Séquence 7 Les relations entre organisation et mode de vie, résultat de l évolution : exemple de la vie fixée chez les plantes à graines. Sommaire Chapitre 1. Des adaptations à la vie fixée dans deux milieux différents Chapitre 2. Assurer la reproduction des plantes Synthèse Exercices Glossaire 1
Chapitre 1 A Des adaptations à la vie fixée dans deux milieux différents Pour débuter On nomme par végétal chlorophyllien l ensemble des organismes capables de réaliser la photosynthèse et dont les cellules détiennent une paroi faite de cellulose et des organistes particuliers : les chloroplastes. Parmi tous ces êtres vivants, on retrouve les végétaux aquatiques très largement représentés par les algues et les végétaux terrestres qui comprennent les bryophytes (mousses et hépatiques), les ptéridophytes (fougères), les gymnospermes qui sont des plantes dont les ovules sont nus et les angiospermes qui sont des plantes dont les ovules sont protégés dans des organes spécialisés pour la reproduction, les fleurs. On peut proposer une clé de classification simplifiée des végétaux verts, c est-à-dire des êtres vivants présentant des chloroplastes : ALGUES ROUGES 5500 espèces VÉGÉTAUX VERTS avec de la chlorophylle VÉGÉTAUX a cellulose ALGUES VERTES 3580 espèces ALGUES VERTES 3580 espèces EMBRYOPHYTES Plantes à tiges PLANTES à spores BRYOPHYTES : MOUSSES 15000 espèces PTERYDOPHYTES Plantes à sporanges 9520 espèces PRÈLES FOUGÈRES PLANTES à graines GYMNOSPERMES Plantes à ovules nues 600 espèces ANGIOSPERMES Plantes à fleurs 234000 espèces GINGKOS CONIFÈRES 3
La vie sur Terre a débuté sous l eau il y a 3,5 à 3,8 milliards d années. Et elle s est longtemps limitée à ce milieu où les végétaux trouvent facilement tout ce dont ils ont besoins : eau, sels minéraux, dioxyde de carbone et lumière lorsque les eaux sont limpides. De plus, l eau est un milieu porteur permettant le développement de végétaux mous et dont la reproduction est aquatique. Il faut attendre l Ordovicien supérieur ( 460 à 443 millions d années) pour voir apparaître des plantes qui s affranchissent de l eau pour se développer et se reproduire. Entre 470 et 405 millions d années, les plantes terrestres initialement de type mousse demeurent petites, sans feuilles véritables et présentent un système racinaire réduit. Entre 400 et 385 Ma (Dévonien moyen), les plantes spécialisent leurs structures végétatives avec l évolution des premières feuilles et celle de tissus efficaces pour la conduction des sèves et le support. Elles produisent des tissus de soutien luttant contre la gravité et assurant un port dressé. À cette période, de nombreux groupes tentent l arborescence, parmi eux, on trouve alors des fougères arborescentes. Entre 385 et 370 Ma (Dévonien supérieur), c est l apparition des premières plantes à graines. Ces plantes protègent leurs embryons, aussi appelés semences, dans des graines permettant un affranchissement total du milieu aquatique. Cette graine est souvent contenue dans un fruit. Au cours de cette séquence, nous nous intéresserons plus particulièrement aux plantes à graines : les gymnospermes et les angiospermes. Rappelons que les végétaux chlorophylliens sont des producteurs primaires, on dit qu ils sont autotrophes c est-à-dire capables de fabriquer leur matière organique à partir de substances minérales (CO 2, H 2 O, sels minéraux) et en présence de lumière. Cette nouvelle matière organique produite leur permet d accroître leur biomasse et de faire face à leurs besoins en énergie. Afin de comprendre comment les végétaux peuvent produire leur matière organique il est important de conduire une étude morphologique simple d une plante commune, l épilobe. Document 1 Organisation d un épilobe Chez la plante, on peut distinguer différentes parties : des racines permettant le prélèvement d eau et de sels minéraux des feuilles, organes de la plante assurant la photosynthèse des tiges portant des feuilles. des bourgeons permettant la croissance L ensemble forme l appareil végétatif. Il existe aussi un appareil reproducteur constitué des fleurs. 4
