Thème 1 : De la plante sauvage à la plante domestiquée
Quelles sont les caractéristiques des plantes à fleurs leur permettant d’être adaptées à la vie fixée ?
Comment l’organisation des plantes leur permet-elle de réaliser leurs fonctions vitales tout en étant fixées ?
Chapitre 1 : Organisation et développement des plantes à fleurs
I - Adaptations à la vie fixée pour se nourrir
En quoi ces organes sont spécialisés dans les échanges entre atmosphère et plante pour les feuilles et entre sol et plante pour les racines ?
Informations : les échanges entre deux compartiments sont d’autant plus faciles que le rapport surface/volume ou surface/masse est important.
L’épiderme des feuilles et des racines est imperméable à l’air et à l’eau
A. Les surfaces d’échanges avec le milieu
Activité 1: Comparaison des surfaces d’échanges d’une plante et d’un mammifère (témoin)
Bilan : Comparaison des surfaces d’échanges d’une plante et d’un mammifère
* L’absorption d’énergie chez les végétaux se fait au niveau des feuilles (absorption de l’énergie lumineuse) ; elle se fait au niveau de l’intestin chez les animaux (absorption de l’énergie chimique contenue dans les nutriments). Une partie de cette énergie est perdue sous forme de chaleur au niveau de la peau. La surface d’absorption de l’énergie par unité de masse est 2 à 3 fois plus importante chez la plante que chez l’animal
Raison : Energie de la lumière faible par rapport à l’énergie chimique des nutriments =>surface + grande pour capter le max d’énergie
* L’absorption des gaz chez les végétaux se fait au niveau des feuilles (absorption de CO2 pour la photosynthèse) ; elle se fait au niveau des poumons chez les animaux (absorption d’O2 pour la respiration). La surface d’absorption des gaz par unité de masse est 30 à 70 fois plus importante chez la plante que chez l’animal.
Raison : Le CO2 = 0,03% des gaz de l’atmosphère contrairement à l’O2 = 21%. L’augmentation de la surface d’absorption permet d’alimenter correctement la plante en CO2.
* L’absorption de l’eau et des sels minéraux se fait au niveau des racines chez les végétaux ; elle se fait au niveau de l’intestin chez les animaux. La surface d’absorption de l’eau et des sels minéraux par unité de masse est 100 fois plus importante chez la plante que chez l’animal.
Raison : L’animal va chercher l’eau à une source alors que la plante doit puiser l’eau contenue dans la terre.
Point vocabulaire
Ecosystème : ensemble formé par un milieu de vie (biotope), un ensemble d’êtres vivants (biocénose) et les relations qui sont établies entre ces êtres vivants
Respiration cellulaire : voie métabolique permettant la dégradation complète du glucose en présence d’O2
Quelles sont les structures spécialisées dans les échanges entre la plante et l’air ou le sol ?
Comment est assurée la communication entre les parties aériennes et souterraines de la plante ?
B. Structures d’échanges avec le milieu et circulation dans la plante
Activité 2: Rôle des mycorhizes dans les échanges
Point vocabulaire
Mycorhize : organe racinaire des plantes associant des champignons et impliqué dans la nutrition
Respiration cellulaire : voie métabolique permettant la dégradation complète du glucose en présence d’O2
Symbiose : association obligatoire, à bénéfice réciproque, entre deux espèces
Activité 3: Structures d’échanges et vaisseaux conducteurs
Eléments de correction sur l'analyse des documents:
* Doc 12
Plus l’air est sec plus la feuille se referme sur elle-même, on voit que la feuille n’est pas symétrique.
On peut supposer que les surface d’échanges (stomates) sont du côté interne et donc que la fermeture de la feuille limite les pertes en eau.
* Doc 15
On voit une nette corrélation entre le taux d’incorporation du CO2 et l’intensité lumineuse.
Il semble aussi que les stomates soient plus ouverts la journée (mais les barres d’erreur se recoupent)
On sait que le CO2 rentre par les stomates et est utile pour la photosynthèse qui nécessite de la lumière
Donc quand la photosynthèse est possible (lumière) les stomates s’ouvrent ce qui permet l’incorporation du CO2.
