1.6 Sciences de la vie Génétique et évolution UN REGARD EVOLUTIF SUR LES VEGETAUX Prérequis à mobiliser Alternance de formes dans les espèces végétales, la reproduction végétative, dispersion des graines et de spores, les bases de la reproduction sexuée chez les plantes à fleurs, les besoins nutritifs des végétaux chlorophylliens, photosynthèse, transgénèse Dans ce dossier, nous allons porter un regard évolutif sur les végétaux. Nous nous intéresserons à deux cas : sélection naturelle et sélection artificielle par l Homme. Problématique Comment la sélection naturelle nous permet-elle de comprendre la biodiversité des plantes fixées? Comment la sélection artificielle nous permet-elle de comprendre les spécificités des plantes domestiquées? I. LA VIE FIXEE CHEZ LES PLANTES : UN EXEMPLE DE RELATION ENTRE ORGANISATION & MODE DE VIE I.1. Organisation de la plante > Une vie fixée entre sol et air Sur les continents, la lumière solaire n est présente qu au-dessus du sol (de jour!), tandis que l eau et les nutriments minéraux sont présent essentiellement dans le sol. L humidité de l air ainsi que sa température peuvent subir d importante variation. Des innovations évolutives ont permis aux végétaux terrestres de s adapter à ces contraintes. En vivant fixés à l interface du sol et de l air, ils peuvent profiter des ressources disponibles dans chacun des deux milieux : Les racines ancrent la plante dans le sol et y prélèvent l eau et les ions dont la plante a besoin ; Les tiges et les feuilles se dressent et s orientent, au-dessus du sol, permettant à la plante de capter l énergie lumineuse et d échanger les gaz nécessaires à la photosynthèse. > Grandes surfaces d échange La nutrition des plantes terrestres repose sur des organes spécialisés. Chaque plante dispose d un réseau de racines très longues et très fines. Leur petit diamètre maximalise leur surface de contact avec l eau du sol. Près de leurs extrémités les racines sont recouvertes de poils absorbants, ces derniers démultiplient encore la surface de contact et la capacité du végétal à absorber dans le sol eau et sels minéraux. Chez une céréale comme le seigle, on estime qu il existe 14 milliards de ces poils, assurant à la plante une surface comparable à celle d un terrain de tennis! Plates et fines, les feuilles offrent une grande surface exposée aux rayons du soleil, ces derniers pouvant ainsi atteindre toutes les cellules chlorophylliennes en charge de la photosynthèse, situées préférentiellement du côté de la face supérieure de la feuille. L épiderme des feuilles, recouvert d une cuticule plus ou moins épaisse, est imperméable aux gaz, ce qui protège la plante contre la déshydratation. Cependant, des milliers de petits orifices, les stomates, s ouvrent lorsque les conditions sont favorables à la photosynthèse et permettent les échanges gazeux entre la feuille et l atmosphère. Une fois l épiderme franchi, les gaz circulent au sein des lacunes situées au contact des cellules chlorophylliennes. DOSSIER 16 > UN REGARD EVOLUTIF SUR LES VEGETAUX 1
> Circulation de matières dans une plante à fleurs L approvisionnement en eau et sels minéraux a lieu au niveau des racines tandis que l exposition à la lumière et l approvisionnement en gaz se déroulent au niveau foliaire. Des échanges de matières sont donc indispensables entre les organes souterrains et aériens. Ils s effectuent grâce à un double réseau de tubes : Le xylème / le xylème est constitué de cellules mortes, allongées dont ne subsiste que la paroi latérale, renforcée par des dépôts de lignine. Les tubes de xylème transportent la sève brute (eau et ions minéraux) provenant des poils absorbants, depuis les extrémités des racines jusqu aux organes aériens. Dans les feuilles, les tubes de xylèmes se ramifient abondamment pour apporter eau et sels minéraux aux cellules chlorophylliennes. Le phloème / Il est constitué de files de cellules vivantes, allongées, aux parois de cellulose. Les tubes du phloème transportent la sève élaborée (eau et sucres principalement) depuis les cellules chlorophylliennes photosynthétiques vers tous les organes (racines, bourgeons ). I.2. Structure et mécanismes de défenses > Lutte contre les prédateurs et les pathogènes La vie fixée empêche les plantes terrestres de fuir devant leurs prédateurs. Elles ont développé au cours de leur évolution d autres stratégies de défense, par exemples : Les tiges ou les feuilles peuvent porter des épines ou des poils qui limitent l action des herbivores. Des glandes présentes sur les feuilles de certaines plantes produisent des molécules qui les rendent peut appétissantes (mauvaise odeur, mauvais goût) voire toxiques pour les herbivores. Il existe parfois des relations d entraide entre plantes voisines de la même espèce ainsi que des associations à bénéfices mutuel entre certaines plantes et des espèces nuisibles aux animaux herbivores. (ex : certains acacias entretiennent des relations mutualistes avec des fourmis. Celles-ci font leur nid dans des sortes de bulbes à la base des épines et consomment le nectar produit par l arbre. Lorsqu un herbivore consomme les feuilles, les fourmis lui infligent de douloureuses piqûres.) > Lutte contre les variations des conditions du milieu Les plantes terrestres ont développé au cours de leur évolution de multiples adaptations aux conditions extrêmes de température et d humidité, ainsi qu aux variations journalières ou saisonnières de ces paramètres, par exemple : La présence de poils et d une épaisse cuticule sur les feuilles mais aussi leur capacité à s enrouler sur elles-mêmes constituent des protections contre la sécheresse de l air. Les arbres des régions tempérées résistent au froid hivernal en perdant leurs feuilles, en entrant en vie ralentie et en protégeant leurs bourgeons par d épaisses écailles et/ou leur localisation (au ras du sol ou sur des tiges souterraines). DOSSIER 16 > UN REGARD EVOLUTIF SUR LES VEGETAUX 2
