jeudi 12 janvier 2017

THEME 1A. GENETIQUE ET EVOLUTION. La vie fixé (TS)

Une des principales particularités des végétaux est de vivre en ne se déplaçant pas. Cette vie fixée va entraîner toute une série d'adaptation que nous allons tenter d'analyser rapidement.
Grossièrement, une plante est constituée de deux grandes parties, la racine qui est souterraine et la partie aérienne constituée de la tige, des feuilles et de la partie fertile (fleurs, graines et fruits).


Dans un premier temps nous allons étudier comment la plante se nourrit et comment les substances peuvent se déplacer dans le végétal. 

Circulation et échanges dans une plante
Une des expériences les plus simples est de plonger des tiges de céleri avec leurs feuilles dans un colorant vital comme le bleu de méthylène. Sur du céleri très frais, on observe bien le trajet du liquide coloré. Une coupe au niveau d'une tige montre la présence de vaisseaux de très grand diamètre.



Le liquide bleu, constitué d'eau et d'une substance minérale, représente la sève brute qui pénètre dans la plante par les racines. Les vaisseaux qui conduisent la sève brute constitue le xylème. La sève brute a un trajet ascendant.
On peut essayer d'aller plus loin en travaillant sur des coupes fines de tiges (ou de racines) colorées.

Coupes de tige



On peut constater que les vaisseaux conducteurs de sève dans une coupe de tige s'observe à la périphérie de la tige, au niveau de faisceaux, c'est à dire de zones ou sont rassemblés les vaisseaux. dans certain cas, le centre de la tige ne présente plus de tissus : c'est la lacune médullaire. La coloration au carmino-vert permet de voir le xylème en vert. Les tissus roses des faisceaux conducteurs correspondent au phloème. Le phloème conduit la sève élaborée essentiellement constituée d'eau et de glucides.

Coupe de racine


Dans le cas d'une racine, on constate que l'ensemble des tissus conducteurs de sève est réuni dans le cylindre central.

Détail du cylindre central


On peut mettre facilement en évidence la structure des vaisseaux du xylème en dilacérant des vaisseaux d'une feuille de poireau.

Protocole de l'observation des vaisseaux du xylème

On constate que les vaisseaux sont entourés d'épaississements en forme de spirale. On appelle lignine la substance qui forme ces épaississements.


On a vu que la sève élaborée circule dans la plante du bas vers le haut. L'eau et les sels minéraux pénètrent dans la plante par les racines. Celles-ci sont recouvertes de poils absorbants qui augmentent considérablement la surface d'échange avec le sol.

Zone pilifère d'une plantule de radis


On a pu comparer la surface d'échange chez un arbre avec certains organes de l'homme.


Nous avons vu qu'il existait une seconde sève, la sève élaborée, constituée de glucides et d'eau. Les glucides ont pour origine la photosynthèse qui se fait au niveau des feuilles. La sève élaborée a donc essentiellement une circulation descendante. Les deux schémas suivants résument la circulation des sèves dans la plante :



La feuille est donc un organe essentiel de la vie de la plante puisqu'elle est le siège de la photosynthèse. Une coupe transversale de feuille montre la zone de transport des sèves, au niveau de la nervure, constituée de phloème (en rose) et de xylème (en vert)

Coupe transversale de feuille de houx


Détail de la zone de la nervure centrale


Le schéma d'une coupe transversale de feuille permet de mettre en évidence les différents tissus. 


Les épidermes sont des tissus non-chlorophylliens. Les stomates permettent aux gaz qui interviennent dans la respiration et la photosynthèse de pénétrer dans la feuille. Les gaz circulent à travers le parenchyme lacuneux jusqu'au parenchyme palissadique.
Comme tour être vivant, une plante peut subir des agressions de l'environnement, par exemple un stress hydrique lors d'une sécheresse ou un manque de sels minéraux. La plante présente alors des mécanismes de défense.

Les défenses de la plante
Défense contre les stress physiologiques
Lorsqu'une plante subit une faim en azote, le mécanisme de défense de la plante est d'étendre son système racinaire.