Une des particularités des végétaux est d avoir une croissance durant toute leur durée de vie. Questions Réaliser un dessin d observation correctement annoté. Utiliser l aide n 2 si nécessaire. Décrire la plante, c'est-à-dire l'organisation de ses feuilles, leur insertion sur la tige, le type de racine... Utiliser l'aide n 1 si nécessaire. Donner l organisation commune des plantes du document 1. Représenter, sur votre dessin d observation, les échanges réalisés par un végétal chlorophyllien avec l atmosphère d une part, avec le sol d autre part. Vous obtiendrez alors un schéma fonctionnel. À l aide de vos connaissances acquises dans les classes précédentes, nommer le phénomène au cours duquel est fabriquée la matière végétale. Puis écrire la réaction chimique matérialisant le bilan des transformations aboutissant à la production de matière par un végétal chlorophyllien. 5
Aide n 1 Différents types de racines : a : pivotante, b : tubéreuse, c : fasciculée b a c Type de position des feuilles sur la tige : a : alterne, b : opposé, c : en verticille a b c Éléments d une feuille simple (à gauche) et d une feuille composée (à droite) 6
Aide n 2 : le dessin d observation Le dessin d observation fait partie intégrante de la démarche d observation. Ce n est jamais une copie de ce que l on regarde, mais une explication. Le dessin d observation est donc une interprétation du réel. Mon dessin est réussi si : Il est réalisé au crayon à papier sur une feuille blanche ; Il est centré et assez grand ; Il est soigné, sans trace de rature avec des traits sans discontinuité; Il doit respecter les proportions de ce que l on dessine ; Il doit comporter un titre, des légendes, et si possible, une échelle ; Les traits de légendes sont tracés à la règle, horizontaux sans jamais se croiser ; Les légendes sont alignées. À retenir Toutes les plantes ont une même organisation générale : une tige portant des feuilles et qui est ancrée dans le sol par un système racinaire. René Heller, physiologiste végétal dit ainsi : «La plante a, par rapport à l animal, un terrible handicap : sa fixité. Rivée à la station* où sa semence a germée, la recherche de l eau et de la nourriture, la fuite contre les intempéries, la quête du partenaire sexuel, autant d opérations qui lui sont interdites». * La station vient du latin, qui lui-même vient du verbe : se tenir debout. Quelles sont les adaptations permettant aux plantes à fleur de répondre efficacement aux contraintes imposées par la vie fixée? B Cours Les végétaux vivent donc fixés à l interface du sol et de l air et ils réalisent des échanges avec leur environnement : Absorption de dioxygène et rejet de dioxyde de carbone et vapeur d eau dans l air au niveau des feuilles, Prélèvement d eau et de sels minéraux du sol par les racines. Pour assurer la photosynthèse, les végétaux ont besoin de lumière. Leur port dressé permet à la plante de capter l énergie lumineuse indispensable. L atmosphère et le sol sont des milieux très différents. L un contient les éléments indispensables pour la plante sous forme liquide : l eau et les sels minéraux. L autre est un milieu aérien contenant les éléments nutritifs pour la plante sous forme gazeuse. 7
Malgré cette dualité des milieux, on retrouve des caractéristiques identiques : les ions indispensables à la plante sont très peu concentrés dans l eau du sol tout comme le CO 2 est très dilué dans l atmosphère, puisque que l on ne trouve que 0,039 % de CO 2 dans cette dernière. Il faut donc des structures très spécialisées dans le prélèvement de l eau, des sels minéraux et du dioxyde de carbone par la plante. Quelles sont les réponses biologiques favorisant l absorption des éléments nécessaires au bon fonctionnement des plantes à graines alors que celles-ci sont fixées? 1. Répondre au problème posé par l utilisation d éléments peu concentrés et situés dans deux milieux différents. a. Développer des surfaces d échanges Les feuilles : une interface plante-atmosphère Activité 1 Document 2 Identifier les structures de la feuille à l échelle de l organe, de la cellule permettant des échanges efficaces avec l atmosphère. Ensemble des feuilles prélevées sur un épilobe de 15 jours Questions Réaliser un scan de toutes les feuilles de la plante que vous avez prélevé. Attention : penser à mettre une règle pour avoir une échelle. Dans un moteur de recherche, taper le mot «Mesurim» pour télécharger le logiciel Mesurim. 8