I.3. Reproduction des plantes à fleurs > Organisation de la fleur Chez de nombreuses espèces végétales les organes reproducteurs sont contenus dans une fleur. Malgré une grande variété, on retrouve une même organisation des fleurs en quatre couronnes concentriques (=verticilles). Les deux couronnes extérieures protègent les couronnes d organes reproducteurs situées au centre. De l extérieur vers l intérieur, on a : Les sépales, ils constituent le calice ; Les pétales composent la corolle ; Les étamines sont les organes mâles de la fleur, ils portent les anthères (sacs polliniques) ; Le pistil, organe femelle de la fleur, contient les ovules répartis dans plusieurs loges nommées carpelles. La mise ne place des pièces florales s effectue sous l action de gènes du développement classés en 3 groupes (A, B et C). La mutation d un de ces gènes entraine la formation d une fleur anormale. > De la fleur au fruit Si les grains de pollen produits par les étamines se déposent sur le pistil d une fleur de la même espèce, ils germent et fécondent les ovules contenus dans ce pistil. De nombreuses fleurs sont hermaphrodites (elles possèdent pistil et étamines) et peuvent donc théoriquement s autoféconder. Cependant, une fécondation croisée possède l avantage de produire de la diversité génétique. Au cours de l évolution plusieurs mécanismes empêchant l autofécondation ou favorisant la fécondation croisée ont été sélectionnés. La fécondation croisée impose le transport du pollen. Celui-ci est réalisé par le vent, l eau ou les insectes. Après fécondation, la fleur se transforme en fruit : la paroi de l ovaire forme généralement la paroi du fruit et chaque ovule fécondé forme une graine. > La dispersion du pollen par des animaux résulte d une coévolution La vie fixée et la pollinisation croisée imposent le transport du pollen. Certaines plantes à fleurs sont pollinisées par le vent (anémogamie) ou l eau (hydrogamie). Dans ce cas, les plantes sont le plus souvent de petite taille et émettent une grande quantité de pollen dont les grains sont lisses et très petits. Bonne exposition au vent des étamines et pistils. D autre ont recours à un transport plus spécifique : celui réalisé par les insectes (entomogamie). Ces relations étroites entre insecte et plante à fleur se sont construites au cours de l évolution : o o Les fleurs ont développé des caractères attirant les animaux (odeur, forme, nectar ) Les animaux pollinisateurs ont développé des organes adaptés à l accrochage du pollen (poils, peignes ). Il y a eu coévolution entre plantes pollinisées et insectes pollinisateurs. Les adaptations des deux espèces partenaires s influencent mutuellement. Avantage réciproque : Pour les animaux : accès à des ressources supplémentaires Pour les plantes à fleurs : reproduction plus efficace. Ex : longueur de la trompe de certains insectes et longueur de la fleur à la base de laquelle se trouve le nectar. Ex : pollinisation dépendante d une espèce précise. > Dispersion des graines & coévolution Sans transport, les graines ne peuvent, éventuellement, germer qu au pied de la plante mère. La colonisation de nouveaux milieux est alors limitée et les nouveaux plants subissent la concurrence de leurs parents pour l accès à la lumière et aux ressources du sol. L eau et le vent peuvent transporter les graines, là aussi peuvent intervenir des animaux : Graines ou fruits accrochés sur les poils ou les plumes Consommation de la matière organique des fruits et rejet dans leurs excréments des graines capables de germer Là encore, la collaboration entre animaux disséminateurs et plantes produit souvent une coévolution se traduisant par des relations très spécifiques et étroites entre les deux partenaires. DOSSIER 16 > UN REGARD EVOLUTIF SUR LES VEGETAUX 3
