Chapitre 5 Organisation et mode de vie chez les plantes
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Chapitre 5 Organisation et mode de vie chez les plantes Objectifs généraux L’objectif de ce chapitre est de montrer comment une plante (de type plante à fleurs, c’est-à-dire appartenant aux Angiospermes) est organisée mais aussi se reproduit, ceci en relation avec son mode de vie fixé. En effet, la vie fixée peut poser quelques problèmes biologiques, quelques contraintes : comment se protéger, sans se déplacer, face aux agressions variées du milieu (variations saisonnières, action des herbivores…) ? Comment assurer ses besoins nutritifs tout en étant fixée dans un milieu assez pauvre en substances nutritives ? Enfin, comment le rapprochement des gamètes peut-il se produire chez des plantes de vie fixée ? Comment les descendants sont-ils dispersés ? Notre objectif est de montrer que l’organisation morpho-anatomique, les modes de protection, et la reproduction des plantes sont des adaptations apparues au cours de l’évolution en réponse aux contraintes posées par ce mode de vie très particulier : la vie fixée. Les instructions officielles L’organisation fonctionnelle des plantes (angiospermes) est mise en relation avec les exigences d’une vie fixée en relation avec deux milieux, l’air et le sol. Au cours de l’évolution, des processus trophiques, des systèmes de protection et de communication, ainsi que des modalités particulières de reproduction se sont mis en place. L’objectif de ce thème est, sans rentrer dans le détail des mécanismes, de comprendre les particularités d’organisation fonctionnelle de la plante et de les mettre en relation avec le mode de vie fixé. Progression retenue dans le chapitre Dans un premier temps, nous nous sommes focalisés sur l’appareil végétatif de la plante. Dans l’activité 1, nous avons cherché simplement à présenter l’organisation d’une plante mais aussi quelques mécanismes de protection face aux agressions du milieu. Puis dans l’activité 2, nous avons souhaité démontrer que la plante est une vaste surface d’échanges fixe, selon les propos de Francis Hallé. Enfin dans l’activité 3, nous avons cherché à expliquer la distribution des matières absorbées et synthétisées au sein de la plante. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés à l’appareil reproducteur et à la reproduction des plantes. L’activité 4 présente l’organisation de la fleur et la mise en évidence d’un contrôle génétique de cette organisation sont présentées. Dans l’activité 5, on cherche à comprendre par quelles modalités va s’opérer le rapprochement des gamètes entre plante fixée, vivant forcément à distance, © NATHAN 2012• SVT Term S • Livre du professeur • Chapitre 5 1 sachant que la fécondation croisée est très majoritaire même si les plantes sont le plus souvent hermaphrodites : la pollinisation est présentée, ainsi que ses vecteurs. Enfin dans l’activité 6, une fois la pollinisation assurée, on cherche à comprendre le rapprochement final des gamètes au sein de la fleur pollinisée ; on montre la transformation des ovules en graines et celle des ovaires en fruits puis la dispersion des semences. Proposition de programmation horaire Ce chapitre peut être traité en quelques séances réparties sur 2 semaines : Une première séance de TP permet d’appréhender l’organisation générale de l’appareil végétatif d’une plante, quelques modes de protection de la plante face au milieu (activité 1) mais aussi la très grande étendue de ses surfaces d’échanges avec le milieu (activité 2) ainsi que son système de distribution des matières par les sèves (activité 3). Une seconde séance de TP permet, grâce à une dissection florale, de découvrir l’organisation de la fleur, appareil reproducteur de la plante (activité 4). L’observation d’étamines, de grains de pollen ainsi que la réalisation de coupes transversale et longitudinale de l’ovaire permettent de préciser l’organisation des organes reproducteurs (activité 5). L’observation de photographies ou même de pieds de haricot dont la floraison et fructification sont assez aisées à obtenir au laboratoire permet d’expliquer la transformation des ovules en graines et de l’ovaire en fruit (activité 6). Des documents provenant des activités 4, 5 et 6 permettent de montrer qu’il existe un contrôle génétique du développement floral, des mécanismes variés de pollinisation, une coévolution entre animal pollinisateur et plante pollinisée. © NATHAN 2012• SVT Term S • Livre du professeur • Chapitre 5 2 Activité 1 Organisation et protection d’une plante (p. 96-97) ◗ 1. Les instructions officielles prises en compte Connaissances : Les caractéristiques de la plante sont en rapport avec la vie fixée à l’interface sol/air dans un milieu variable au cours du temps. Elle possède des structures et des mécanismes de défense (contre les agressions du milieu, les prédateurs, les variations saisonnières). Il s’agit d’aboutir à une vue globale de la plante, de ses différents organes et de leurs fonctions. Capacités et attitudes : Conduire une étude morphologique simple d’une plante commune Représenter schématiquement l’organisation d’une plante type et savoir en décrire un exemple. Recenser, extraire et exploiter des informations concernant des mécanismes protecteurs chez une plante (production de cuticules, de toxines, d’épines,etc.). Analyser les modalités de résistance d’une plante aux variations saisonnières. ◗ 2. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports Dans cette première activité, nous avons voulu présenter l’organisation générale de l’appareil végétatif d’une plante ; notre choix s’est porté naturellement sur le pois ou le haricot, plantes très faciles à faire pousser au laboratoire. Nous avons choisi de comparer cette plante herbacée avec une plante ligneuse, ce qui permet de montrer à la fois une unité du plan d’organisation général des plantes mais aussi une certaine variété de types de plantes. De plus, la plante ligneuse permet facilement d’étudier des structures de protection de la plante lors du passage de la mauvaise saison : les bourgeons écailleux. Enfin, parmi les nombreux mécanismes de défense des plantes face aux agressions du milieu telles que les prédateurs et divers parasites, nous avons choisi de présenter deux cas simples de protection : – une défense mécanique (constitutive : présence d’épines ; mais aussi en partie induite : augmentation de la taille des nouvelles épines après broutage) ; – une défense chimique (cas de défense constitutive avec les huiles essentielles sécrétées par de nombreuses plantes de la famille des Lamiacées ou autres…). ◗ 3. Guide d’exploitation : productions élèves attendues 1. Une plante est constituée d’un appareil végétatif comprenant des racines ancrées dans le sol et des tiges feuillées se développant en milieu aérien. © NATHAN 2012• SVT Term S • Livre du professeur • Chapitre 5 3 On peut distinguer des plantes herbacées et ligneuses : – les plantes herbacées comme le pois sont en général de petite taille ; leurs tiges sont souples, chlorophylliennes et peu ramifiées ; – les plantes ligneuses comme le marronnier sont de plus grande taille ; leurs tiges sont rigides, brunes et très ramifiées. 