Mesurer la surface foliaire de l épilobe ou de votre plante à l aide du logiciel Mesurim. Pour cela : Aller dans Fichier-Ouvrir et choisir la photo du document 2 ou votre scan. Étape 1 : création et utilisation d une échelle connue. Cliquer dans le menu sur «Image» puis «Créer/modifier l échelle». Dans la fenêtre qui apparaît, sélectionner l option «Échelle à définir». Cocher l option longueur. Tracer sur l image avec la souris, un trait de 1 cm, taille réelle sur votre règle. Compléter alors dans la fenêtre qui s affiche les données manquantes : unité = mm et valeur mesurée = 10. Cliquer sur OK, une nouvelle fenêtre s ouvre, sélectionner «Enregistrer dans le fichier» et taper un nom de fichier explicite puis «OK». Maintenant pour utiliser votre échelle, cliquer dans le menu sur «image» puis «Créer / modifier l échelle». Sélectionner dans le menu déroulant de «Échelle déjà mémorisée», votre échelle. Étape 2 : mesure de la surface. Cliquer sur l icône «mesure» puis «Surface» localisé dans le bandeau de menu du haut, à droite. Dans la fenêtre qui apparaît, sélectionner les 2 options : «alignement sur la couleur de la zone cliquée» et «étend les conditions». Cliquer sur l image sur la surface que vous souhaitez mesurer puis dans la barre de menu en bas à droite sur «mesurer». Les pixels apparaissent alors en couleur différente sur l image et le résultat chiffré apparaît en bas de la fenêtre : nombre de pixels sélectionnés et surface calculée grâce à l échelle définie précédemment. Sachant que l ensemble des feuilles de l épilobe utilisée ici pèse 0,2 gramme, calculer le rapport des surfaces d échanges d une plante sur sa masse. Vous pouvez faire de même avec votre échantillon si vous avez une balance de précision. Document 3 Rapport surface d échange alvéolaire/masse de quelques mammifères Chez les animaux, les échanges gazeux entre l atmosphère et l organisme sont ceux réalisés lors de la respiration. Il y a prélèvement de dioxygène et rejet de dioxyde de carbone. Ces échanges, pour les mammifères, sont réalisés dans les poumons, au niveau d une surface d échange : les alvéoles pulmonaires. 9
Vache Cheval 100 Homme Surface alvéolaire (m 2 ) 10 1 0.1 Souris Rat Hamster Lapin Singe Chien 0.01 Musaraigne 0.001 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 Masse (kg) Document 4 Observation de feuilles observées de face et en coupe transversale À l œil nu, la feuille le plus souvent de couleur verte présente plusieurs parties. Le limbe est relié à la tige par le pétiole et des nervures, prolongement du pétiole dans le limbe, sont des éléments conducteurs assurant l approvisionnement des cellules chlorophylliennes en eau et éléments minéraux. Au microscope optique, une coupe transversale de feuille présente de part et d autre une couche de cellules épidermiques. On distingue ainsi l épiderme supérieur et inférieur. Les cellules chlorophylliennes de la feuille forment un tissu nommé parenchyme. Dans le parenchyme palissadique les cellules chlorophylliennes sont rangées «en palissade», tandis que dans le parenchyme lacuneux, elles ménagent entre elles des espaces, appelés lacunes. 10
Document 4a Coupe transversale de feuille. Microscope optique X40 Document 4b Schéma d interprétation Document 4c Épiderme inférieur de feuille de polypode. Microscope optique X100 Les feuilles étant fines et étalées, elles présentent de grandes surfaces qui pourraient entraîner la déshydratation rapide de la plante. Pour limiter ces pertes d eau, les feuilles sont recouvertes d une fine couche imperméable aux gaz, la cuticule. Les échanges gazeux sont alors limités à de très nombreuses (50 à 500 par mm²) petites ouvertures : les stomates. Un stomate est constitué de deux cellules stomatiques (cellule de garde) qui délimitent l orifice stomatique ou ostiole. Celui-ci s ouvre plus ou moins, selon les besoins. Sous l ostiole se trouve un espace vide appelé chambre sous-stomatique (visible uniquement en coupe transversale de la feuille). 11
Questions Annoter le document 4b à l aide des textes explicatifs. Représenter sur le document 4b le trajet des gaz impliqués dans la photosynthèse et le trajet de la lumière puis réaliser un schéma fonctionnel d un stomate entouré d une petite portion d épiderme et légender ce schéma à l aide des informations trouvées dans le document 4c. Comparer la surface d échange entre l atmosphère et l organisme, quand il s agit d une plante ou d un mammifère. (Documents 2 et 3) En utilisant l ensemble des documents, rechercher les structures qui favorisent les échanges gazeux et l exploitation de la lumière. Votre réponse prendra la forme d un texte organisé et utilisera le vocabulaire scientifique adapté. À retenir Les feuilles sont le lieu de la photosynthèse. Elles prélèvent dans l atmosphère le dioxyde de carbone et la lumière nécessaire à la photosynthèse et rejettent de