II. LA PLANTE DOMESTIQUEE L utilisation des plantes par l Homme est une très longue histoire, qui commence par la cueillette, se développe avec l agriculture, et se poursuit, aujourd hui, par l utilisation des technologies les plus modernes. En effet, les plantes sont à la base de l alimentation humaine et constituent également des ressources dans d autres domaines (industries textiles et pharmaceutiques, agrocarburant ). Maitriser l exploitation des plantes constitue donc un enjeu majeur pour l humanité. II.1. Domestication des plantes sauvages > De la cueillette à la culture de plantes sauvages Il y a 10 000 ans : long processus conduit certaines communautés de chasseurs-cueilleurs du Moyen Orient, d Amérique centrale, de Chine ou d Indonésie à cultiver des plantes sauvages pour leur alimentations, leurs habits, leur médecine Proche orient : culture des céréales / Amérique : maïs / Asie : riz Les espèces cultivées sont issues de la modification d espèces sauvages par l Homme au cours d un processus de domestication. Domestication : caractérise, chez une espèce végétale ou animale, l acquisition d un certain nombre de caractères héréditaires au contact de l Homme, suite à une sélection artificielle exercée par l Homme. > Des plantes sauvages aux plantes domestiques Isolement progressif des populations naturelles et des plantes cultivées : éloignement génétique progressif. Les pratiques culturales ont produit une sélection artificielle : o Réduction de la diversité génétique naturelle Les plantes à cycle de développement plus lent ne sont pas retenues > homogénéisation des cycles de développement. o Sélection de caractères normalement défavorables pour les plantes sauvages Ex : les graines capables de se détacher seules de la plante mère ont eu moins de chance d être récoltées et semées que celles qui restaient attachées à la plante. > En quelques siècles, ce processus fait apparaitre des plantes génétiquement mal adaptées à la vie sauvage et au contraire bien adaptées à la vie domestique. II.2. Sélection variétale Sélection variétale : Ensemble des techniques ayant pour objectifs l obtention de variétés et de semences améliorées. Conservation des semences des individus qui correspond le mieux aux attentes (fruit de grande taille, résistance, goût, aspect visuel ) > au fil du temps : amélioration des espèces cultivées. Pour chaque espèce cultivée, les critères de sélection ont pu varier dans le temps et les régions. Notons que la sélection naturelle n a jamais cessé de s exercer : effets du sol, climat Exemples : maïs, choux. DOSSIER 16 > UN REGARD EVOLUTIF SUR LES VEGETAUX 4
II.3. Sélection scientifique > La révolution industrielle et la naissance de la génétique bouleversent les pratiques Modernisation agriculture, industrialisation des filières de transformation nécessitent des plantes calibrées, adaptées aux machines. Nécessité d améliorer les rendements pour rentabiliser les machines agricoles et nourrir une population croissante. Les variétés paysannes ne conviennent plus. Début XX : diffusion des lois de l hérédité (découverte en 1866 par Mendel) > permet une sélection scientifique. Sélection des individus intéressant : autofécondation sur plusieurs générations pour aboutir à des lignées pures, stables et homogènes (homozygotes). > Biotechnologie et génie génétiques Production d OGM (organisme génétiquement modifié) par ajout d un transgène d intérêt. II.4. Enjeux contemporains > Enjeux autours de l utilisation des plantes cultivées En un siècle la sélection scientifique a permis l explosion de la productivité des plantes et a rendu les plantes et les récoltes conformes aux attentes de l industrie et des consommateurs. Ce mouvement n est pas fini : la croissance démographique, l occidentalisation des modes de vie nécessitent encore des gains de productivité. Il faut aussi créer des plantes pour de nouveaux usages : dépollution des sols, production agrocarburants, de nouveaux matériaux, médicament > Enjeux autours de l environnement et de la biodiversité cultivée Les nouvelles plantes devront être adaptées aux changements climatiques, aux nécessités d une agriculture plus respectueuse de la santé et de l environnement (réduction consommation eau, engrais, pesticides ). Réduction importante de la biodiversité des plantes cultivées : cela réduit la capacité d adaptation des cultures aux stress climatiques, aux maladies, à la diversité des sols et appauvrit le choix proposé aux cultivateurs, aux transformateurs, et aux consommateurs. C est pourquoi certains agriculteurs souhaitent réhabiliter les variétés paysannes. Ils se heurtent à des difficultés techniques, mais aussi juridiques. > Enjeux autours de la propriété des plantes cultivées La création de nouvelles variétés végétales est une activité très coûteuse. C est pourquoi, depuis une cinquantaine d années, de nouveaux règlements et lois ont été élaborés pour protéger les intérêts des industriels de la semence. Ces textes limitent voire interdisent le commerce et l échange d autres semences que celles produites par les semenciers, ce qui obligent les cultivateurs à se fournir en semence auprès des industriels. Aujourd hui, la protection juridique s étend parfois aux gènes des végétaux. Le statut juridique de la biodiversité cultivée fait débat : sa privatisation est-elle le prix à payer pour que se poursuive le travail de création variétale, ou doit-on la considérer comme un bien commun, héritée de nos ancêtres cultivateurs? Bilan Schéma général de la plane, organisation et fonction de la fleur Sélection génétique des plantes, génie génétique. DOSSIER 16 > UN REGARD EVOLUTIF SUR LES VEGETAUX 5
Ressource PLS Janvier 2013 n 423 Page 17 : les plantes communiquent-elles? Coevolution http://www.evolution-of-life.com/fr/enseigner/coevolution.html Le BO DOSSIER 16 > UN REGARD EVOLUTIF SUR LES VEGETAUX 6
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