* Doc 4
Je vois que la plante survit même si uniquement la partie avec les poils absorbants est dans l’eau (partie supérieur et inférieure de la racine dans l’huile = C).
Je sais que la racine a pour rôle de prélever l’eau. La plante meurt si la partie prélevant l’eau est dans l’huile.
Donc l’absorption d’eau se fait principalement par les poils absorbants.
* Doc 8
Surface racine = p x 100x10-4 x 24 (cm2)
= 0,75 cm2
Surface champi = p x 2,6x10-4 x 2708 (cm2)
= 2,21cm2
=> Même si les filaments sont beaucoup plus petits, ils multiplient par 4 environ la surface d’échange
* Doc 1
Je vois que la sève transportée par le xylème est riche en eau, pauvre en sucres et qu'à l'inverse la sève transportée par le phloème est pauvre en eau, riche en sucres.
Je sais que l'eau est prélevée au niveau des racines, que les sucres sont produits au niveau des feuilles par photosynthèse.
J'en déduis que les vaisseaux du phloème transporte la sève des feuilles vers l'ensemble de la plante (descendent) tandis que ceux du xylème montent depuis les racines.
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Les structures foliaires
- L’organisation de la feuille
La partie aérienne est le siège de la photosynthèse. Elle constitue, grâce aux feuilles et aux stomates, une vaste surface d’échange avec l’atmosphère. Elle assure efficacement l’absorption de dioxyde de carbone et le captage de la lumière indispensables à la photosynthèse.
- Les stomates
Les stomates ne s’ouvrent qu’à la lumière et si la température n’est pas trop excessive, limitant ainsi les pertes d’eau.
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Les structures racinaires
La partie souterraine constitue, grâce aux poils absorbants, localisés sur les racines secondaires, une vaste surface d’échange avec le sol. Elle permet l’ancrage de la plante ainsi qu’une absorption efficace d’eau et d’ions minéraux du sol, également indispensables à la photosynthèse.
L’association symbiotique entre champignons et les racines de certaines plantes augmentent la surface d’absorption au niveau du sol.
L’eau et les sels minéraux sont prélevés dans le sol, au niveau des racines. Dans les feuilles, la photosynthèse permet la production de matière organique. Cette répartition des tâches implique un transport de matières entre les différents organes de la plante.
Comment se réalise la circulation des matières dans une plante à fleurs ?
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La circulation des matières dans les plantes à fleurs
Les matières prélevées dans le milieu extérieur sont distribuées sous forme de :
- De sève brute qui est une solution diluée d’eau et de sels minéraux absorbés dans le sol
- De sève élaborée qui contient les molécules organiques fabriquées dans les feuilles grâce à la photosynthèse
Le transport des sèves dans la plante se fait par deux réseaux de vaisseaux conducteurs (continus dans toute la plante) : vaisseaux du xylème pour la sève brute, vaisseaux du phloème pour la sève élaborée.
Point vocabulaire
Phloème : Tissu spécialisé dans la conduction de la sève élaborée
Sève brute : liquide circulant dans la plante composé essentiellement d’eau et de sels minéraux dissous et prélevé par les racines
Sève élaborée : liquide circulant dans la plante distribuant la matière organique synthétisée par les feuilles aux autres parties de la plante
Stomate : structure qui régule les échanges gazeux au niveau des feuilles
Vaisseau conducteur : tissu spécialisé dans la conduction de la sève brute (xylème) ou de la sève élaborée (phloème)
Xylème : tissu spécialisé dans la conduction de la sève brute
Comment les plantes peuvent-elles s’accommoder à des variations de l’environnement ?
C. Vivre fixée dans des environnements variables
Activité 4: Vivre fixée dans des environnements variables
Selon leur milieu de vie, les plantes présentent des adaptations morphologiques, leur permettant de vivre fixées dans des conditions variées. Elles peuvent s’acclimater à des variations de l’environnement (système racinaire plus ou moins étendu selon richesse du sol)
Point vocabulaire
Dormance : état d’une graine ne pouvant germer si les conditions environnementales ne sont pas réunies
Quelles sont les structures impliquées dans la croissance et la différenciation ?
