Lumière et développement des plantes : phototropisme et croissance

Partie 6 – Chapitre 1 : l’organisation fonctionnelle des plantes
Activité 3 : Le contrôle du développement d’une plante
Activité 3.1. Lumière et développement des plantes
Le mode de vie fixé des plantes les rend très sensibles aux facteurs de l’environnement et à leurs variations. Parmi ces
paramètres environnementaux, la lumière a un rôle majeur en particulier pour la photosynthèse. On cherche à comprendre
l’effet de la lumière sur le développement des végétaux.
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A partir de l’étude des documents fournis, déterminez et proposez une explication à l’effet de la lumière sur
le développement de certaines plantes.
Document 1 : Croissance et lumière
De nombreuses expériences ont été
réalisées avec de jeunes pousses de blé.
Ces dernières sont recouvertes d’un
étui protecteur des feuilles, appelé
coléoptile.
Dans l’expérience ci-contre, les
coléoptiles se sont développés dans des
conditions différentes d’éclairement.
(Source : TermSpé, Belin, 2020)
Document 2 : Origine du phototropisme du coléoptile
(Source : TermSpé, Hachette, 2020)
L’auxine est une molécule hydrosoluble produite et
présente dans l’apex du coléoptile des céréales et au
niveau du méristème apical de la majorité des plantes.
A l’intérieur de la tige, cette hormone végétale migre
des zones éclairées vers les zones moins éclairées.
Document 3 : Mesures de croissance des faces éclairées et non éclairées d’un coléoptile (Source : TermSpé, Belin, 2020)
Des coléoptiles d’avoine sont éclairés unilatéralement pendant 30
secondes. Les coléoptiles témoins sont soumis à un éclairement
isotrope (provenant de toutes les directions).
On mesure l’allongement des faces éclairées et non éclairées du
coléoptile pendant 2 heures.
Partie 6 – Chapitre 1 : l’organisation fonctionnelle des plantes
Activité 3.2. Gravité et développement des plantes (Source : TermSpé, Nathan, 2020)
Le mode de vie fixé des plantes les rend très sensibles aux facteurs de l’environnement et à leurs variations. Parmi ces
paramètres environnementaux, la gravité est un facteur permanent qui affecte les plantes.
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A partir de l’exploitation des documents, montrer l’action de la gravité sur la croissance des racines et à
proposer un mécanisme expliquant cette action.
Remarque : sur l’ensemble des documents ci-dessous, le vecteur gravité est dirigé vers le bas
Document a : Réponse d’une plantule à la gravité
Une plantule de 4 jours est positionnée à l’horizontale. Des photographes sont prises toutes les 90 minutes puis sont
superposées avec différentes couleurs pour produire une seule image présentée ci-dessous.
Document b : Amyloplastes et gravité
A l’extrémité des racines des plantes se trouvent des cellules particulières,
riches en amyloplastes, organites qui stockent l’amidon. Une racine est
placée à la verticale et l’on observe l’une de ses cellules à amyloplastes
(photographie C, schématisée en D, ci-contre).
Puis on pivote la racine de 90° pour la placer à l’horizontale et on observe
la même cellule à différents temps (indiqués en bas à droite, en secondes).
Des expériences complémentaires ont permis de montrer que la
localisation des amyloplastes a une influence sur la distribution des
hormones dans la racine.
N : noyau CW : paroi AM : amyloplastes ER : réticulum endoplasmique
Document c : Gravité et croissance des racines
Des expériences sont réalisées à bord de la station spatiale
internationale sur de jeunes plantules de colza. Celles-ci
sont soumises à l’état de micropesanteur régnant dans la
station (µg : pesanteur valant quelques millionièmes de la
pesanteur terrestre) ou bien grâce à une centrifugeuse, à une
pesanteur identique à la pesanteur terrestre (g).
Document d : Effet de la suppression des cellules à
amyloplastes
On détruit les cellules à amyloplastes des racines et on
place les plantes obtenues dans des boîtes de Pétri
(représentées par des cercles) placées à la verticale. On
repère par un point vert ou rouge la direction de la pousse
de la racine. Le nombre indiqué dans chaque cadran
indique le nombre de racines ayant poussé vers chacun de
ces cadrans.
