LA MORPHOGENÈSE VÉGÉTALE OU LA MISE EN PLACE DE L'ARCHITECTURE D'UNE PLANTE...2 CHAPITRE I LES MÉCANISMES BIOLOGIQUES FONDAMENTAUX DE L'ÉDIFICATION DU PORT D UN ARBRE... 2 1 / la croissance des pousses...2 A / Mécanisme de croissance à l échelle de l organe : le bourgeon...2 B / Les modèles d'architectures et de morphogenèse des arbres...3 C / Les mécanismes de croissance à l échelle cellulaire : Le méristème du bourgeon...4 D / Modèle de fonctionnement de la croissance végétale...5 2 / La multiplication cellulaire...6 A - La multiplication des cellules méristématiques : La mitose...6 B - La duplication de l'adn lors de l interphase...7 3 - L'allongement cellulaire dans la zone d élongation...8 4 - La différenciation cellulaire : apparition de la paroi cellulaire chez les cellules différenciées...9 CHAPITRE II LE CONTRÔLE DE LA CROISSANCE D UNE PLANTE...10 1 - L influence de la lumière sur la mise en place de la forme d une plante : Le phototropisme... 10 2 - / L influence de l auxine sur l'élongation cellulaire...10 3 - Les molécules impliquées dans la différenciation cellulaire...10 1/10
LA MORPHOGENÈSE VÉGÉTALE OU LA MISE EN PLACE DE L ' ARCHITECTURE D ' UNE PLANTE TP Classification de l architecture d'un rameau d'arbre (Modèle d'un rameau) Fiche de cours : Vocabulaire permettant d'étudier le développement, la croissance, la ramification et l'orientation. C HAPITRE I L ES MÉCANISMES BIOLOGIQUES FONDAMENTAUX DE L ' ÉDIFICATION DU PORT D UN ARBRE Problème : Quels sont les mécanismes fondamentaux de la croissance végétale à l'échelle cellulaire. 1 / LA CROISSANCE DES POUSSES A / Mécanisme de croissance à l échelle de l organe : le bourgeon TP Observation de bourgeon à la loupe binoculaire Diaporama : structure bourgeon Bilan : Les bourgeons sont les organes responsables de la croissance en longueur. Ils ont la caractéristique de produire à chaque nouvelle saison un rameau feuillé qui contiendra lui-même de nouveaux bourgeons, prés à donner eux-mêmes de nouveaux rameaux à la saison suivante et ainsi de suite par un processus itératif, permettant un développement perpétuel. L observation de l anatomie d un bourgeon, révèle que celui-ci est un organe embryonnaire, car il est composé d un embryon de rameau. Au centre du bourgeon, entouré d écailles, se trouve futur rameau sous forme miniature. On y distingue notamment les ébauches de feuilles ou ébauches foliaires s insérant de façon rapprochée sur une ébauche de tige au niveau de nœud. Le entrenoeud sont très courts. Hypothèse : On peut faire l'hypothèse que le développement du rameau se fait principalement par un allongement des entrenoeud lors du débourrement des bourgeons. 2/10
B / Les modèles d'architectures et de morphogenèse des arbres Diaporama : modèle de morphogenèse sur 3 ans - Exercice (Fiche) : études des modèles de Rauh et Leuwenberg - Exercice (Fiche) : étude de l'architecture d'un orme champêtre / Ulmus minor - Exercice (Diaporama) : schématisation sur 3 années d'un modèle de morphogenèse Bilan : On peut présenter les architectures des arbres par des représentations modèles caractérisées par leur développement, leur croissance, leur ramification et leur orientation (voir fiche). Les arbres peuvent ainsi être classsé en référence à un modèle donné. 3/10
C / Les mécanismes de croissance à l échelle cellulaire : Le méristème du bourgeon TP Observation microscopique d un méristème de tilleul Bilan : Le bourgeon est constitué : Diaporama : structure bourgeon - A l extrémité : D une zone reconnaissable par des cellules de petite taille toutes identiques, non différenciées. Cet amas de cellules est appelé le méristème. Les cellules du méristème sont appelées les cellules méristématiques. - En aval du méristème se trouve une zone où l on observe des cellules allongées toutes identiques. Cette zone s appelle la zone d élongation. - En aval de la zone d élongation se trouve une zone où les cellules prennent un aspect différent suivant la position dans la tige. Les cellules ne sont plus toutes identiques, on dit qu elles sont différenciées. Cette zone est appelée la zone de différenciation. 4/10