la vapeur d eau et du dioxygène. Ces échanges entre la plante et l atmosphère sont facilités par la grande surface d échange qu offrent les feuilles, fines et étalées. De très nombreux orifices sont présents à la surface inférieure de la feuille (certaines feuilles portent aussi des stomates sur la face supérieure, mais en moins grande quantité), afin de permettre les échanges gazeux entre les feuilles et l atmosphère : ce sont les stomates. Observons maintenant les structures permettant de prélever l eau et les sels minéraux dans le sol tout en assurant un système d ancrage pour la plante. Les racines : une interface plante-sol Activité 2 Document 5 Document 5a Observer la surface d échange racinaire d une plante Développement du système racinaire du Ray-grass (Lolium multiflorum) Plantules correspondant à 2 jours et à 27 jours de développement. Échelle : une graine de Lolium mesure en moyenne 5 mm. 12
Document 5b Une jeune racine de pois en coupe longitudinale. Observation microscopique X100 Description de la jeune racine de pois : Le premier organe qui apparaît lorsque la graine germe est une racine. Vue à l œil nu, la jeune racine se compose d un axe central dont une partie, proche de l extrémité, est composé de milliers de petits poils. Cette zone est appelée zone pilifère. Vus au microscope, ces «poils» sont des prolongements de cellules de la couche superficielle de la racine. Ces cellules sont spécialisées dans l absorption des substances minérales puisées dans le sol : l eau et les sels minéraux. Document 6 Les zones d absorption de l eau et des ions minéraux chez les végétaux chlorophylliens Chez de nombreuses plantes terrestres, particulièrement chez les plantes herbacées, les racines présentent, au voisinage de leur extrémité, de nombreux poils absorbants formant la zone pilifère. Dimensions d un poil absorbant Estimation du nombre de poils absorbants Estimation de la surface absorbante Diamètre : 12 à 15µm Longueur : 0,1 à 10 millimètres Jusqu à 2000 par centimètre carré chez les graminées soit 14 milliard par plant de seigle Pour un plant de seigle, les poils absorbants assurent une surface de contact avec la solution du sol de 400 m 2 soit l équivalent de la surface d un terrain de tennis 13
Questions Réaliser un schéma annoté d'un poil absorbant Donner les caractéristiques des racines qui facilitent le prélèvement de l eau et des sels minéraux du sol dans la plante. À retenir À l extrémité des racines de la plupart des plantes, on peut observer de nombreuses cellules très fines et allongées (jusqu à 200 cm -2 ), ce sont les poils absorbants. Ils ont un diamètre moyen de 10 micromètres et peuvent mesurer de 0,1 à 10 millimètres de long. Ces poils absorbant permettent d augmenter la surface de contact de la racine avec le sol de 1,5 à 20 fois. La plante est donc constituée de deux parties bien distinctes : La partie aérienne ayant un port dressé, est constituée de la tige, des feuilles et des fleurs. Elle assure en grande partie la photosynthèse, La partie souterraine constituée d un système racinaire très développé ce qui permet un maximum de contact avec le sol afin de prélever plus facilement l eau et les sels minéraux indispensables à la photosynthèse. Comment est contrôlé le développement de la plante permettant la fabrication de grandes surfaces d échanges sol/plante et atmosphère/ plante? Contrôler le développement des surfaces d échanges Activité 3 Document 7 Document 7a Comprendre l action des hormones végétales sur la croissance des végétaux Action des hormones végétales sur le port dressé Port d une plante cultivée à la lumière et à l obscurité Lorsqu une plante se retrouve dans des conditions d éclairement trop faible, celle-ci perd de la couleur verte (par perte de chlorophylle et de chloroplastes), sa croissance en longueur des tiges est exagérée et la croissance et le développement des feuilles sont réduits. On appelle ce phénomène : l étiolement. La croissance exagérée de la tige est une façon pour la plante de rechercher de la lumière. 14