2. Le marronnier conserve en grande partie son appareil végétatif en hiver et possède des mécanismes de protection particuliers contre le froid : – les feuilles du marronnier, organes sensibles au gel et sièges d’une perte d’eau importante, tombent avant l’hiver ; – des bourgeons écailleux constitués d’ébauches de feuilles et d’un massif de cellules embryonnaires, eux, persistent sur les branches dénudées : ils sont protégés par des écailles brunes, coriaces et recouvertes d’une cire imperméable, la propolis ; ils contiennent de la bourre (nombreux poils épidermiques) emprisonnant de l’air, réalisant une protection mécanique et thermique ; enfin les cellules vivantes (massif de cellules embryonnaires ou méristème apical caulinaire) sont en vie ralentie et sont acclimatées au froid. 3. Les épines longues et pointues de l’acacia ont une certaine action dissuasive sur les antilopes. Elles constituent donc un moyen de défense (ce mode de défense étant présent en permanence sur la plante, c’est une défense constitutive) ; de plus, on constate expérimentalement que la longueur moyenne des nouvelles épines produites après broutage est très supérieure à celle des épines avant broutage : le broutage déclenche donc une réponse de défense (il s’agit d’une défense induite) qui dissuade encore plus les antilopes. 4. Parmi les différentes sources d’alimentation proposées à un lot de criquets, on constate que ceux-ci ont consommé préférentiellement des feuilles d’orge germé (15 % de la masse de feuilles ont été consommés) par rapport à des feuilles de menthe (6 % de la masse de feuilles de menthe ont été consommés) ou par rapport à des feuilles d’orge aspergées de menthol (7 % de la masse des feuilles ont été consommés). Certaines plantes, comme la menthe, ont un effet répulsif vis-à-vis des herbivores. On obtient des résultats similaires avec le menthol, huile essentielle extraite de la menthe ; on peut donc penser que la sécrétion de menthol par la plante est un mode défense chimique (défense constitutive). Remarque 1 : On précise que, dès qu’on installe le vivarium avec les deux lots de feuilles, les criquets sont très majoritairement présents sur les feuilles d’orge et beaucoup moins sur les feuilles aspergées de menthol, ou sur les feuilles de menthe : l’effet répulsif de la menthe et du menthol sont directement visibles sur le plan qualitatif. Pour obtenir de meilleurs résultats quantitatifs, il faudrait priver les criquets pendant quelques jours de nourriture et installer les feuilles non pas à plat mais disposées verticalement dans un petit bécher. © NATHAN 2012• SVT Term S • Livre du professeur • Chapitre 5 4 Remarque 2 : La menthe est une Angiosperme de la famille des Lamiacées (anciennes Labiées), comme la lavande, la sauge, le thym, le romarin… ; dans cette famille, de nombreuses plantes sécrètent des huiles essentielles. 5. Les plantes fixées dans le sol ne peuvent se mettre à l’abri du froid lors de l’hiver par exemple, ni des prédateurs comme les herbivores. Au cours de l’évolution, sont apparus des mécanismes de défense variés face aux agressions externes : – des structures et des mécanismes physiologiques de résistance au froid ; – des structures et des mécanismes de défense d’ordre mécanique (épines…) ; – des mécanismes de défense chimique. Document alternatif (manuel numérique enrichi) Une protection chimique 1. Le gui est une plante présentant une organisation spéciale : on observe un ensemble de tiges ramifiées et feuillées mais pas de structures racinaires ; à la place des racines, cette plante possède un suçoir qui l’ancre sur la plante parasitée. 2. Le gui est une plante parasite car il prélève de la matière sur la plante parasitée mais c’est aussi une plante chlorophyllienne qui réalise la photosynthèse, c’est-à-dire synthétise ses propres molécules organiques ; le gui puise donc certaines matières sur son hôte, eau et substances minérales de la sève brute, mais ne puise pas de sève élaborée : c’est donc une plante seulement hémiparasite. 3. On constate sur les coupes colorées que le peuplier sensible au gui présente des tanins mais ceux-ci n’entourent pas complètement le suçoir du gui ; chez le peuplier résistant au gui, la présence de tanins est plus importante et entoure complètement le suçoir du gui. On peut donc supposer qu’un mécanisme de défense du peuplier contre son parasite, le gui, est la synthèse de tanins autour du suçoir, ce qui tend à isoler le suçoir et empêche le prélèvement de substances sur l’hôte. © NATHAN 2012• SVT Term S • Livre du professeur • Chapitre 5 5 Activité 2 Des surfaces d’échanges (p. 98-99) ◗ 1. Les instructions officielles prises en compte Connaissances : Les caractéristiques de la plante sont en rapport avec la vie fixée à l’interface sol/air. Elle développe des surfaces d’échanges de grande dimension avec l’atmosphère (échanges de gaz, capture de la lumière) et avec le sol (échanges d’eau et d’ions). Il s’agit d’aboutir à une vue globale de la plante, de ses différents organes et de leurs fonctions. Capacités et attitudes : Effectuer une estimation (ordre de grandeur) des surfaces d’échanges d’une plante par rapport à sa masse ou à son volume. Comparer avec un mammifère par exemple. Représenter schématiquement l’organisation d’une plante type et savoir en décrire un exemple. ◗ 2. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports Dans cette activité, nous avons choisi délibérément de ne pas mettre en évidence les différents échanges réalisés entre la plante et son milieu, déjà étudiés dans les programmes antérieurs. Mais nous nous sommes fixé l’objectif de montrer les différentes surfaces et surtout de mettre en évidence leur très grande étendue, ce qui est à relier avec la vie fixée des plantes, qui ne peuvent se déplacer à la recherche de nutriments. Par ailleurs, il est possible de mentionner aux élèves que la croissance permanente des plantes, notamment des racines dans le sol, leur permet d’exploiter différents niveaux du sol ; cette croissance continue associée à la grande étendue de la surface d’absorption racinaire permet la vie fixée dans un milieu « dilué », c’est-à-dire pauvre en substances nutritives. Remarque : Il est facile de mettre en évidence la présence et la structure des stomates à la surface des feuilles. On peut utiliser pour cela des feuilles de poireau, ou toute autre plante, ou encore des feuilles de Polypode ; ces dernières constituent un matériel de choix car l’épiderme est assez facile à prélever et les stomates observés sont particulièrement beaux. On peut réaliser aussi une réplique au vernis à ongle de la surface épidermique : ceci évite l’étape difficile de prélèvement de l’épiderme mais on ne voit pas bien sûr, la composition