan. Une plante possède (correction de la description morphologique et autres détails) : - Un système racinaire qui l ancre dans le sol. Les racines possèdent une vaste surface permettant à la plante d échanger avec le sol, particulièrement au niveau des poils absorbants (prélèvement de l eau et des sels minéraux nécessaires à la plante dans le sol). - Un système aérien constitué : Des feuilles, qui ont une fonction photosynthétique. Elles élaborent des matières organiques à partir de matières minérales (CO 2) et d énergie solaire. Les feuilles constituent une vaste surface qui permet une capture efficace de la lumière solaire. Les gaz (O 2, CO 2) sont échangés au niveau des stomates, structures à ouverture variable. De la tige, qui porte feuilles, bourgeons et fleur(s) et qui fait le lien entre les différentes parties de la plante. Des fleurs, qui interviennent dans la reproduction de la plante (voir partie 2). L organisation de la plante est donc en rapport avec la vie fixée à l'interface sol/air dans un milieu variable au cours du temps. Comment s effectue la communication entre les différents organes de la plante? http://lewebpedagogique.com/bouchaud 18_TS_1A5_lwp.docx 1
1.2 La communication entre feuilles et racines : les systèmes conducteurs. Portion de tige en coupe transversale (microscope photonique). SVT Tale S Bordas 2012 Portion de racine en coupe transversale (microscope photonique). SVT Tale S Bordas 2012 1= xylème / 2= phloème 1= xylème / 2= phloème Structure schématique de la feuille. http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/photosynthese-cours/02-localisation.htm Il existe deux types de sèves : - la sève brute, riche en eau et ions minéraux. Cette sève transite depuis les racines vers le sommet de la plante dans des cellules vides à gros diamètres et à paroi riche en lignine (sa composition reflète l eau et les ions prélevés au niveau de la racine, mais ces derniers sont en plus grande concentration) ; - la sève élaborée, qui contient de l eau, des ions minéraux, mais surtout des molécules organiques comme le saccharose et autres molécules. Ce sont des molécules qui proviennent de l activité photosynthétique de la plante, et donc des feuilles. La sève élaborée se dirige vers les organes non photosynthétiques (elle peut être descendante ou ascendante). La sève brute transite par les vaisseaux du xylème, alors que la sève élaborée transite via les vaisseaux du phloème. On retrouve ces vaisseaux à la fois dans les racines, les tiges, et les feuilles. Les systèmes conducteurs font ainsi le lien entre les diverses parties de la plante : ils permettent la circulation de matière au sein de la plante Réalisation d un schéma bilan de la plante (à compléter à la suite du TP2). http://lewebpedagogique.com/bouchaud 18_TS_1A5_lwp.docx 2
1.3 La plante possède des structures et des mécanismes de défense. Face aux agresseurs et des prédateurs, la plante peut se protéger par : - des molécules (sécrétion de tanins, morphine, éthylène, nectar) - des structures physiques (poils, épines qui ne sont pas citées ici ) La mauvaise saison correspond souvent à l hiver (c est souvent le cas sous nos latitudes, mais ce n est pas une obligation). Comme indiqué, l arbre est en vie ralentie : pas d activité métabolique de l appareil aérien (l absence de feuilles empêche notamment la réalisation de la photosynthèse), pas de croissance des racines (en même temps, l absence de photosynthèse empêche une réelle synthèse de molécules organiques), pas de circulation des sèves. Par ailleurs les bourgeons qui permettent le redémarrage de l arbre sont en dormance (vie ralentie). Chez d autres plantes, l appareil aérien disparaît à la mauvaise saison, mais la plante ne meurt pas : elle persiste sous forme de rhizome, bulbe, tubercule (qui contiennent tous des bourgeons), ou alors sous forme de rosette (au ras du sol). La plante qui subit les variations saisonnière peut s en protéger en étant en vie ralentie : graines, rhizomes, bulbes, appareil végétatif au repos (chute des feuilles) etc. http://lewebpedagogique.com/bouchaud 18_TS_1A5_lwp.docx 3
Comment, dans le cadre d une vie fixée, la plante se reproduit-elle? 2. La reproduction des plantes. 2.1 L organisation de la fleur Comme toute fleur, la tulipe est constituée de plusieurs verticilles (= pièces florales). Protocole de dissection Réalisation du diagramme floral Représentation La couronne la plus externe est le calice composé de sépales. Ces derniers sont généralement verts mais peuvent parfois être colorés. On les détache pour savoir s ils sont libres ou soudés entre eux. Sur un diagramme floral, des cercles représentent les couronnes de pièces florales. Des croissants blancs représentent les sépales. Si les sépales sont soudés entre eux, on les relie par un trait. Une fois les sépales enlevés, on découvre les pétales. En général colorés, ils forment une couronne plus interne nommée corolle. On détache les pétales pour les compter, comparer leur forme et leur taille et savoir s ils sont soudés ou libres. Une fois pétales et sépales détachés, on observe les étamines, organes reproducteurs mâles. Elles se composent d une tige (ou filet) terminée par des sacs renflés (les anthères) contenant le pollen. On regarde si elles sont sur une seule couronne ou sur deux. On détache délicatement ces étamines pour les compter, les comparer et repérer si elles sont libres ou soudées. Une fois les étamines enlevées, on voit le pistil formé d un ovaire surmonté d un (ou plusieurs) stigmate(s), chargé(s) de recueillir le pollen. L ovaire coupé transversalement et observé à la loupe montre qu il est ici divisé en plusieurs carpelles contenant des ovules. Des croissants noirs représentent les pétales. On respecte