Petite manipulation Vous pouvez réaliser une petite expérience très simple pour mettre en évidence le phototropisme c est-à-dire la capacité des plantes à s orienter par rapport à la lumière : Mettre des graines à germer sur un peu de terreau (gazon, lentille, blé ) Lorsque les pousses ont quelques millimètres de longueurs, les placer dans une boîte en carton percée d un trou sur un côté Penser à arroser régulièrement votre plantation et attendre Observer la croissance de vos plants après une semaine. Sortir les plantes du carton et les observer à nouveau pendant une semaine. Document 7b Action de l auxine sur la croissance de la tige L auxine est une petite molécule qui présente les caractéristiques d une hormone, elle est produite au niveau des zones de divisions cellulaires. Elle agit à distance de son lieu de synthèse et est véhiculée à travers la plante. De plus, l auxine agit à faible concentration sur les cellules, dites cellules cibles. Au-delà d une certaine concentration, l auxine provoque l arrêt de la croissance du tissu végétal. Son nom vient du grec ancien auxien, croître. Des expériences ont été réalisées pour comprendre l influence de la lumière et de l auxine sur la croissance du végétal : Expérience 1 : Coléophile intact éclairé Expérience 2 : L extrémité du coléophile est coupée et éclairée Expérience 3 : L extrémité du coléophile est protégée de la lumière Expérience 4 : De la gélose imprégnée d auxine est posée latéralement sur la section 2 jours de culture 2 jours de culture Document 8 Action des hormones végétales sur le développement du système racinaire : expérience de bouturage Dans la nature, et sans l intervention de l Homme, beaucoup de plante sont capables, à partir d un organe comme une feuille ou une tige, de régénérer des racines. C est le bouturage. 15
Pour faciliter le bouturage, les jardiniers avaient l habitude d utiliser de l eau de Saule, une décoction de Saule. L analyse de cette décoction montra une forte concentration d auxine. eau + sels + sucre Temps eau + sels + sucre + auxine Questions Expliquer par une analyse rigoureuse du document 7 l interaction de la lumière et de l auxine sur la croissance de la tige. Expliquer le rôle de l auxine à l aide des documents 7 et 8. Rappel Une hormone végétale est une substance qui doit remplir plusieurs conditions : être fabriquée par la plante elle-même, donc ne pas être absorbée dans le milieu de vie être active à très faible dose, véhiculer une information à des cellules sensibles à son action, les cellules cibles, dont elle modifie le fonctionnement. 16
À retenir L environnement, tel que l éclairement, agit sur la production d hormones. Ces molécules de petites tailles vont agir à distance de leur lieu de fabrication pour stimuler ou inhiber la croissance végétale et ainsi modifier leur morphologie. La plante 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). Les racines sont le lieu de production de la sève brute contenant uniquement de l eau et des sels minéraux. Cette sève est acheminée jusqu aux feuilles où a lieu la photosynthèse à l origine de fabrication de la sève élaborée constituée d eau, de sucres et d acides aminés issus de la photosynthèse. Les sucres (glucose, fructose et saccharose) et les acides aminés issus de la photosynthèse sont exportés, dans la sève élaborée, jusque : aux cellules non chlorophylliennes, hétérotrophes : racines, cellules des zones de croissance du végétal aux cellules des organes de stockage : les parties de la plante qui survivent à l hiver (racines et troncs), les organes de réserves (tubercules) aux cellules des parties reproductrices (fleurs, graines et fruits) Il faut donc un système assurant le transport de la sève brute des racines vers les feuilles et de la sève élaborée des feuilles vers tout le reste de la plante. b. Un système de communication assure la circulation de matière dans la plante Activité 4 Document 9 Observer les cellules spécialisées dans la conduction des sèves Mise en évidence de la conduction de la sève brute Petite manipulation Il est possible de mettre en évidence la conduction de la sève par une manipulation très simple : Prendre une fleur à pétales blancs Mettre la tige dans de l eau colorée avec une cartouche d encre bleue par exemple Observer la surface des pétales Fleur avant et après expérience 17
