La vie fixée chez les plantes. Comment font les plantes pour se développer, vivre et se reproduire alors qu elles sont fixées à leur support? Comment assurent-elles leur nutrition, la reproduction de leur espèce, leurs défenses? I. Adaptation à la vie fixée des plantes à fleur pour assurer leur nutrition TP n 1 ateliers surface d échange (organe) zone d échange (cellule), vaisseaux conducteurs. A. Structure et fonctionnement d une plante (appareil végétatif) Une plante est constituée d un appareil végétatif comprenant des racines ancrée dans le sol et des tiges feuillées se développant en milieu aérien. Cet organisme colonise donc 2 milieux : air et sol. Les feuilles permettent les échanges avec l atmosphère : elles captent l énergie lumineuse, assurent les échanges gazeux (O2 et CO2) avec l atmosphère et sont le lieu principal de la photosynthèse qui permet la fabrication de matière organique (glucides). Les racines permettent les échanges avec le sol : elles permettent l ancrage dans le sol et l absorption d eau et de sels minéraux. B. Des surfaces d échange développées avec l air et le sol. Les plantes étant fixées, elles possèdent des structures particulières leur permettant de subvenir à leurs besoins nutritifs. Les nombreuses feuilles, organes aplatis, forment une très grande surface de capture de la lumière. Elles présentent aussi de très nombreux petits orifices à la surface de leur épiderme, le plus souvent sur leur face inférieure : ce sont les stomates délimités par des cellules encadrant un orifice, l ostiole. Les échanges gazeux avec l atmosphère se réalisent par les ostioles. Photosynthèse dominante sur la respiration le jour (absorption de CO2 et rejet d O2) et respiration uniquement la nuit (inversion des échanges gazeux nets). 1
Les racines des jeunes plantes présentent une zone pilifère portant de très nombreux poils absorbants par lesquels se réalise l absorption de l eau et des sels minéraux du sol. L ensemble de ces poils absorbants constitue donc une énorme surface d échanges entre la plante et le sol par rapport à la taille de la plante. La plante développe des surfaces d échange de grande dimension avec l atmosphère (capture de lumière, échanges gazeux) et avec le sol (prélèvement d eau et de sels minéraux). Ces systèmes d échanges s adaptent aux variations du milieu : les stomates ne s ouvrent qu à la lumière et si la température n est pas excessive, limitant ainsi les pertes d eau. La densité et la longueur des poils absorbants, ainsi que la ramification des racines peuvent augmenter en cas de carence minérale dans le sol. C. Un système conducteur de matière élaboré. L eau et les ions absorbés dans le sol constituent la sève brute de la plante. Elle circule de manière ascendante dans les vaisseaux du xylème. La sève élaborée est riche en molécules organiques (surtout des glucides) et ne contient plus de nitrates. C est la photosynthèse dans les feuilles qui a permis leur fabrication. La sève élaborée est descendante et emprunte les vaisseaux du phloème. Des systèmes conducteurs (xylème et phloème = vaisseaux conducteurs) permettent les circulations de matière dans la plante entre le système racinaire et le système aérien. II. Adaptation à la vie fixée des plantes à fleur pour assurer leur défense. Cours / diaporama / analyse de docs en classe, en atelier? En relation avec leur vie fixée, les plantes ne peuvent pas fuir devant les prédateurs ou se mettre à l abri à l approche de l hiver. Alors se sont développés au cours du temps des mécanismes de défenses contre les agressions du milieu. Des stratégies pour passer l hiver : graines (seule la descendance survie), vie ralentie (la dormance), seules restent certaines structures cachées dans le sol (bulbes, rhizomes) Lutte contre la sécheresse : exemple de l oyat Lutte contre le froid : Lutte contre les prédateurs : adaptation anatomique (épines d acacias, rosiers), molécules toxiques (tanin des acacias contre les koudous) La plante possède des structures et des mécanismes de défense contre les agressions du milieu (sécheresse, froid ), les prédateurs, les variations saisonnières. 2
Quelques adaptations pour éviter la déshydratation La disponibilité en eau est généralement très fluctuante. Plusieurs mécanismes permettent l économie d eau : - La cuticule des feuilles permet de diminuer les pertes hydriques - l ouverture des stomates est contrôlée (ouverture plus faible aux heures les plus chaudes) - certains végétaux (l Oyat) présentent une feuille repliée sur elle-même qui permet de piéger la vapeur d eau et favoriser la formation d une couche d air limite (CAL). Quelques adaptations contre le froid Dans les régions tempérées, la mauvaise saison correspond à l hiver, saison caractérisée par une baisse des températures, une diminution de la photopériode et une diminution de l accessibilité de l eau (si elle est gelée) - Les arbres présentent des tiges très épaissies (troncs et branches) présentant des couches concentriques de bois (les cernes). Ces couches sont formées de cellules creuses (bon isolant thermique) - Lors de l hiver, les feuilles tombent et évitent le gel des feuilles et la désorganisation du végétal. La circulation des sèves est alors fortement ralentie. - Les bourgeons sont protégées par des