interne des cellules : en effet, les cellules de garde sont riches chloroplastes. © NATHAN 2012• SVT Term S • Livre du professeur • Chapitre 5 6 Protocole proposé : – Prélever une pinnule de feuille de polypode et la plier en deux pour la déchirer – Prélever à la pince fine un lambeau d’épiderme de la face inférieure, visible en général sur le bord de la zone pliée déchirée – Monter ce lambeau dans une goutte d’eau entre lame et lamelle. – Observer au microscope. ◗ 3. Guide d’exploitation : productions élèves attendues 1. Pour évaluer la longueur de la zone pilifère, on mesure sur la photographie la longueur effective de cette zone pilifère (à l’aide d’un bout de ficelle car la plantule a un aspect courbe et d’un double décimètre) et on utilise l’échelle fournie (1 cm représente 4,2 mm) ; on obtient donc : 6 x 4.2 = 25,2 mm soit 2,52 cm soit 25,2.10 -3 m ou encore 25 200 µm. Sachant qu’une coupe transversale a une épaisseur de 30 µm et comporte 50 poils absorbants environ, on en déduit qu’il y a au total : 25 200/30 = 840 840 x 50 = 42 000 poils absorbants. 2. Pour évaluer la taille (L) d’un poil absorbant, on peut mesurer sur la photographie la longueur effective du poil et on utilise l’échelle fournie (1 cm représente 4,2 mm) ; on constate que la longueur des poils varie tout le long de la zone pilifère, les plus courts mesurent sur la photo 0,5 cm, les plus longs 1,5 cm ; comme nous cherchons simplement une estimation, nous prendrons, une taille moyenne de poil absorbant de 1 cm sur la photographie on obtient donc : L = 1 x 4.2 = 4,2 mm soit 4,2.10 -3 m. On fait de même pour mesurer le diamètre (D) d’un poil absorbant sur la photographie suivante et on obtient : D = 0.2 x 150 = 30 µm soit 30.10 -6 m. La légende du document 2 nous précise qu’un poil absorbant est assimilable à un cylindre ; or la surface d’un cylindre vaut : 3,14 x D x L On obtient donc la surface d’un poil absorbant d’environ : 4.10 -7 m2 Ce qui donne une surface totale d’échange racinaire de la plantule de radis : 42 000 x 4.10 -7 = 166.10 -4 m2 3. La surface de la feuille mesurée à l’aide du logiciel Mesurim vaut ici 2974.51 mm2 (soit environ 3.10 -3 m2). © NATHAN 2012• SVT Term S • Livre du professeur • Chapitre 5 7 4. On peut représenter schématiquement la structure d’un stomate : Stomate vu de face et vu en coupe. 5. Les surfaces d’échanges avec le milieu extérieur chez l’homme sont les poumons qui permettent les échanges gazeux et les intestins qui permettent les échanges de nutriments provenant de l’alimentation. Pour pouvoir comparer convenablement les surfaces d’échanges (en effet, la plantule de radis ne pèse que 1 à 2 g tandis qu’un homme moyen de 1,7 m pèse environ 70 kg), on rapporte ces surfaces d’échanges à la masse de l’organisme considéré ou à sa taille ; ce qui nous donne : Pour la plantule de radis de 1 g : 16,6.10 -3 m2/g pour la surface d’échange racinaire Pour l’homme de 70 kg : 300/70 000 = 4,3.10 -3 m2/g pour la totalité des surfaces d’échan-ges avec le milieu extérieur. On constate que la surface d’échange racinaire seule, par unité de masse, est 4 fois supérieure à la surface d’échanges totale d’un homme avec le milieu extérieur, par unité de masse encore une fois bien sûr ! et ici la surface d’échanges avec l’atmosphère n’a pas été évaluée ! Les surfaces d’échanges des plantes sont très étendues ! 6. Les ions sont présents en très faible quantité dans le sol ; de plus, l’atmosphère terrestre contient 0,038 % de CO2. On peut donc dire que les plantes vivent dans un milieu où leurs substances nutritives sont présentes en faible quantité par rapport au volume total ; il s’agit donc d’un milieu dilué. 7. En conclusion, nous pouvons donc dire que malgré leur vie fixée, sans possibilité de se déplacer à la recherche de substances nutritives et malgré la présence d’un milieu très dilué en substances nutritives, les plantes peuvent se développer grâce à la présence de surfaces d’échanges colossales qui optimisent l’absorption de ces substances nutritives. Remarque : La croissance continue des organes végétaux comme les racines permettent aussi d’explorer de nouveaux horizons du sol. © NATHAN 2012• SVT Term S • Livre du professeur • Chapitre 5 8 Activité 3 Circulation des sèves au sein de la plante (p. 100-101) ◗ 1. Les instructions officielles prises en compte Connaissances : Des systèmes conducteurs permettent les circulations de matières dans la plante, notamment entre systèmes aérien et souterrain. Il s’agit d’aboutir à une vue globale de la plante, de ses différents organes et de leurs fonctions. Un schéma fonctionnel synthétique permet de représenter les notions à retenir. Capacités et attitudes : Réaliser et observer une coupe anatomique dans une tige ou une racine. L’étude d’une coupe anatomique permet de repérer les deux grands types de tissus conducteurs. ◗ 2. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports Nous avons choisi de démontrer dans cette activité que deux sèves de nature distincte (sèves brute et élaborée) circulent dans la plante et ceci dans des systèmes conducteurs distincts : le xylème et le phloème. Comme le précise le programme dans son paragraphe « limites », les mécanismes de ces circulations n’ont pas été abordés. Afin de bien faire comprendre à l’élève l’organisation en trois dimensions des systèmes conducteurs (équivalents à des conduits longitudinaux dans toute la plante), nous avons choisi de présenter une coupe longitudinale de tige et non une coupe transversale. En effet, sur ces dernières, on visualise les parois cellulaires de toutes les cellules et un élève ne peut pas se douter directement de la différence entre une cellule parenchymateuse qui est cloisonnée par sa paroi de toutes parts, et un élément de vaisseau qui lui est allongé et présente une absence de parois transversales (les perforations). La coupe transversale montre des cellules qui ont globalement toutes la même forme. Bien sûr, il peut être intéressant de présenter de telles coupes transversales, une fois l’organisation longitudinale des systèmes conducteurs comprise ; les coupes transversales permettent de repérer assez facilement les tissus conducteurs, grâce à la coloration double au carmin vert d’iode. Le protocole de réalisation des coupes transversales avec double coloration est simple. En voici le résumé, d’après l’ouvrage de R.Prat, Expérimentation en biologie et physiologie végétale, éditions Quae, p. 56-57 : – Réaliser des coupes transversales fines dans l’échantillon avec une lame de rasoir. – Placer les coupes dans de l’eau de javel 10 à 20 min (ceci détruit les structures cytoplasmiques). © NATHAN 2012• SVT Term S • Livre du professeur • Chapitre 5 9 – Laver abondamment à l’eau. – Laver rapidement dans de l’eau additionnée d’acide acétique (ceci favorisera la fixation du colorant). – Colorer 5 min dans le carmino-vert de Mirande (ou successivement dans le carmin acétique puis le vert d’iode). – Laver à l’eau. – Monter entre