II - Croissance et différenciation
A. Le développement des plantes à fleurs
Activité 5: Croissance et différenciation
Le développement d’une plante associe multiplication cellulaire par mitoses dans les méristèmes, élongation et différenciation (formation de nouveaux types cellulaires et organogénèse).
On distingue deux types de méristèmes apicaux : à l’extrémité des tiges et à l’extrémité des racines. Le méristème apical de la tige met en place des structures répétitives, les phytomères, constitués chacun d’un fragment de tige, d’une ou plusieurs feuilles et d’un bourgeon axillaire.
Point vocabulaire
Différenciation : phénomène de formation d’organes ou de cellules au fonctions variées
Élongation : augmentation de la taille des organes ou des cellules
Mitose : Etape du cycle cellulaire où une cellule mère se divise en deux cellules filles génétiquement identiques entre elles et à la cellule mère
Organogenèse : formation des organes de la plante
Phytomère : unité constituée d’un fragment de tige, de feuille(s) et d’un bourgeon et répétée de nombreuses fois pour constituer l’appareil aérien d’une plante
Comment une plante s’oriente-t-elle vers la lumière ?
B. Contrôle du développement d’une plante
Activité 6
Comme beaucoup de plantes, les coléoptiles des céréales ont une croissance orientée vers la lumière : on parle de phototropisme. De nombreuses expériences ont permis de montrer le rôle de l’auxine, une hormone végétale, dans ce phénomène (favorise la croissance des cellules). D’autres hormones végétales (gibbérellines, cytokinines…) interviennent également dans la régulation de la croissance des plantes.
Point vocabulaire
Auxine : hormone végétale impliquée dans la croissance des organes végétaux
Phototropisme : croissance orientée vers la lumière
Phytohormone = hormone végétale : molécule produite par les végétaux jouant notamment un rôle dans la croissance et le développement
Chapitre 2 : La plante : productrice de matière organique
I - Du CO2 à la matière organique
Activité 7 : TP1 : Localisation cellulaire de l’utilisation de la lumière et du CO2
TP type ECE
Je vois qu’en présence de lugol et à la lumière, l’intérieur des chloroplastes se colore en bleu-violet alors que ce n’est pas le cas si la plante est maintenue à l’obscurité.
Je sais que la coloration violette met en évidence l’amidon et que celui-ci est un produit de la photosynthèse
J’en déduis que la photosynthèse a lieu dans les chloroplastes.
Activité 8 : Etude du devenir du CO2
Dans le chloroplaste, des réactions permettent l’incorporation et la réduction du CO2. Ceci permet la synthèse de glucose et d’autres sucres variés ainsi d’autres molécules (protéines, lipides…) nécessaires à la vie de la plante.
Elles nécessitent un accepteur de CO2 (fixation assurée par une enzyme : la Rubisco, sur le Ribulose di phosphate), de l'ATP et du coenzyme réduit.
Point vocabulaire
Réduction du carbone : phénomène par lequel les plantes synthétisant des molécules organiques à partir du CO2 atmosphérique
ATP : Adénosine triphosphate, molécule universelle dans le monde vivant, constituée d'un nucléotide (A) et de trois phosphates (P) et dont l'hydrolyse fournit l'énergie nécessaire aux activités cellulaire (cf chapitre muscle)
D'où viennent l'ATP et le coenzyme réduit?
II - Rôle de l’énergie lumineuse (phase claire de la photosynthèse)
Activité 7 : TP2 : La capture et l’utilisation de la lumière chez les végétaux
Les pigments principaux des végétaux chlorophylliens, contenus dans les chloroplastes, sont la chlorophylle a, la chlorophylle b et les caroténoïdes. Ils absorbent principalement la lumière aux longueurs d’onde correspondant au bleu et au rouge. Ces longueurs d’ondes absorbées sont aussi celles qui seront utilisées par les végétaux pour réaliser la photosynthèse.