Document 10 Dilacération de tige de céleri colorée au rouge congo, observée en microscopie optique X100 Ce procédé permet la mise en évidence des vaisseaux de xylème qui assure le transport de la sève brute. Ce tissu est constitué de cellules mortes dont les parois se transforment progressivement en bois pour donner les vaisseaux annelés et spiralés. X100 Document 11 Observation de coupe transversale de feuille, tige et de racine colorées au carmin-vert d iode Le phloème est un ensemble de petits vaisseaux de diamètre homogène, constitués de nombreuses cellules vivantes accolées ensembles à leur extrémité par une paroi percée de petits trous : le crible. Ces vaisseaux sont colorés en rose par le carmin-vert d iode. Le xylème est constitué de cellules dépourvues de parois transversales (les extrémités). Elles sont jointives l une à l autre pour former des vaisseaux continus pouvant atteindre plusieurs mètres et de diamètre plus ou moins gros. Ces vaisseaux sont colorés en verts par le carmin vert d iode. Document 11a Coupe transversale de tige de genêt. Microscope optique, X100 18
Document 11b Coupe transversale de racine de mercuriale. Microscope optique, X40 X40 Document 12 Coupe transversale de feuille de houx au niveau de la nervure centrale. Microscope optique, X40 et 100 X40 X100 19
Questions Indiquer s il s agit de sève brute ou de sève élaborée visible dans les pétales de la fleur du document 9. Nommer les vaisseaux conduisant ce type de sève à l aide des documents 9 à 11. Sur la coupe transversale de feuille et son détail du document 12, localiser le phloème et le xylème en vous aidant de la coupe transversale de racine et de tige. Justifier votre réponse. Élaborer un tableau de synthèse indiquant : le lieu de formation de la sève brute et élaborée ainsi que leur rôle et les tissus assurant leur transport. Compléter le schéma du plant de haricot, en annotant le lieu de formation de la sève brute et élaborée et les tissus assurant leur transport. Ajouter des flèches légendées indiquant le sens de circulation des sèves brutes et élaborées au sein de la plante. Bourgeon Schéma de jeune plant de haricot Feuille Tige secondaire Tige principale À retenir Des systèmes conducteurs permettent les circulations de matières dans la plante, notamment entre systèmes aérien et souterrain. Le xylème, constitué de cellules mortes est spécialisé dans le transport de la sève brute (eau et sels minéraux). Le phloème, constitué de cellules vivantes assure le transport de la sève élaborée (eau, sucres, protéines dont les hormones). Dans une plante, on distingue donc deux circulations : le mouvement ascendant de la sève brute des racines vers les feuilles qui passe par les vaisseaux du xylème et le mouvement descendant de la sève élaborée des feuilles vers les racines qui passe de cellules en cellules dans le phloème. Racine principale C est l aspiration de l eau par les feuilles qui tire la sève brute jusqu en haut de la plante. En effet, les Racine secondaire feuilles perdent 95 % de l eau prélevée au niveau des racines par évapotranspiration à travers les stomates. La plante rejette ainsi dans l atmosphère la presque totalité de l eau qu elle puise dans le sol. La sève élaborée ne contient donc que 1 % de la quantité d eau véhiculée par la sève brute. 20
2. Une réponse à la variabilité des paramètres du milieu Les paramètres du milieu (température, humidité, richesse en éléments minéraux) sont variables d en endroit à l autre mais également dans le temps (à l échelle d une journée ou d une année) Quelles sont les adaptations des plantes à fleurs qui leur permettent de s affranchir de ces contraintes? a. À l échelle d une journée Activité 5 Document 12 Document 12a Étudier les mécanismes de protection d une forte exposition au soleil La dépression de midi La dépression de midi, chez les végétaux chlorophylliens, correspond à une baisse des performances photosynthétiques aux heures les plus chaudes de la journée. Variation journalière de l intensité de la photosynthèse, avec dépression de midi (Pomme de terre) 40 CO 2 assimilé (mg/100cm 2 /h) 30 20 10 0 4 8 12 16 20 Temps (heures) Document 12b Ouverture des stomates : périodicité journalière (en % de l ouverture maximale). A : journée d automne froide et pluvieuse. B : journée d été chaude et pluvieuse. C : journée d été chaude et sèche. D : journée d été très sèche. 21
% d ouverture des stomates 100 80 60 40 20 B C 0 D A 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 2 4 6 Temps (heures) Questions Expliquer le phénomène de la dépression de midi observée dans le document 12. Des schémas sont attendus. Pour vous aider, utiliser le schéma fonctionnel réalisé dans la question 5 de l activité 1. Expliquer l origine de la baisse de rendement observé au milieu de la journée. Montrer, en utilisant ces documents, que la vie fixée implique des contraintes auxquels les animaux ne sont pas soumis. Pour cela, indiquer la réponse biologique mise en œuvre chez les plantes à fleurs. À retenir De très nombreux orifices sont présents à la surface inférieure de la feuille (certaines feuilles portent aussi des stomates sur la face supérieure, mais en moins grande quantité), afin de permettre les échanges gazeux entre les feuilles et l atmosphère : ce sont les stomates. Selon les besoins de la plante et les conditions du milieu, les stomates peuvent s ouvrir ou se fermer, permettant ainsi les échangent gazeux nécessaires à la vie de la plante tout en préservant la plante de toute déshydratation. 22