lame et lamelle. Le manuel numérique propose deux coupes transversales de tige (Renoncule et Tournesol). On fera attention de ne pas confondre le xylème avec le sclérenchyme, tissu de soutien de certaines tiges (en général dans le cortex des tiges ou au voisinage des faisceaux criblo-vasculaires, diamètre des cellules très étroit, paroi épaisse et lignifiée). De plus, on note que les parois lignifiées peuvent apparaître en vert ou bien en bleu par cette technique de coloration. Moelle de la tige Xylème I Epiderme Sclérenchyme Phloème I Moelle de la tige Xylème I Phloème I Sclérenchyme © NATHAN 2012• SVT Term S • Livre du professeur • Chapitre 5 10 Le manuel numérique propose aussi un cliché en MEB de différents vaisseaux du xylème, associé au document 2a dont voici l’interprétation. Vaisseau de xylème de type ponctué Vaisseau de xylème de type spiralé ou annelé. On précise que, au cours de la différenciation des vaisseaux de xylème, les cellules encore vivantes épaississent leur paroi I d’une paroi II qui s’imprègne de lignine ; ces épaississements se font de manière annelée ou spiralée ou bien encore l’épaississement et la lignification seront presque sur toute la surface du vaisseau sauf en certains points : on obtient alors un vaisseau ponctué. Les cellules constituant les vaisseaux meurent en fin de différenciation. Par ailleurs, il est assez facile de prélever et d’observer la structure de vaisseaux du xylème en classe en prolongeant la manipulation à partir de céleri (doc 1 p.100) : Protocole proposé : – Couper transversalement une tige de céleri colorée. – Repérer les faisceaux conducteurs marqués en bleu (voir doc 1a p. 100). – Introduire une pince fine dans la tige, pincer un faisceau conducteur et tirer : on retire tout un faisceau conducteur. – Dilacérer ce faisceau conducteur afin de détacher quelques vaisseaux. – Monter entre lame et lamelle. On observe facilement sur les bords de la préparation de longs tubes avec des épaissis-sements de paroi en anneau ou en spirale : ce sont des vaisseaux du xylème annelés ou spiralés. © NATHAN 2012• SVT Term S • Livre du professeur • Chapitre 5 11 ◗ 3. Guide d’exploitation : productions élèves attendues 1. Comme on observe une coloration bleue très nette par transparence tout le long de la tige de céleri et comme cette même coloration est retrouvée sur des points en périphérie de la coupe transversale de tige de céleri, on peut penser que l’eau et les ions absorbés dans le sol (ici directement dans l’éprouvette) circulent de manière ascendante, des racines jusqu’aux feuilles, en étant canalisés dans des conduits particuliers. 2. La solution du sol est très riche en eau (99.9 %) et contient des ions présents en très faible concentration ; la sève brute est très riche elle aussi en eau, renferme les mêmes ions mais en concentration supérieure par rapport au sol ; elle ne contient pas de molécules organiques ; la sève élaborée, par comparaison, est riche en molécules organiques, surtout en glucides, et ne contient plus de nitrates. 3. Les pucerons sont intéressants car ils piquent grâce à leur stylet les éléments conduc-teurs spécifiques de la sève élaborée, sève contenant des molécules organiques, qui est leur liquide nutritif. Les pucerons servent donc de système de prélèvement de précision : on peut récupérer facilement grâce à eux quelques gouttes de sève élaborée. 4. La détection de molécules organiques marquées dans les racines et bourgeons, après incubation d’une plante dans une atmosphère riche en CO2 radioactif, montre que la photosynthèse dans les feuilles est à l’origine de ces molécules organiques ; Ces molécules organiques, des glucides surtout, sont ensuite chargées dans un second type de conduits, les tubes criblés du phloème, qui les distribuent depuis les feuilles jusqu’aux organes non photosynthétiques comme les racines, les bourgeons. 5. Ce sont tous les deux des systèmes de conduits longitudinaux présents dans toute la plante. Les vaisseaux du xylème sont constitués de cellules de gros diamètre, alignées verticalement, à paroi riche en lignine. Ces files de cellules ne comportent pas de cloisons transversales et sont vides de leur contenu cellulaire, ce qui optimise une circulation rapide de sève brute. Les tubes criblés du phloème sont aussi constitués d’une file de cellules alignées verticalement, mais vivantes et à paroi cellulosique ; les cloisons transversales sont toujours présentes mais percées de nombreux orifices formant des cribles et laissant circuler la sève. 6. Le schéma pourrait correspondre à la figure 3 page 109 du manuel en supprimant les légendes fleur et fruit car ce sont des organes reproducteurs et non végétatifs. © NATHAN 2012• SVT Term S • Livre du professeur • Chapitre 5 12 Activité 4 Organisation de la fleur (p. 102-103) ◗ 1. Les instructions officielles prises en compte Connaissances : L’organisation florale est contrôlée par des gènes de développement. Capacités et attitudes : Réaliser la dissection d’une fleur simple et traduire les observations sous une forme schématique simple (diagramme floral). ◗ 2. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports Dans cette activité, nous avons présenté une dissection florale afin de montrer les différentes pièces florales. L’étude peut se faire bien sûr sur de multiples exemples de fleurs simples, si possible à sépales, pétales, étamines libres entre eux : les fleurs de lis ou de tulipe peuvent être utilisées car on peut se les procurer dans le commerce et les fleurs sont grosses ; le problème est leur prix mais aussi le fait que sépales et pétales sont très similaires (on parle de tépales) ; notre choix s’est donc porté sur une plante très commune et très simple : la moutarde (famille des Brassicacées, anciennes Crucifères) La fleur de moutarde présente de multiples intérêts : c’est une « mauvaise herbe » très commune, que l’on trouve facilement sur le bord des chemins (même en région parisienne sur les bords des voies ferrées de banlieues !) ; sa floraison est assez précoce au printemps, mais aussi tardive en automne. De plus, son plan d’organisation est très simple : fleur assez grosse, de symétrie axiale, à sépales, pétales et étamines tous libres entre eux ; enfin, elle appartient à la même famille (les Brassicacées, anciennes Crucifères) que notre plante modèle Arabidopsis thaliana que nous utilisons ensuite pour l’étude du contrôle génétique du développement floral. La réalisation de la dissection florale est très simple : il suffit de prélever à l’aide d’une pince fine les pièces florales une à une en partant du verticille externe (celui des sépales) vers le verticille interne (celui du pistil). Au préalable, on fait dessiner au compas des cercles emboîtés sur une feuille représentant chacun un verticille et on place les pièces florales sur chaque cercle en respectant la disposition naturelle des pièces florales ; en particulier, il faut faire attention à l’alternance très fréquente des pièces