Point vocabulaire
Chlorophylles : molécules responsables de la couleur verte des végétaux, capables d’absorber la lumière solaire et de la convertir en énergie chimique
Pigments photosynthétiques : molécules (dont les chlorophylles) impliquées dans la conversion de l’énergie lumineuse en énergie chimique au cours de la photosynthèse
Activité 9 : Utilisation de l’énergie lumineuse = phase claire de la photosynthèse
Sous l’effet de l’énergie lumineuse captée par les pigments, les plantes chlorophylliennes réalisent à la lumière la photolyse de l’eau :
Il s’agit d’une réaction d’oxydation car l’eau y perd des électrons. Ces derniers sont captés par des molécules appelées coenzymes, qui passent de l’état oxydé à l’état réduit. Au cours de ce processus, de l’ATP est produit.
Cette énergie chimique (ATP et coenzymes réduits) est utilisée pour synthétiser les molécules organiques.
Equation globale:
Point vocabulaire
Phase claire de la photosynthèse : première étape de la photosynthèse incluant la photolyse de l’eau et permettant la production de coenzymes réduits et de dioxygène
Photolyse de l’eau : réaction d’oxydation de l’eau sous l’influence de la lumière. Elle conduit à la production de dioxygène et d’électrons. Ces derniers réduisent des coenzymes utilisés lors des réactions de synthèse de matière organique.
III - Devenirs et rôles des produits de la photosynthèse
Activité 10 : Rôles des produits de la photosynthèse au sein de la plante
A. Rôle dans la croissance de la plante
Les produits de la photosynthèse sont utilisés par toutes les cellules de la plante notamment pour constituer leur paroi. C’est le cas de la cellulose, qui est le principal constituant de la paroi des cellules. Cette paroi peut être imprégnée secondairement par de la lignine (surtout chez les arbres) provoquant une rigidification qui permet un port dressé et une croissance en hauteur importante.
B. Rôle dans la formation de réserves
Document 7 : Tableau bilan des résultats des différents tests de l’activité 7 – TP3
Certains produits de la photosynthèse sont des substrats énergétiques (ex : amidon dans pdt, lipides dans noix).
Ce stockage de matière organique (amidon, lipides, protéines, saccharose…) sous forme de réserves dans différents organes, permet de résister aux conditions défavorables ou d’assurer la reproduction (dissémination des graines par les animaux).
Point vocabulaire
Cellulose : Molécule polymère de glucose, constituant principal des parois végétales
Lignine : molécule polymère de dérivées d’acides aminés, responsable de la rigidification des parois
C. Importance dans les interactions avec d’autres espèces
Activité 11 : Produits de la photosynthèse et interactions avec les êtres vivants
Les molécules produites par les plantes jouent un rôle important dans leurs interactions avec les autres organismes de leur environnement. Ainsi les tanins jouent un rôle dans la défense contre les champignons ou les animaux herbivores : on parle d’interactions de prédation.
D’autres molécules, comme les anthocyanes, donnent leurs couleurs aux fleurs. Cela peut attirer les pollinisateurs : on parle d’interactions mutualistes.
Comment les plantes se reproduisent-elles?
Chapitre 3 : La reproduction des plantes à fleurs
I - La reproduction asexuée
Activité 13 : La reproduction asexuée
Le reproduction asexuée permet aux plantes de produire des individus génétiquement identiques à elles-mêmes : formation de clone sans intervention donc de la fécondation. Cette reproduction asexuée repose sur la totipotence de certaines cellules végétales qui peuvent se différencier en tige, racine ou feuille. Les organes utilisés pour cette multiplication asexuée sont divers : tubercules, bourgeons de la tige… Les humains utilisent cette capacité pour multiplier rapidement des plantes d’intérêt, c’est le principe du bouturage, du marcottage et de la micropropagation in vitro
Point vocabulaire
Bouturage : technique utilisant la capacité d’une plante à reformer un individu à partir d’une partie de tige, de feuille ou de racine
Totipotence : capacité des cellules végétales à se dédifférencier (par exemple des cellules de tige deviennent des cellules méristématiques lors d’un bouturage)
II - La reproduction sexuée
Activité 12 : TP Dissection florale / diagramme floral
A. Organisation florale et sexualité
- Diagramme floral
Une fleur est constituée d’un certain nombre de pièces stériles (sépales, pétales) et de pièces fertiles (pistil qui contient les ovules floraux (gamètes femelles) et étamines qui contiennent les grains de pollen, vecteurs des gamètes mâles).