écailles épaisses et recouvertes de cires (et de propolis) - Les cellules végétales sont capables de s acclimater au froid : elles produisent des protéines limitant les effets du froid et du gel. Cette production est possible lorsque les plantes subissent une diminution progressive de température (pas de changement brutal). - Les plantes herbacées présentent des formes d évitement des conditions défavorables (tubercules, graines, rhizomes ). Quelques adaptations morphologiques contre le broutage De nombreuses plantes présentent des structures limitant le broutage (épines, aiguilles, poils, structures urticantes). Quelques adaptations physiologiques contre le broutage Certaines plantes produisent des molécules répulsives ou des molécules toxiques pour les herbivores. Ex : le menthol produit par la menthe éloigne les sauterelles et les criquets Ex : le tabac produit la nicotine pour intoxiquer les chenilles. Ex : Les acacias sont également capables de produire des grandes quantités de tannins qui ne sont pas digérés par les herbivores (koudous). Dans ce cas, les plantes peuvent même produire des composés volatils (éthylène) détectés par leurs voisins qui se mettent à produire des tannins avant même d avoir été brouté. Quelques adaptations par des relations symbiotiques Dans quelques cas, on a également constaté des symbioses «protectrices». C est le cas de certains acacias qui produisent des bulbes souterrains qui sont colonisés par les fourmis. Lorsqu un herbivore broute l acacia, les fourmis vont attaquer l herbivore. 3
III. Adaptation à la vie fixée des plantes à fleur pour assurer leur reproduction. A. Structure et fonctionnement d une plante (appareil reproducteur). La fleur, organe reproducteur de la plante, est constituée le plus souvent de quatre types d organes disposés sur des cercles concentriques virtuels (= verticille). De l extérieur vers l intérieur de la fleur, on trouve des sépales, des pétales, des étamines et le pistil. Le pistil est l organe femelle contenant les ovules et les étamines sont l organe mâle dont les anthères contiennent les grains de pollen. La mise en place des pièces florales s effectue sous l action de gènes du développement classés en 3 groupes (A, B, C). La mutation de l un de ces gènes entraîne la formation d une fleur anormale (par exemple les mutants Pistillata de l arabette des dames possèdent uniquement des sépales et un très gros pistil. - Les gènes A (AP1, AP2) contribuent à former les sépales - Les gènes A et les gènes B (PI, AP3) contribuent à former les pétales - Les gènes B et les gènes C (Agamous) contribuent à former les étamines - Les gènes C exprimés seuls contribuent à la formation des carpelles. Représentation la plus courante du modèle ABC. Chacune des trois boîtes représente le domaine d'expression et d'action des gènes de classe A, B et C dans les différents verticilles de la fleur. 4
B. Reproduction des plantes à fleur et pollinisation (fécondation). Chez la plupart des plantes, même si la fleur porte les organes reproducteurs mâles et femelles, la fécondation se réalise entre des fleurs portées par des pieds différents. Le rapprochement des gamètes s appelle la pollinisation, elle est dite alors croisée. Les grains de pollen produits par une fleur sont déposés sur le stigmate du pistil de fleurs d autres individus de la même espèce. La pollinisation croisée favorise le brassage génétique au sein d une espèce. La pollinisation peut se faire grâce au vent mais la majorité des fleurs est pollinisée par les insectes. Ces derniers sont attirés par l odeur, la forme, la couleur des fleurs et la présence de nectar. Il y a eu une coévolution entre plantes pollinisées et insectes pollinisateurs. Cela signifie que l organisation des plantes à fleur a évolué conjointement avec les organes des insectes permettant de repérer les fleurs et d y récupérer des ressources nutritives. L avantage sélectif est, pour la plante, une reproduction plus efficace et, pour l insecte, l accès à des ressources supplémentaires. (par exple : corrélation entre la longueur de la trompe de certaines mouches et la profondeur à laquelle se trouve le nectar dans l orchidée qu elles pollinisent). La pollinisation de nombreuses plantes repose sur une collaboration animal pollinisateur/plante qui s est installée au cours de l évolution : on parle de coévolution. C. Reproduction des plantes à fleur et dispersion des graines. A l issue de la fécondation, la fleur se transforme en fruits contenant des graines (= ovule fécondée par spermatozoïde issue du grain de pollen). La dispersion des graines permet la colonisation de nouveaux territoires et est indispensable à la pérennité de l espèce. Elle fait principalement intervenir le vent, l eau, la gravité, les animaux. Ces derniers peuvent les consommer et les rejeter ailleurs dans leurs excréments ou bien elles adhèrent à leur pelage. On note souvent une collaboration entre l animal disséminateur et la plante qui produit les graines. Avec les fruits, l animal accède à une ressource nutritive et la plante est mieux disséminée dans son milieu. La dispersion des graines est nécessaire à la survie et à la dispersion de l espèce. Elle repose souvent sur une collaboration animal disséminateur/plante, produit d une coévolution. 5