florales d’un verticille à l’autre : par exemple, pétales et sépales ne sont pas exactement insérés au même niveau sur le réceptacle mais en décalage, en alternance. On note qu’il y a ici 6 étamines que l’on peut placer sur un verticille pour simplifier ou plutôt sur deux verticilles (2 + 4 étamines). Les différentes pièces florales peuvent être collées avec du scotch transparent. Enfin, on peut placer au centre des différents cercles concentriques un peu de pâte à modeler afin de fixer verticalement le pistil au centre de la dissection. © NATHAN 2012• SVT Term S • Livre du professeur • Chapitre 5 13 On précise que, si la fleur choisie est de symétrie bilatérale, on dessine des ovales emboîtés. On peut proposer quelques conseils pour la germination et la culture de plants d’Arabidospsis thaliana ; ces conseils proviennent du site : http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/ATP/arabette.htm Culture d’Arabidopsis : 1. Utiliser un mélange de terreau et de vermiculite (10 volumes et 2 volumes respectivement) placé dans de petits pots dont le fond est percé d’un trou. 2. Remplir une série de pots avec le mélange ci-dessus et le tasser en donnant un coup sec sur le fond. 3. Disposer un peu de terreau sur la surface supérieure et le comprimer légèrement pour former un fin lit sur lequel seront semées les graines. 4. Placer les pots à tremper dans l’eau jusqu’à ce que la surface du terreau devienne humide par capillarité. 5. Semer les graines en surface. Utiliser l’extrémité humidifiée d’une petite spatule ou d’une pipette Pasteur boutonnée pour transférer 2 ou 3 graines par pot. 6. Placer les pots dans un germoir et le germoir au réfrigérateur pendant 2 à 5 jours pour synchroniser la germination. 7. Placer le germoir sous une rampe lumineuse dans une enceinte maintenue à 22 à 25 °C avec éclairement permanent. Pour maintenir le terreau humide, les pots sont placés dans 1 à 2 cm d’eau pendant une heure chaque jour. 8. Dès que la germination se produit, entrouvrir le couvercle du germoir. 9. Lorsque la pousse présente ses deux premières vraies feuilles (2 cotylédons et deux feuilles doivent être visibles), enlever le couvercle du germoir. Les plantes peuvent alors être arrosées par le haut. Le terreau doit rester humide mais pas détrempé. 10. Récolte des graines Dans les conditions optimales, les plantes fleurissent au bout de 4 semaines. Les graines doivent être récoltées lorsque les siliques deviennent brunes mais avant la déhiscence. Couper les siliques à la base avec des ciseaux fins et les placer dans des sachets en papier. Stocker les sachets dans une boîte placée dans un endroit sec (ou en présence de gel de silice). Pour une conservation supérieure à deux ans, placer les graines dans des petits tubes étanches étiquetés et les mettre au congélateur à -20 °C. Arabidopsis thaliana est une plante de la famille des Brassicacées (Crucifères) à laquelle appartiennent de nombreuses espèces cultivées utilisées dans l’alimentation (chou, navet, radis, raifort, moutarde etc.). C’est une plante herbacée de 10 à 15 cm de haut à l’état adulte. Elle est formée d’une rosette de feuilles de 2 à 5 cm de diamètre située au ras du sol dont se détachent une © NATHAN 2012• SVT Term S • Livre du professeur • Chapitre 5 14 courte racine et un pédoncule floral portant une inflorescence. D’autres inflorescences se forment sur les rameaux secondaires. Les fleurs blanches de quelques mm sont typiques des Crucifères avec quatre sépales et quatre pétales disposés en croix, quatre étamines et un pistil. Il y a autofécondation et chaque fleur se transforme en un fruit qui est une capsule allongée, une silique, contenant de 30 à 50 minuscules graines. Chaque plant peut ainsi produire plusieurs milliers de graines à chaque génération. Si la lumière, la température et les autres facteurs de croissance ne sont pas limitants, le cycle se déroule en six à huit semaines. A. thaliana a cinq paires de chromosomes. La longueur de l’ADN d'une cellule haploïde est estimée entre 60 et 100 millions de paires de bases (60 000 à 100 000 kpb), environ cent fois plus petite que celle de plantes cultivées comme l’orge et le maïs. Plusieurs centaines de mutations sont connues et quelques-unes d’entre elles sont aisément détectables à l’œil nu (couleur, poils, fleurs etc.). L’ensemble de ces caractéristiques (nombreuses mutations, culture facile, croissance rapide, petite taille, autopollinisation, descendants nombreux, petit génome) ont conduit la communauté scientifique internationale à faire de cette plante le représentant des végétaux chlorophylliens vasculaires parmi les organismes modèles utilisés en génétique. Un programme international de séquençage de son génome auquel participent des laboratoires du monde entier, dont une trentaine en Europe, a été lancé en 1989. ◗ 3. Guide d’exploitation : productions élèves attendues 1. La fleur de moutarde est de symétrie axiale ; elle est constituée de quatre types d’organes disposés sur des cercles concentriques virtuels, les verticilles. De l’extérieur vers l’intérieur de la fleur, on trouve : – un verticille de 4 sépales libres entre eux, étroits, jaunâtres, disposés en croix + – un verticille de 4 pétales libres entre eux et disposés en alternance par rapport aux sépales, jaunes, disposés en croix d’un autre genre X – deux verticilles d’étamines libres entre elles (un verticille externe de deux petites étamines, et un verticille plus interne de 4 étamines) – un pistil au centre de la fleur. Remarque : La disposition en croix des sépales et pétales est à l’origine de l’ancien nom de la famille : les Crucifères, littéralement : qui portent des croix. 2. La fleur de phénotype sauvage a le même plan d’organisation que la moutarde ; ce sont deux plantes de la même famille (les Brassicacées). Elle présente une symétrie axiale, 4 sépales verts, 4 pétales blancs, étamines (au nombre de 6, même si on ne peut les compter ici) et pistil. Les fleurs mutantes de phénotype agamous sont très différentes : elles présentent de nombreux pétales surnuméraires tandis que les étamines semblent absentes (caractère à l’origine de la dénomination du phénotype : agamous siginifie agame, sans reproduction possible). La symétrie axiale est conservée. © NATHAN 2012• SVT Term S • Livre du professeur • Chapitre 5 15 Les fleurs mutantes de phénotype apetala ont toujours le même type de symétrie axiale, le même nombre de sépales ; par contre, elles ne présentent plus de pétales (caractère à l’origine de la dénomination du phénotype : apetala signifie sans pétales) mais semblent présenter des étamines surnuméraires à la place des pétales. 