Point vocabulaire
Ovaire : structure femelle de la fleur contenant les ovules
Ovule (végétal) : structure interne à l’ovaire contenant les gamètes femelles et se transformant en graine après la fécondation
Pistil : pièce florale constituée constitué d’un ovaire (contenant le ou les ovules), d’un style et d’un stigmate
Activité 14 : Différentes modalités de fécondation
- Fécondation
Dans certains cas, étamines, organe mâle portant le gamète mâle (pollen) et pistil (ovaire) portant l’ovule sont très proches facilitant ainsi la rencontre entre les deux gamètes : autofécondation (possible voire obligatoire chez certaines plantes) (ex : violette).
Dans d’autres cas l'autofécondation est rendue impossible par divers mécanismes d’incompatibilité (maturation différente des pièces fertiles, barrières génétiques, barrières mécaniques…)
=>La pollinisation est ainsi croisée (et assure un brassage génétique : voir partie génétique)
Le pollen déposé sur le pistil germe en produisant un long tube pollinique qui traverse le pistil conduisant le gamète male vers l’ovule.
Les plantes se reproduisent ainsi de façon sexuée. Le pollen, gamète mâle, féconde l’ovule, gamète femelle aboutissant à une cellule œuf.
Point vocabulaire
Pollinisation croisée : pollinisation réalisée entre individus différents
Stigmate : structure recevant le pollen et constituant le support permettant sa germination
Style : structure liant l’ovaire au stigmate
Tube pollinique : structure formée par la germination du pollen et acheminant les gamètes mâles du stigmate aux ovules
Comment permettre la rencontre des gamètes dans le cas d’une pollinisation croisée ?
Activité 15 : Pollinisation et co-évolution
- Pollinisation
Certaines caractéristiques des fleurs permettent le rapprochement des gamètes entre plantes fixées. La pollinisation repose essentiellement sur deux acteurs : le vent (anémogamie) et les animaux (zoogamie) (et en particulier les insectes : entomogamie).
Lorsque la pollinisation repose sur une collaboration animal pollinisateur/plante, cette étroite relation est le produit d’une évolution conjointe des deux partenaires appelée coévolution.
- De la fleur au fruit
Après fécondation, les ovules se transforment en graines et l’ovaire en fruit.
B. Le devenir du fruit et des graines
Activité 16 : La dispersion des graines
Les graines sont dispersées et participent ainsi à la survie et la dispersion de la descendance loin de la plante mère. Cette dispersion est une étape de mobilité dans la reproduction des plantes. Elle repose souvent sur une collaboration animal disperseur / plante (mutualisme), qui est le produit d’une coévolution.
Point vocabulaire
Evolution : modifications de la composition génétique des populations au cours des générations
Graine : structure de dispersion, issue d’un ovule, contenant l’embryon, des réserves et un tégument protecteur
Activité 17 : Germination de la graine
Schéma des étapes de la germination du caryopse d'orge
La graine contient l’embryon d’une future plante qu’elle protège (enveloppe résistante) et des réserves permettant à l’embryon de se développer lors de la germination de la graine.
Chapitre 4 : La domestication des plantes par l’Homme
Comment la domestication des plantes a-t-elle accompagné l’évolution humaine ?