Une des adaptation le plus importante des plantes est la lutte contre la sécheresse. Dans ces cas la, la plante doit économiser au maximum son eau. Un exemple caractéristique de nos régions est l'oyat qui est planté pour stabiliser les dunes, notamment dans la zone de Dunkerque. Cette graminée est adapté à la sécheresse (c'est une xérophyte).


La feuille de l'oyat a une structure particulière. Elle se replie de façon à créée une zone protégée de la chaleur et des vents pouvant conserver l'humidité. De plus, les feuilles présentes des cryptes munies de poils permettant de retenir l'eau.


Cependant, la sécheresse des dunes est relative. Lorsqu'une plante pousse en plein désert, elle doit aller beaucoup plus loin dans l'économie d'eau. L'exemple le plus connu de plantes xérophyles est donné par la famille des Cactus.
Les Cactus ne poussent que sur le continent américain (sauf exceptions importées par l'homme ou par les oiseaux migrateurs). L'exemple le plus caractéristique est Echinocactus grusoni (le coussin de belle-mère). Les feuilles sont réduites à des épines qui servent de défense contre les herbivores, la tige se développe pour conserver des réserves en eau et devient la seule partie photosynthétique de la plante.


Les cactus ont, de ce fait, une croissance très lente. Les grands cactus-cierges des déserts mexicains peuvent avoir plusieurs centaines d'années.


La floraison est abondante mais très courte (24 heures) et se produit principalement au moment des averses. Celles-ci entraînent la sortie des insectes et une possibilité de pollinisation pour les plantes. C'est ce qui explique en partie la taille et les couleurs flashy des fleurs de cactus pour attirer les insectes (phénomène de coévolution, voir plus loin dans le chapitre).



En Afrique et dans les zones désertiques de l'Ancien monde, d'autres plantes occupent les niches écologiques des cactus. Il s'agit principalement des Euphorbes cactiformes qui ont la même morphologie que les cactus — feuilles réduites à des épines, tige épaissie et photosynthétique —. On parle de convergence de forme.


Euphorbia canarensis, endémique (étymologiquement "peuplement fixé", qu'on ne trouve que dans cette zone) des îles Canaries



Défense contre les animaux phytophages. Le cas des Acacias




Documents sur les domaties et la symbiose fourmis/acacias




Structure de la fleur, diagramme floral et gènes homéotiques
Toutes les fleurs sont constituées des mêmes éléments :
— une partie stérile, les pétales et les sépales
— une partie fertile, les étamines constituant l'élément mâle et les ovaires, le plus souvent réunis en un pistil, constituant l'élément femelle.


Le diagramme floral est une représentation schématique de l'organisation de la fleur vue de dessus. Elle permet de mettre en évidence la symétrie de la fleur, le nombre de pièces florales et leur position relative, c'est à dire le plan d'organisation de la fleur.


1 — rameau (pas toujours présent)
2 — bractée (pas toujours présente)
4 — sépale
5 — pétale
6 — étamine
7 — pistil

La structure interne du pistil ne peut être observée que par une coupe transversale de celui-ci. Voici, par exemple, une coupe de pistil de lis :


On voit bien la symétrie d'ordre 3 présente chez cette plante. On voit aussi nettement la présence des ovules.
Arabidopsis thaliana (Arabette des dames) est une petite plante qui présente un grand nombre de mutants. Elle est parfois surnommé la "drosophile du règne végétal".

Fleur et diagramme floral d'Arabidopsis thaliana


Fleurs et diagrammes floraux de quelques mutants d'Arabidopsis thaliana


On a étudié le fonctionnement des gènes gouvernant la mise en place de la fleur. On a constaté qu'il existait trois gènes principaux A, B, C qui déterminaient la mise en place des différentes pièces florales. ces gènes sont susceptibles de subir des mutations :


En comparant, la structure des fleurs et les mutations des trois gènes A, B et C, on a pu établir le tableau de relations suivant :


On peut donc constater que des mutations des trois gènes considérés modifient le plan d'organisation des fleurs de l'Arabette des dames. Ce sont donc des gènes homéotiques.