3. On constate par l’étude des mutants agamous et apetala que la mutation dans un de ces gènes conduit à un développement floral anormal ; cela signifie qu’en temps normal, chacun de ces gènes, dans sa version allélique sauvage, a un rôle clé dans la mise en place normale, c’est-à-dire le développement floral normal : les deux gènes AGAMOUS et APETALA sont donc des gènes de contrôle du développement floral. Remarque : De telles mutations à l’origine d’organes normaux ou presque en des positions anormales sur la fleur (pétales à la place des étamines ou bien étamines à la place des pétales) sont des mutations homéotiques ; les gènes AGAMOUS et APETALA sont des gènes homéotiques. Activité 5 La pollinisation (p. 104-105) ◗ 1. Les instructions officielles prises en compte Connaissances : L’organisation florale et le fonctionnement de la fleur permettent le rapprochement des gamètes entre plantes fixées. La pollinisation de nombreuses plantes repose sur une collaboration animal pollinisateur/plante, produit d’une coévolution. Capacités et attitudes : Mettre en évidence les relations entre une plante et un animal pollinisateur. ◗ 2. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports Dans cette activité, nous proposons l’observation de grain de pollen de lis : le choix du lis s’explique par son caractère courant chez tous les fleuristes et ceci tout au long de l’année ; on peut bien sûr récupérer du pollen de toute autre plante. Le choix du lis est intéressant car il permet de combiner dans une même séance de TP l’observation des étamines, du pollen mais aussi celle du pistil présentée dans l’activité suivante. Les principaux vecteurs du pollen, d’une fleur à une autre, sont présentés en mettant l’accent sur le rôle des insectes pollinisateurs. Une très belle photographie d’insecte pollinisateur saupoudré de pollen est disponible sur le © NATHAN 2012• SVT Term S • Livre du professeur • Chapitre 5 16 manuel numérique enrichi : elle est très éloquente et montre clairement que les insectes pollinisateurs en visitant les fleurs à la recherche de nectar se recouvrent de pollen sur leurs soies et véhiculent ainsi de fleur à fleur le pollen. Au lieu de nous contenter de ce simple constat, nous avons cherché aussi à montrer plus scientifiquement comment certains de ces insectes pollinisateurs, les abeilles, sont orientés vers le centre de la fleur. Enfin, à travers l’exemple historique des observations de Darwin sur les orchidées de Madagascar, nous abordons la notion de coévolution. Nous proposons un extrait de ses écrits. Dans ce passage célèbre écrit dans les années 1860, Darwin prédit l’existence à Madagascar, d’une espèce de papillon à la trompe démesurée. En 1903, 40 ans plus tard, un papillon sphinx répondant aux critères de Darwin est découvert à Madagascar. Le couple de partenaires de coévolution (orchidée comète et papillon sphinx pollinisateur) est ici présenté en photographie : on voit très bien la très longue trompe déroulée du papillon qui cherche à la faire pénétrer dans l’éperon nectarifère de l’orchidée. Une expérience beaucoup plus récente est présentée ; elle confirme l’hypothèse de coévolution émise par Darwin mais cette fois-ci entre une espèce d’orchidée européenne et son papillon pollinisateur. ◗ 3. Guide d’exploitation : productions élèves attendues 1. Malgré une vie fixée des plantes, sans possibilité de rechercher un partenaire sexuel, la pollinisation entre deux fleurs différentes est possible grâce à divers agents de transport du pollen : le vent, les insectes. Remarque : on peut ajouter à ces vecteurs de pollen d’autres animaux pollinisateurs que nous n’avons pas évoqués par souci de simplification et par respect du programme : oiseaux pollinisateurs comme les colibris, chauve-souris pollinisatrices des fleurs de baobab, ou de cactus, petits rongeurs pollinisateurs. 2. Les abeilles sont attirées par différents signaux visuels et odorants émis par les fleurs mais aussi par la présence d’une « récompense » nutritive, riche en sucres, le nectar. En particulier, on peut détecter, avec un film sensible aux UV et non à l’œil nu, sur certaines fleurs des ornementations, en forme de ligne ou de tâches ou de points, qui en général encerclent le centre de la fleur ou y convergent. Ces ornementations des pétales sont donc des zones réfléchissant les UV. Si l’on compare les spectres lumineux visibles par l’abeille et l’homme, on constate que les abeilles sont sensibles aux UV tandis que les hommes ne le sont pas. Ces ornementations sur les pétales des fleurs passent donc inaperçues à nos yeux humains mais sont très repérables par des yeux d’abeilles : ils guident donc celles-ci vers le cœur de la fleur où sont en général présents le nectar mais aussi les étamines. Remarque : Ces ornementations sont appelées des guides nectarifères ou guides à nectar dans la littérature scientifique. © NATHAN 2012• SVT Term S • Livre du professeur • Chapitre 5 17 3. Les interactions entre la plante et le pollinisateur sont bénéfiques : – pour le pollinisateur car celui-ci récupère un liquide nutritif ; – pour la plante car le pollinisateur, en visitant les fleurs en quête de nectar, véhicule le pollen d’une fleur à l’autre : la fécondation croisée est donc rendue possible malgré une vie fixée de la plante. 4. Plus un papillon possède une trompe longue, plus il peut récupérer facilement du nectar au fond des éperons des orchidées ; sa nutrition étant améliorée, favorisée, sa survie est plus importante, il peut donc davantage se reproduire et transmettre ses caractéristiques morphologiques – longue trompe- à ses descendants. La sélection naturelle aboutit donc à des papillons à longue trompe. Les orchidées à longs éperons obligent en quelque sorte les papillons à enfoncer leur trompe tout au fond de l’éperon afin de récolter du nectar ; en faisant cela, les papillons touchent plus facilement les pollinies et ont donc plus de chance de transporter le pollen d’une fleur à l’autre mais aussi fécondent davantage les fleurs à longue trompe visitées : ces orchidées produisent alors davantage de graines et transmettent donc à leurs descendantes leurs caractères morphologiques – long éperon nectarifère. La sélection aboutit donc à des orchidées aux éperons longs. Remarque : Cette notion de coévolution ou d’évolution conjointe des deux partenaires liés par un lien d’interdépendance est assez fine ; elle suggère une idée de course évolutive entre les deux partenaires. C’est aussi ce que l’on nomme la théorie de la Reine Rouge proposée par Van Valen en 1973, en hommage à Lewis Caroll et au célèbre passage de son roman De l’autre côté du miroir (suite des Aventures d’Alice au pays des merveilles) où Alice et la Reine Rouge courent tout en restant sur place : en effet, le paysage se déplace à la même vitesse qu’elles. Lors d’une coévolution, les deux êtres vivants partenaires évoluent conjointement l’un en fonction de l’autre. Ils n’évoluent pas isolément ; toute évolution concernant une espèce partenaire avec laquelle des liens étroits sont établis (par exemple plante-insecte pollinisateur) revient alors à modifier l’environnement au sens large de l’autre espèce partenaire. Dans cette métaphore, « la Reine rouge explique, qu’en réalité, elles courent pour rester sur place dans un environnement qui évolue lui aussi. Cette métaphore traduit qu’il est nécessaire d’évoluer conjointement pour rester associé à son partenaire. » (Botanique : Meyer, Reeb, Bosdeveix). Un exercice supplémentaire à propos de cette théorie de la Reine Rouge est proposé dans le manuel numérique enrichi. 