Partie 6 – Chapitre 1 : l’organisation fonctionnelle des plantes
Document e : Distribution des cytokinines en fonction de l’orientation de la racine
Les cytokinines sont des hormones végétales. Dans les racines, elles empêchent l’élongation cellulaire. La présence de
cytokinines est mise en évidence par une coloration bleue dans une racine placée à la verticale (A) ou dans une racine
placée à l’horizontale pendant 30 minutes (B) ou 60 minutes (C).
Document f : Cytokinines et croissance des racine
Des racines placées à la verticale sont mises en contact avec un bloc de gélose sans cytokinines (A) ou avec un bloc de
gélose contenant 1 µmol/L (B) ou 10 µmol/L (C) de cytokinines. Les photographies sont réalisées 4 heures après le
contact entre les racines et le bloc de gélose.
Rappel : la gélose est une substance gélatineuse
naturelle souvent utilisé comme milieu de culture.
On peut y incorporer différentes substances.
Partie 6 – Chapitre 1 : l’organisation fonctionnelle des plantes
Correction
Activité 3.1. Lumière et développement des plantes
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A partir de l’étude des documents fournis, déterminez et proposez une explication à l’effet de la lumière sur
le développement de certaines plantes.
Document 1 : croissance et lumière
Ce document nous montre que lorsque l’éclairement des coléoptile n’est pas homogène (=éclairement anisotrope), les
coléoptiles grandissent en s’orientant préférentiellement vers la lumière, phénomène appelé phototropisme. Lorsque
l’éclairement est homogène (=éclairement isotrope), la croissance des coléoptiles se réalise verticalement vers le haut.
La répartition de la lumière éclairant les coléoptiles influence donc l’orientation de la croissance de ces tiges.
Document 3 : mesures de croissance des faces éclairées et non éclairées de la tige
Nous pouvons observer que la face non éclairée d’un coléoptile d’avoine a grandi d’environ 1,8 mm en 120 minutes alors
que cette croissance n’atteint que 0,5 mm sur la face éclairée et presque 1,2 mm sur un coléoptile bénéficiant d’un
éclairement isotrope. Ainsi, nous pouvons en déduire qu’un éclairement anisotrope ralentit la croissance de la face éclairée
mais stimule celle de la face non éclairée.
Ce résultat permet d’expliquer les observations des coléoptiles du document 1, soumis à un éclairement
anisotrope. En effet, si la face non éclairée grandit plus rapidement que la face éclairée, alors le coléoptile va
s’incliner vers la lumière.
Document 2 : origine du phototropisme du coléoptile
Les expériences de Darwin nous indiquent que la courbure du coléoptile en réponse à un éclairement anisotrope est
inhibée si l’apex (=sommet) est caché ou coupé. L’apex du coléoptile est donc impliqué dans le phototropisme (croissance
vers la lumière). En revanche, la base du coléoptile n’est pas impliquée puisque la présence d’un cache déposé à la base du
coléoptile ne modifie pas le phototropisme.
Or, la courbure est liée à une élongation plus importante de la face non éclairée par rapport à la face éclairée. Il doit donc
exister une relation entre l’apex et les faces du coléoptile.
L’expérience de Boysen-Jensen nous montre que cette « communication » peut s’effectuer à travers un bloc de gélose qui
laisse passer des molécules de petite taille solubles dans l’eau. Or, ce document nous indique que l’apex des coléoptiles
produit une molécule hydrosoluble appelée l’auxine qui a la propriété de migrer vers les faces non éclairées des tiges.
Enfin, l’expérience de Fritz-Went nous indique que l’auxine stimule la croissance des cellules végétales puisque le dépôt
de cette hormone végétale sur une partie de la tige stimule sa croissance par rapport à la partie de la tige n’ayant pas reçu
d’auxine.
Nous pouvons en déduire que l’auxine produite par le méristème du coléoptile migre secondairement vers la face
non éclairée du coléoptile, induisant une courbure de la tige vers la source lumineuse. Le phototropisme de la tige a
donc pour origine une croissance différentielle des deux faces du coléoptile induite par une répartition hétérogène
de l’auxine.
https://planet-vie.ens.fr/thematiques/manipulations-en-svt/la-morphogenese-vegetale-action-dirigee-des-facteurs-de-l
Partie 6 – Chapitre 1 : l’organisation fonctionnelle des plantes
Activité 3.2. Gravité et développement des plantes
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A partir de l’exploitation des documents, montrer l’action de la gravité sur la croissance des racines et à
proposer un mécanisme expliquant cette action.