D / Modèle de fonctionnement de la croissance végétale Diaporama : modèle de croissance On peut proposer un modèle cellulaire de la croissance de l axe en longueur : - Les cellules méristématiques se divisent continuellement pour donner d une part de nouvelles cellules méristématiques (qui perpétuent le méristème) vers le haut. Cette étape permet de conserver indéfiniment le potentiel de croissance du bourgeon. - Ver le bas, les cellules méristématiques s allongent, permettant ainsi l allongement de la tige. A partir de ce moment on arrête de les appeler des cellules méristématiques. - Encore plus en aval, les cellules allongées se différencient. Exercice : Modélisation de la genèse d un arbre à croissance monopodiale, et ramification acrotone orthotrope 5/10
2 / LA MULTIPLICATION CELLULAIRE A - La multiplication des cellules méristématiques : La mitose TP / Figure de mitose dans un méristème d'ail Fiche élève : Schématisation des étapes de la mitose pour une cellule 2n=4 chromosomes Bilan : La division cellulaire ou mitose représente le moment où une cellule, dite, cellule mère se scinde en deux cellules dites, cellules filles. La mitose se caractérise par une séparation de chaque chromatide des chromosomes homologues (voir schéma). Ainsi les deux cellules filles possèdent exactement le même génotype, c est à dire les mêmes chromosomes. La différence entre la cellule mère et les cellules filles est que la cellule mère possède 2n (n=nombre de paires de chromosomes) chromosomes à deux chromatides, tandis que la cellule fille possède 2n chromosomes à 1 chromatide. La mitose se décompose en 4 phases : - Prophase : disparition de la membrane nucléaire, les chromosomes deviennent visibles. - Métaphase : les chromosomes s alignent sur le plan équatorial par le centromère - Anaphase : les chromosomes se déchirent au niveau de leur centromère et les deux chromatides de chaque chromosome migrent vers un pôle opposé de la cellule. - Télophase : les chromosomes à une chromatide se regroupent aux pôles de la cellule. Ils ne sont plus apparents et la membrane nucléaire se reforme. Enfin la cellule se scinde en 2. Référence : livre pages 102/103/105 6/10
B - La duplication de l'adn lors de l interphase Problème : A l'échelle moléculaire : Après la mitose : Comment la cellule duplique t'elle son ADN étant donné qu'elle possède au départ pour chaque chromosome une chromatide formée. Le processus de duplication est il semi conservateur ou conservateur? Exercice / Evolution de la quantité d ADN cellulaire Diaporama : correction_exercice_replication_adn Bilan 1: Le cycle cellulaire d une cellule se décompose en 2 partie : la mitose (de courte durée- voir A1) et l interphase (beaucoup plus longue) L interphase est composée de 3 phases : - la phase G1 (correspondant au développement de la cellule). - la phase S, au cours de laquelle il y a duplication de chaque chromatide et donc duplication de l'adn - la phase G2 qui précède la mitose. Exercice / Expérience de Taylor (Fiche) ou livre p 100 Animations de réplication de l ADN Bilan 2 : La duplication de l ADN, appelée réplication de l ADN est réalisée par une enzyme, l'adn polymérase. Cette enzyme se déplace le long de l'adn et réplique de façon semi conservatrice la molécule d'adn. La réplication de l ADN se fait lors de la phase S de l interphase. La réplication d'un brin d'adn d'une chromatide se fait simultanément en plusieurs endroits visible par autoradiographie (voir page 99) appelé oeil de réplication. Exercice / Expérience de Meselson et stahl (fiche ou p 101) Exercice : Modélisation d un cycle cellulaire d une cellule théorique 7/10
3 - L'ALLONGEMENT CELLULAIRE DANS LA ZONE D ÉLONGATION Problème : On cherche à comprendre le mécanisme cellulaire par lequel les cellules dans la zone d élongation s allongent, permettant ainsi la croissance verticale de la plante. TP Allongement des cellules et pression de turgescence. Cellule à vacuole turgescente (dite aussi cellule turgescente) Cellule à vacuole plasmolysée (dite aussi cellule plasmolysée) Bilan : Les cellules végétales s'allongent suite à une pression exercée de l'intérieur par un organite spécialisé appelé la vacuole. Cette vacuole va se gonfler (on dit alors qu elle est turgescente) jusqu'à se coller contre la paroi de la cellule. Les cellules non différenciées étant déformables, elles vont s allonger. L'observation des cellules d'oignons permet de préciser les mécanismes de turgescence de la vacuole : Celleci se gonfle (en se remplissant d'eau) lorsque le milieu extracellulaire est hypotonique (moins concentré que la vacuole). On remarque l'effet inverse, la vacuole se rétracte (on dit que la cellule est plasmolysée) lorsque le milieu extracellulaire est hypertonique. Les cellules différenciées ne sont pas déformables. La turgescence de la vacuole n entraîne donc pas d élongation cellulaire chez les cellules différenciées, mais seulement sur les cellules jeunes non différenciées. En situation ordinaire, les cellules végétales sont turgescentes. Ce phénomène de migration d eau du milieu hypotonique vers le milieu hypertonique est appelé osmose. 8/10