les éventuelles différences de tailles entre pétales. Un trait relie les croissants en cas de soudure de la corolle. La position des pétales par rapport aux sépales (alternance) est respectée. On représente les anthères en indiquant leur nombre et leur position. On respecte les différences de taille et on les relie par un trait si elles sont soudées. Sur le diagramme, on place les carpelles au centre. On respecte leur nombre et leur position. On représente également les ovules et leurs attaches. La fleur est formée de quatre couronnes florales ou verticilles, avec de l extérieur vers l intérieur : - les sépales, très souvent non colorés (verts) - les pétales très souvent colorés (rôle indirect dans la reproduction). Sépales et pétales sont les pièces stériles de la fleur. - Les étamines, constituées d un filet et d anthères qui portent le pollen (qui contient les gamètes mâles) - Le pistil, formé de l ovaire renflé à la base et prolongé par un style et un stigmate. L ovaire est découpé en plusieurs carpelles qui portent les ovules (qui contiennent les gamètes femelles). Etamines et pistil sont les pièces fertiles de la fleur. L organisation générale d une fleur est toujours la même (malgré des différences de couleur, de morphologie, du nombre de pièces florales, une éventuelle séparation des sexes ). Comment est contrôlée l organisation de la fleur? http://lewebpedagogique.com/bouchaud 18_TS_1A5_lwp.docx 4
2.2 Les gènes du développement floral. Fleur normale Document 3 page 119 Mutant pistillata Document 4 page 119 Mutant apetala2 Mutant agamous - Gène de la classe A : le mutant apetala-2 présente une mutation d un gène de la classe A. Or ce mutant n a notamment pas de pétales (et deux étamines en trop). Les gènes de la classe A semblent impliqués au moins dans la mise en place des pétales. - Gène de la classe B : le mutant pistillata présente une mutation d un gène de la classe B. Or ce mutant a des pétales transformés en sépales et des étamines transformées en carpelles. Les gènes de la classe B semblent impliqués dans la mise en place des pétales et des étamines. - Gène de la classe C : le mutant agamous présente une triple mutation d un gène de la classe C. Or ce mutant n a notamment pas d étamines et de carpelles, et trop de pétales. Les gènes de la classe C semblent impliqués dans la mise en place des carpelles et étamines. Bilan : modèle ABC B A Sépales C Pétales étamines carpelles Modèle «A B C» de contrôle de la formation des pièces florales Bilan : l organisation florale est contrôlée par des gènes du développement. La combinaison précise de l expression des différents gènes est nécessaire à la formation des différentes pièces florales. Comment le fonctionnement de la fleur permet-il la reproduction dans le cadre d une vie fixée? 2.3 De la fleur au fruit. La fécondation a lieu entre un gamète mâle présent dans le pollen, et un gamète femelle présent dans l ovule : le pollen qui se dépose sur le stigmate germe, et le tube pollinique transporte le gamète mâle jusqu à l ovule. Alors que beaucoup de fleurs sont hermaphrodites, la pollinisation qui peut être entomogame ou anémogame est de préférence croisée, divers processus empêchent une autopollinisation. Une fois le ou les ovules pollinisé(s), ils se transforme en une ou plusieurs graines, alors que l ovaire qui contient le ou les ovules se transforme en fruit. Bilan. À l'issue de la fécondation, la fleur se transforme en fruits contenant des graines. Comment s effectue la pollinisation? 2.4 La pollinisation des fleurs. - Pour les plantes à pollinisation entomogame (= par les insectes), motifs visibles seulement dans le domaine des UV (que certains insectes peuvent percevoir). Elaboration de nectar, source de nourriture pour les insectes. Synthèse d odeurs (molécules olfactives) qui attirent les insectes. Le pollen constitue aussi une source de nourriture pour les insectes (+ motifs d accroche sur les insectes). Pour une pollinisation anémogame (exemple des poacées), le pollen est produit en quantité et est très petit (s envole facilement). Les stigmates qui récupèrent le pollen sont très ramifiés, plumeux, ce qui immobilise les grains de pollen. On constate sur le graphique une corrélation entre la profondeur des fleurs et la longueur du proboscis de l insecte dans les différentes régions : lorsque les corolles sont profondes, les tailles des proboscis des insectes le sont également. Les fleurs semblent sélectionner la taille des proboscis. C est un exemple de coévolution (ensemble de transformations coordonnées de deux espèces en interaction http://lewebpedagogique.com/bouchaud 18_TS_1A5_lwp.docx 5
l une avec l autre.). Certaines plantes sont pollinisées par les insectes (émission d odeurs, de nectar, couleurs pour attirer les insectes), d autres par le vent (pollen léger, en quantité ). Parfois, la collaboration plante/ animal est telle qu on parle de coévolution. Comment se dispersent les graines? 2.5 La dispersion des graines. A 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 peut se faire seule ou en faisant appel à des animaux (transport passif, passage dans le tube digestif) : elle repose ainsi souvent sur une collaboration avec un animal disséminateur. Ainsi, on peut observer une coévolution entre l animal et la plante. Conclusion. Une plante possède des adaptations à sa vie fixée : grandes surfaces d échanges, systèmes conducteurs entre les divers organes, structures et mécanismes de défense. La fleur est l organe de la reproduction : son organisation est contrôlée par des gènes du développement. La pollinisation fait appel à divers mécanismes. Enfin, les graines sont également dispersées par différents moyens. http://lewebpedagogique.com/bouchaud 18_TS_1A5_lwp.docx 6