b. À l échelle d une année Activité 6 Document 13 Document 14 Étudier des mécanismes assurant le passage de l hiver Les variations du milieu et les risques encourus par la plante Quelques soient les latitudes où nous nous trouvons, il y a toujours alternance de saisons. Dans l hémisphère Nord au niveau de la latitude 46, on trouve quatre saisons : l été, l automne, l hiver et le printemps. En hiver, les températures peuvent atteindre -15 C gelant l eau du sol et la rendant indisponible pour les plantes, le risque pour la plante est alors la déshydratation. En cas de froid intense, les petits vaisseaux des feuilles peuvent geler. Les gaz dissous dans la sève forment alors des bulles d air car ils sont très peu solubles dans la glace formée. Lors du dégel, ces bulles d air grossissent et provoquent l interruption de la circulation de sève. Ce phénomène est appelé embolie hivernale. De plus, si l intérieur des cellules gèle, il y a une dilatation et donc un risque d éclatement de la cellule. Enfin, les cristaux de glace formés endommagent la machinerie cellulaire (organites, protéines,...) Pour prévenir le risque de gel dans les cellules, celles-ci se déshydratent et produisent des substances cryoprotectrices (sucres, protéines) qui abaissent le point de congélation à l intérieur de la cellule. Ce phénomène est mesurable au niveau de l écorce : les cellules se contractent entraînant une diminution du diamètre de l arbre. Lors du dégel, l arbre reprend son diamètre initial, c est un phénomène réversible. Coupe longitudinale de tige de vigne prélevée en hiver, colorée à l aniline. Observation au microscope optique X100 23
Pour éviter les embolies et la déshydratation, la sève élaborée, concentrée en sucres, est stockée dans le phloème et des tissus de stockage. Pour maintenir la sève dans le phloème, la plante fabrique des bouchons de callose qui bouchent le phloème. Ceux-ci seront éliminés au printemps pour permettre à nouveau la circulation de la sève. Document 15 Mécanisme d abscission des feuilles Le pétiole est fragilisé Sous l action du vent les feuilles tombent Auxine Pas d Auxine Éthylène Été jours longs Maintien des feuilles Automne raccourcissement des jours Début d abscission des feuilles Dégradation de la chlorophylle et mise en réserve des produits de dégradation : jaunissement des feuilles En été, les jeunes feuilles produisent beaucoup d auxine rendant moins sensibles les zones d abscission à l éthylène. À l automne, les feuilles plus âgées produisent moins d auxine. Le raccourcissement de la durée des jours et la baisse de température entraîne la production d éthylène par les feuilles. Lorsque l éthylène prédomine dans la zone d abscission cela stimule les cellules à produire des enzymes qui dégradent les parois ; fragilisant ainsi la base du pétiole. Sous l effet du poids de la feuille et du vent, le pétiole se rompt au niveau de cette zone fragilisée, c est l abscission. Question Dans un tableau, faire une synthèse des «stratégies» utilisées par les plantes pour passer la mauvaise saison en fonction des risques encourus par celle-ci. Documents 13 et 15. À retenir La stratégie pour passer l hiver est une réduction d activité après s être protégé de diverses façons. Voici quelques exemples : Les plantes vivaces, qui vivent plusieurs années : Perdent leurs feuilles pour limiter les pertes d eau Mettent les bourgeons, futures nouvelles feuilles, à l abri dans des feuilles spécialisées : les écailles Arrêtent la circulation des sèves : il n y a plus d aspiration foliaire lorsque les feuilles sont tombées et pour éviter des embolies (petites bulles d air dans les vaisseaux empêchant une bonne circulation), des bouchons de callose sont formés en automne dans le phloème. Se cachent dans le sol sous des formes diverses comme de bulbe, rhizome, racines Les plantes annuelles vivant moins de un an, passeront la mauvaise saison sous forme de graine. 24