I - De la plante sauvage à la plante domestiquée
La sélection exercée par l'Homme sur les plantes cultivées a souvent retenu (volontairement (en relation avec ses besoins et ses pratiques agricoles) ou empiriquement) des caractéristiques génétiques différentes de celles qui sont favorables pour les plantes sauvages. C’est la domestication. La domestication d’une espèce est un processus de sélection artificielle de caractères génétiques (allèles) réalisé par l’Homme à partir de plantes sauvages. Cette domestication est à l’origine des premières espèces cultivées.
Une même espèce cultivée comporte souvent plusieurs variétés sélectionnées selon des critères différents ; c'est une forme de biodiversité.
Les plantes résultant de ces sélections successives sont de plus en plus dépendantes de l’Homme pour leur survie.
Point vocabulaire
Domestication : processus, reposant principalement sur la sélection artificielle, consistant à favoriser les caractères utiles humains au cours de la reproduction de plantes et d’animaux initialement sauvages
Espèce : ensemble des individus qui se reproduisent entre eux et engendre une descendance fertile
Plante domestiquée : espèce végétale propre à la consommation et cultivée par les humains
Plante sauvage : plante qui vit dans la nature indépendamment des humains
Sélection artificielle : cas particulier de la sélection naturelle, dans laquelle les humains exercent une sélection (un choix) des individus présentant les caractères d’intérêt en favorisant leur reproduction et leur contribution génétique à la génération suivante
Variété : sous ensemble d’une espèce regroupant des individus ayant des caractères phénotypiques semblables. Génétiquement, les variétés peuvent être homogènes si tous les individus ont le même génotype ou hétérogènes s’il existe de la diversité génétique intra-variétale
Qu’en est-il de nos jours ? Quelles sont les techniques qui nous permettent de créer de nouvelles variétés végétales ?
II - Techniques pour produire de nouvelles variétés
Les espèces cultivées présentent de nombreuses variétés (forme de biodiversité – diversité génétique) issues de différentes techniques de sélection (hybridation…). Les biotechnologies (transgénèse, édition génomique) permettent l’introduction rapide de nouveaux caractères et la création de nouvelles variétés.
Point vocabulaire
OGM = Organisme Génétiquement Modifié : organisme dont on a artificiellement modifié le génome, par exemple par incorporation d’un gène d’une autre espèce
La production de graines constitue un enjeu majeur pour nourrir l’humanité
Comment nourrir l’humanité tout en limitant l’impact environnemental des cultures ?
III - Double objectif : nourrir l’humanité – limiter l’impact environnemental
Les processus de sélection et l’évolution des pratiques culturales ont permis d’augmenter la production des plantes cultivées.
L’étude des génomes montre un appauvrissement global de la diversité allélique lors des différents processus de sélection (perte des caractères des ancêtres sauvages, sélection d’un nombre restreint de gènes d’intérêt, abandon de variétés du pays). La perte de certaines caractéristiques des plantes sauvages (défense chimique, capacités de dissémination) et l’extension de leur culture favorisent le développement des maladies infectieuses végétales. Ces fragilités peuvent être compensées par des pratiques culturales spécifiques (utilisation de pesticides, lutte biologique).
L’exploitation des ressources génétiques (introduction de variétés anciennes, et de sélection permet d’envisager la création de variétés à plus faible impact environnemental (réduction des pesticides, des intrants, limitation des ravageurs par lutte biologique). La mise au point de nouvelles méthodes de culture (cultures associées, rotation…) est aussi à l’étude.
Point vocabulaire
Intrants : En agriculture, on appelle « intrants » les différents produits apportés aux terres et aux cultures (les engrais, les produits phytosanitaires, les activateurs ou retardateurs de croissance…)
Humains et plantes domestiquées entretiennent une relation mutualiste : l’humanité est dépendante des cultures végétales pour son alimentation / les plantes cultivées sont dépendantes des pratiques culturales pour leur survie, leur reproduction et l’occupation de nouveaux milieux.
Cette relation a entrainé une modification des caractères génétiques des plantes, mais également des populations humaines, en sélectionnant chez elle les génotypes les mieux adaptés à l’introduction de ces plantes cultivées dans leur régime alimentaire. Ce phénomène caractérise une coévolution.