5. Dans cette expérience, le botaniste Nilsson fait de petites ligatures à différents niveaux de l’éperon d’une orchidée, la Platanthère : ainsi il fait varier la longueur de l’éperon. Plus celui-ci est long, plus le pourcentage de pollinies enlevées par le papillon et plus le pourcentage de pistils pollinisés sont élevés. Cela signifie donc que la reproduction de l’orchidée à long éperon a un meilleur succès. L’hypothèse de coévolution est donc confirmée. © NATHAN 2012• SVT Term S • Livre du professeur • Chapitre 5 18 Activité 6 Formation et dispersion des graines (p. 106-107) ◗ 1. Les instructions officielles prises en compte Connaissances : À l’issue de la fécondation, la fleur se transforme en fruit contenant des graines. La dispersion des graines est nécessaire à la survie et à la dispersion de la descendance. Elle repose souvent sur une collaboration animal disséminateur/plante, produit d’une coévolution. Capacités et attitudes : Mettre en évidence les relations entre une plante et un animal assurant sa dissémination. ◗ 2. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports Dans cette activité, nous avons choisi de montrer la conséquence de la pollinisation, c’est-à-dire la fécondation. Il s’agit de faire comprendre aux élèves que les grains de pollen tombés au sommet du pistil, sur le stigmate, ne vont pas pénétrer dans les tissus du pistil mais vont germer : un cliché assez spectaculaire permet de montrer cela facilement. ar ailleurs, nous avons voulu montrer la localisation des ovules au sein du pistil de la fleur. Pour cela, nous avons repris le même matériel biologique que dans l’activité précédente, c’est-à-dire des fleurs de lis, toujours disponibles chez le fleuriste et surtout présentant un pistil de grosse taille, facile à extraire, facile à couper transversalement comme longitudinalement. La coupe transversale est classique et permet d’observer à l’œil nu ou mieux encore à la loupe binoculaire la présence d’ovules ; la coupe longitudinale, rarement présentée, est riche d’informations, elle permet de voir que dans le pistil du lis (comme chez de nombreuses plantes), les ovules sont nombreux et organisés en colonnes ; ces deux coupes se complètent et montrent la structure tridimensionnelle du pistil. Remarque importante : Il faut faire attention de bien préciser aux élèves que l’ovule des plantes n’est pas du tout l’équivalent de l’ovule des animaux. Sans entrer dans le détail de son organisation (deux téguments, nucelle, sac embryonnaire, oosphère véritable gamète femelle et autres cellules du sac embryonnaire), qui est hors programme, on doit préciser qu’il renferme la cellule reproductrice à l’origine de la future plantule après fécondation. De même, il faut arriver à expliquer que le grain de pollen n’est pas le gamète mâle mais qu’il le contient. On peut passer sous silence comme le demande le © NATHAN 2012• SVT Term S • Livre du professeur • Chapitre 5 19 programme l’existence de deux gamètes mâles et de la double fécondation. Pour information, deux schémas bilans rappelant la formation des gamétophytes (grain de pollen et sac embryonnaire) chez les plantes ainsi que la double fécondation sont proposés ci-dessous. Schéma simplifié de la formation des gamétophytes chez les Angiospermes. Schéma simplifié de la double fécondation chez les Angiospermes. Dans un second temps, nous montrons la transformation de l’ovule en graine et de la fleur en fruit. L’exemple choisi est le cas du pois : on peut assez facilement faire pousser du pois au laboratoire et obtenir des fleurs ; celles-ci sont assez © NATHAN 2012• SVT Term S • Livre du professeur • Chapitre 5 20 grosses, on peut donc facilement visualiser le pistil et éventuellement faire une coupe longitudinale de ce pistil comme nous le montrons. La transformation est facile à suivre. Le pistil non encore fécondé ressemble à une gousse de petit pois miniature ; au cours de la transformation, on voit clairement les pétales, les étamines flétrirent tandis que le pistil lui se développe nettement ; les sépales persistent en général. L’ouverture de la gousse obtenue révèle des graines qui ne sont autres que les ovules transformés après fécondation. Nous précisons que, dans le manuel numérique enrichi, un autre exemple de transformation de fleur en fruit a été proposé : il s’agit de la transformation de la fleur d’ajonc (Ulex europaeus ou autres Ulex), plante de la même famille que le pois : Fabacées (anciennes Papilionacées). Cette plante forme des buissons sauvages, très communs sur toute la façade atlantique de la France mais bien ailleurs aussi. De plus sa floraison est très précoce : dès février-mars, on peut récolter ses fleurs ; tout ceci rend cette plante très pratique pour la réalisation d’un TP en dehors du tout début de l’automne ou de la fin d’année scolaire. Le seul défaut que présente cette plante est la taille de ses fleurs, plus réduite que la fleur de pois. Remarque : D’autres exemples encore peuvent être utilisés ; il faut veiller à choisir des cas de pistil simple à l’origine de fruit simple : par exemple, évolution de la fleur de cerisier… L’étude de la fleur de fraisier est à faire avec prudence : ici, le gynécée est constitué de n carpelles indépendants, autrement dit on a l’équivalent de n pistils indépendants, chacun évoluant en akène (les petits grains de la fraise), petit fruit sec indéhiscent ; la partie charnue de la fraise dérive elle du développement du réceptacle floral. ◗ 3. Guide d’exploitation : productions élèves attendues 1. Voir fig. 6 du Bilan p 110. 2. On constate que la fleur se flétrit : pétales et étamines tombent, tandis que les sépales restent verts et petits. Par contre, on observe que le pistil persiste et même grossit de plus en plus ; le pistil se transforme en gousse de petit pois. © NATHAN 2012• SVT Term S • Livre du professeur • Chapitre 5 21 Par transparence et par ouverture de la gousse en fin de maturation, on voit la transformation des ovules, initialement de toute petite taille, en structures ovoïdes de plus grosse taille : les graines 3. La fleur et plus précisément le pistil se transforme donc en fruit ; tandis que les ovules se transforment en graines. 4. On peut proposer plusieurs hypothèses concernant les rôles du fruit : il peut protéger les graines d’une part, et dans le cas de certains fruits dits charnus attirer des animaux disséminateurs. 5. Les fruits et graines peuvent être dispersés par d’autres modes : le vent permet la dispersion de certains fruits secs (fruits de pissenlit, fruit d’érable…), l’eau (fruit du cocotier), la gravité… Enfin, certains fruits ne sont pas ingérés par les animaux qui les dispersent mais simplement sont accrochés à leur pelage par exemple (fruit de la benoîte…). 