4 - LA DIFFÉRENCIATION CELLULAIRE : APPARITION DE LA PAROI CELLULAIRE CHEZ LES CELLULES DIFFÉRENCIÉES Problème : Quelle différence y a t'il entre les cellules non différenciées et les cellules différenciées, pour que l'une soit déformable et l'autre ne le soit pas? Exercice : Ultrastructure de la paroi cellulosique des cellules végétales Paroi complexe d une Paroi secondaire cellule différenciée Paroi primaire Bilan : La cellule différenciée se caractérise principalement par une paroi cellulaire rigide La paroi cellulaire est formée d'une structure complexe, composée principalement différents types de glucides. Vers l'intérieur de la cellule on trouve ensuite une paroi primaire (qui commence à se former dès la fin de la mitose) plus ou moins épaisse formée de cellulose structurée en fibrilles désorganisées. Chez les cellules ayant terminées leur différenciation on trouve entre la paroi primaire et la membrane plasmique, une paroi secondaire formée de nombreuses fibrilles de celluloses solidement jointives ayant pour rôle de figer la forme de la cellule. Ainsi une cellule non différenciée (zone d élongation) est déformable car elle ne possède qu une paroi cellulosique primaire élastique, tandis qu une cellule différenciée est indéformable car elle possède en plus de la paroi primaire, une paroi cellulosique secondaire non élastique Glucide ou hydrates de carbone : CnH2nOn (Nombreux radicaux OH) Cellulose : Polymère linéaire de glucose 9/10
C HAPITRE II L E CONTRÔLE DE LA CROISSANCE D UNE PLANTE Problème : Dans quelles conditions les cellules d'une plante passent t'elles d'un état non différencié à un état différencié? 1 - L INFLUENCE DE LA LUMIÈRE SUR LA MISE EN PLACE DE LA FORME D UNE PLANTE : LE PHOTOTROPISME Problème : La lumière peut-elle avoir un effet sur l'élongation cellulaire? Fiche exercice : Le contrôle de la croissance par la lumière : phototropisme Bilan : Les expériences historiques montrent que l'apex d une tige réagit à la lumière en produisant une substance, l auxine (molécule de petite taille). Cette substance va migrer de l apex vers l'aval et provoquer l élongation des cellules. Auxine : notée AIA Acide Indole3 Acétique 2 - / L INFLUENCE DE L AUXINE SUR L'ÉLONGATION CELLULAIRE. Fiche exercice : Les effets de l auxine (AIA) sur les cellules végétales (Docs 1 et 2) Bilan : L'auxine provoque l'élongation d'une cellule végétale en augmentant plasticité de la paroi cellulaire. La paroi devenant plastique, la cellule va être soumise à la pression de la vacuole turgescente (les vacuoles sont spontanément turgescentes chez les cellules végétales). La cellule va donc se déformer. L auxine a également un effet sur l expression des gènes et sur l activité enzymatique des cellules (voir exercice). Cela peut se comprendre car une cellule augmentant de taille va devoir s ajuster en fabriquant de nouvelles protéines (expression des gènes) et donc en modificant l activité des enzymes. 3 - LES MOLÉCULES IMPLIQUÉES DANS LA DIFFÉRENCIATION CELLULAIRE Fiche exercice : Les effets de l auxine (AIA) sur les cellules végétales (Doc 3) Problème : Quels sont les mécanismes moléculaires intervenant dans la différenciation cellulaire Bilan : L expérience montre que l auxine et la cytokinine vont provoquer la différenciation des cellules végétales : Selon la proportion des deux molécules une cellule va se différencier en racine, feuille, tige ou se dédifférencier en cal (tissu végétal indifférencié). On remarque que ces molécules ont des effets pour des concentrations très faible. Ces expériences révèlent la capacité des cellules végétales, même lorsqu elles sont déjà différenciées, à donner naissance à n importe quel autre type cellulaire. On appelle cette capacité : la totipotence. La formation d organe spécialisé (ébauche foliaire ), appelée organogenèse à partir des cellules méristématiques est donc sous le contrôle de molécules telles que l auxine et la cytokinine Cytokinine : 10/10