Fécondation, pollinisation, coévolution et dissémination des graines
Lorsque l'appareil végétatif est bien développé, une fleur apparaît. La fécondation de produit lorsqu'un grain de pollen se pose sur le stigmate du pistil et creuse un tube pollinique pour aller féconder l'ovule. Après fécondation, la graine qui en résulte tombe sur le sol et peut germer, donnent une nouvelle plante.


La fécondation peut se faire entre le pollen et l'ovule de la même plante (autofécondation) ou bien par fécondation croisée entre deux plantes. dans ce cas le pollen doit être transporté, par le vent, par les insectes ou parfois par les oiseaux. L'attraction de la plante se fait grâce à la couleur de la fleur et surtout par l'odeur du nectar sucré. 
Un des exemple s les plus étonnants de pollinisation est celui de l'Orchidée comète par le Sphynx de Darwin.

Orchidée comète


En 1862, darwin reçoit des spécimen de l'Orchidée comète. Voici ce qu'il écrit :


On rappelle : 1 pouce = 2,35 cm

Même si l'hypothèse de Darwin est réfutée par la majorité des entomologistes, Alfred Russel Wallace émet la même idée en 1871 :


L'illustration suivante est une création tirée des observations de Wallace. En effet, la première observation de la pollinisation de l'Orchidée comète par un Sphynx date de 1997, plus de 130 ans après que Darwin ait émis son hypothèse !


La courte vidéo suivante permet d'admirer la pollinisation nocturne de l'Orchidée comète pas le Sphynx de Darwin :


L'illustration ci-dessous permet de comparer la longueur de l'éperon de la fleur et la longueur de la trompe du papillon.


On peut donc constater qu'il y a un parallélisme entre l'allongement de l'éperon qui contient le nectar chez la plante et l'allongement de la trompe chez l'insecte : on parle de coévolution.
Si on comprend bien l'avantage pour l'insecte, qui, étant le seul à pouvoir récupérer le nectar de la plante, aura un avantage sélectif sur d'autres (encore la sélection naturelle), l'avantage pour la plante est moins évident.
Pour comprendre le phénomène, des expériences sur une autre orchidée (du fait de la rareté de l'Orchidée comète), Platanthera bifolia (la Platanthère à deux feuilles qui vit en Europe) ont été entreprises


Cette orchidée est pollinisée par un autre papillon de la famille des Sphyngidés, le Sphynx colibri (Macroglossum stellatarum).



On peut donc constater que plus l'éperon de la fleur est de grande taille et plus le taux de pollinisation et de fécondation est élevé. On peut supposé que l'insecte pénètre plus profondément dans la plante, améliorant sa charge en pollen et donc la pollinisation.
D'autres orchidées montrent une stratégie de coévolution différente. C'est le cas du groupe des Ophrys dont la fleur imite la forme et la couleur de l'insecte pollinisateur. Les Ophrys sont caractérisées par la présence d'un pétale appelé labelle qui imite la couleur et la forme d'un insecte et lui sert de piste d'atterrissage.


Ophrys abeille



Ophrys mouche




L'autre période de dissémination pour une plante est celui des graines. Il existe plusieurs stratégies de dissémination des graines.


Un des agents les plus efficaces de dispersion des graines est le vent. C'est le cas de l'érable dont le fruit (samare) se comporte comme un véritable hélicoptère.


D'autres graines de plantes comme la Grande Bardane, possèdent des crochets pour s'accrocher aux poils des mammifères.


Certaines graines, comme celle de l'acacia, sont disséminées par des insectes, ici par la fourmi tropicale Rhytidophora metallica.


Un certain nombre d'expériences ont été menée concernant l'effet de la digestion sur la germination des graines, notamment chez le chimpanzé.


Il est évident que le passage par le tube digestif de la graine est un facteur fondamental assurant la germination. On peut supposer que l'intervention des enzymes digestives est un des facteurs assurant la germination. 
Des expériences similaires ont été entreprises sur la fouine dont on a étudié les excréments.


Excréments de fouine



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