Nous cherchons ici à expliquer comment la croissance des racines est soumise à l’effet de la gravité et comprendre donc
pourquoi les racines se développent toujours vers le bas.
Pour cela, nous allons montrer dans un 1 er temps quelle est l’action de la gravité sur la croissance des racines, puis dans
une 2de partie, nous allons chercher à expliquer ce phénomène de croissance orientée des racines.
Tout d’abord, nous voyons que lorsqu’une plantule est positionnée à l’horizontale (document a), sa racine croît vers le
bas. La plante réagit même très rapidement à l’effet de la gravité puisque dès la 90ème minute, un début d’inclinaison est
visible sur la racine.
Cet effet est confirmé par les résultats de croissance racinaire présentés dans le document c. En effet dans ce document,
nous constatons que des racines, soumises à l’état de micropesanteur (µg, gravité d’une valeur équivalent à quelques
millionièmes de la pesanteur terrestre), se développent dans toutes les directions. En revanche, les racines de ces mêmes
graines, soumises à une pesanteur terrestre, se développent dans le sens du vecteur gravité.
Ainsi, à partir de ces documents, nous pouvons confirmer que la croissance des racines est orientée dans le même sens
que la gravité à laquelle elles sont soumises.
Dans les racines, il existe des cellules riches en amyloplastes, organites stockant de l’amidon. Comme le montrent les
photographies du document b, les amyloplastes sont soumis à l’effet de la gravité puisqu’ils se positionnent
systématiquement dans le « bas » de la cellule, même lorsque celle-ci est soumise à une modification de son orientation
(basculement de 90°). Par ailleurs, les résultats fournis dans le document d montrent que les amyloplastes intacts
permettent une croissance orientée des racines. En effet, on constate que lorsque les cellules disposent d’amyloplastes
intacts, les racines des 50 plantes se développent vers le bas (donc dans le sens du vecteur gravité) alors que lorsque les
cellules contiennent des amyloplastes détruits, la croissance racinaire des 50 plantes se réalise dans toutes les directions.
Nous pouvons donc en déduire que l’orientation de la croissance des racines dépend de présence des amyloplastes qui sont
eux même soumis à l’effet de la gravité.
Nous pourrions donc envisager que la gravité provoque une distribution particulière des amyloplastes dans les
cellules racinaires, ce qui va à son tour orienter la croissance des racines.
Un autre facteur régule la croissance racinaire, il s’agit d’hormones végétales, appelées cytokinines.
Tout d’abord, le document f, permet d’illustrer l’effet inhibiteur de ces hormones sur l’élongation cellulaire (information
fournie dans le texte du document e). Nous observons en effet que la face de la racine au contact du bloc contenant des
cytokinines grandit moins que la face opposée, générant alors une courbure de la racine. L’expérience témoin (A) permet
de vérifier que cet effet n’est pas induit par la gélose (remarque : la croissance est provoquée par l’auxine naturellement
produite par les racines mais non présentée ici). L’effet inhibiteur des cytokinines est augmenté lorsque la concentration
hormonale augmente. Les données du document e nous permettent d’établir un lien avec la gravité. En effet, comme le
montrent les photographies de ce document, la répartition de cette hormone semble soumise à la gravité puisque les
cytokinines se concentrent systématiquement dans la partie basse de la racine : c’est le cas pour une racine en position
verticale (image A) ou pour une racine positionnée à l’horizontale (images B et C). Ainsi, nous pourrions envisager que
sous l’effet de la gravité, les cytokinines se concentrent dans la partie la plus basse de la racine, favorisant ainsi une
orientation préférentielle des racines dans le sens du vecteur gravité : si la concentration est homogène dans la
racine, celle-ci grandit verticalement alors que si la concentration est hétérogène, la racine va croître en se
courbant vers le bas.
Enfin, le document b nous apprend que la distribution des hormones est influencée par la localisation des amyloplastes.
Ainsi, nous pourrions envisager que la distribution des hormones dans la racine est soumise aux effets de la gravité par
l’intermédiaire de la localisation différentielle des amyloplastes.
En conclusion, la croissance racinaire est soumise à l’effet de la gravité lorsque les cellules racinaires possèdent des
amyloplastes dont la localisation contrôlerait la répartition des hormones et en particulier celle des cytokinines.
Compte-tenu de l’effet de ces hormones sur l’élongation cellulaire, la répartition des hormones, dépendante de la
localisation des amyloplastes dans les cellules racinaires, régule à son tour l’orientation de la croissance racinaire.