6. Les interactions entre le gui et la grive sont bénéfiques pour : – la grive car elle trouve ainsi une source de nourriture, de plus lors d’une saison qui offre peu de ressources alimentaires ; – le gui car ses fruits sont certes ingérés mais ses graines ne sont pas digérées ; elles sont donc transportées à plus grande distance et rendues aptes à la germination : la dispersion du gui est donc favorisée. © NATHAN 2012• SVT Term S • Livre du professeur • Chapitre 5 22 Corrections des exercices Évaluer ses connaissances Nous précisons que chaque exercice avec documents peut être projeté avec le manuel numérique, ce qui facilite la correction en classe, et ceci même en cas d’oubli de leur manuel par les élèves ! 4 Élaborer un schéma Réalisez un schéma de synthèse fonctionnel d’une plante montrant ses différents organes végétatifs et leurs principales fonctions. On peut reprendre le schéma 3 p. 109 en supprimant les légendes fleur et fruit qui sont des organes reproducteurs. © NATHAN 2012• SVT Term S • Livre du professeur • Chapitre 5 23 5 Organiser une réponse argumentée Expliquez quels modes de défense, de nutrition et quels mécanismes particuliers de reproduction se sont mis en place au cours de l’évolution chez les plantes en relation avec leur vie fixée dans deux milieux : l’air et le sol. Les plantes fixées au sol par leurs racines ne peuvent se déplacer ni pour rechercher des substances nutritives ni pour se mettre à l’abri, ni pour rechercher un partenaire sexuel. On peut se demander quels modes de nutrition, de défense et quels mécanismes particuliers de reproduction sont apparus au cours de l’évolution permettant une adaptation à cette vie fixée. Plan proposé : I Les plantes de vie fixée ont des modes défense face aux agressions du milieu extérieur II Les plantes de vie fixée ont un mode de nutrition permis par de vastes surfaces d’échanges avec le milieu III Les plantes de vie fixée ont une reproduction le plus souvent croisée et une bonne colonisation du milieu permises par des agents de transport du pollen et des graines produites après fécondation. © NATHAN 2012• SVT Term S • Livre du professeur • Chapitre 5 24 Exercice guidé 6. Les mycorhizes L’énoncé demande d’exploiter les documents proposés pour répondre à une problématique générale : expliquer l’intérêt biologique des mycorhizes pour les plantes. On étudie donc les documents un à un ; pour chaque document, on essaie d’extraire un ou plusieurs renseignements pour répondre à la problématique générale. Aide méthodologique 1 : Le document 1 est une photographie de racine mycorhizée ; il faut donc commencer par décrire l’aspect (couleur, forme, surface…) des mycorhizes, faire des rapprochements avec des structures déjà étudiées en TP, les poils absorbants (voir Activité 2, fig. 1) ; de plus, il ne faut pas se limiter à la seule description des structures, il faut aussi proposer, par analogie aux poils absorbants, une éventuelle fonction. Réponse possible : L’observation du document 1 montre de nombreux filaments blanchâtres recouvrant les racines et parcourant le sol : ces structures ressemblent au feutrage de poils absorbants présents sur les racines des jeunes plantes ; les mycorhizes sont fines et développent une grande surface de contact entre la plante et le sol. On peut se demander si les mycorhizes ont un rôle similaire à celui des poils absorbants : l’absorption de la solution du sol. Aide méthodologique 2 : Le document 2 est un graphique étudiant l’effet des mycorhizes sur des plants d’Eucalyptus selon la nature du sol et la présence ou non de mycorhizes. Il faut comparer les courbes deux à deux avec un seul facteur variable à la fois : par exemple, on compare l’évolution du poids sec au cours des mois des plants sur sol non calcaire ectomycorhizés ou non ectomycorhizés. Réponse possible : Le document 2 montre que les plants d’Eucalyptus mycorhizés ont un poids sec supérieur donc se développent mieux que les plants non mycorhizés et cela sur sol calcaire ou non. On peut donc penser que les mycorhizes améliorent l’absorption de l’eau et des ions, ce qui améliore la croissance des plants. Par ailleurs, sur sol calcaire, des plants non mycorhizés se développent mal (faible poids sec) ce qui est dû à l’excès de calcium comme on nous le précise ; la présence de mycorhizes permet un très bon développement sur sol calcaire, similaire à celui observé sur sol non calcaire : les mycorhizes limitent très nettement l’effet toxique de l’excès de calcium. Aide méthodologique 3 : Le document 3 est un schéma qui résume le protocole expérimental de transfert d’éléments nutritifs marqués mais aussi les résultats obtenus. Pour interpréter ces résultats de marquage, il faut repérer le site initial et le site final de la radioactivité et rechercher l’unique structure pouvant relier les deux. © NATHAN 2012• SVT Term S • Livre du professeur • Chapitre 5 25 Réponse possible : Le document 3 montre que les minéraux marqués présents à t = 0 seulement dans le compartiment isolé sont transférés dans la plante ; or le seul contact entre ce compartiment et la plante correspond aux filaments mycéliens du champignon. Notre hypothèse précédente est donc confirmée : les mycorhizes améliorent la croissance des plantes car les filaments mycéliens améliorent l’absorption des nutriments du sol. Appliquer ses connaissances 7 Les stomates 1. Les stomates permettent des échanges gazeux : évaporation de l’eau, absorption de CO2 et rejet d’O2 (le jour). 2. Les stomates peuvent être ouverts ou fermés. Le schéma ci-dessous est à légender comme celui de l’activité 2. 3. D’après le document 2, les stomates sont majoritairement ouverts le jour (de 8 heures du matin jusqu’à 20 heures), tandis qu’ils sont fermés la nuit. De plus, lors des journées estivales chaudes et sèches, entre 10 et 16 heures, moment le plus chaud et sec, on constate une fermeture de certains stomates. On peut donc penser que deux facteurs clés contrôlent l’ouverture/fermeture des stomates : la lumière mais aussi la chaleur sèche. 4. Comme un certain nombre de stomates se ferment entre 10 et 16 heures : l’absorption de CO2 atmosphérique donc la photosynthèse sont moindres. Par contre, les pertes en eau sont elles aussi amoindries. 8 Un cas de défense chimique 1. Après blessure d’une feuille, on constate que la teneur en protéine de défense PPO augmente très fortement dans celle-ci au bout de quelques heures et de manière durable mais aussi dans toutes les autres feuilles de la plante. © NATHAN 2012• SVT Term S • Livre du professeur • Chapitre 5 26 2. Tout animal qui broute les feuilles de la plante blesse celle-ci ; en réponse, la plante augmente la production de la protéine PPO qui perturbe les enzymes digestives des herbivores ; ainsi tous les herbivores qui broutent de nouveau la plante vont présenter des troubles digestifs et vont apprendre à éviter cette dernière. 3. Même si la blessure est locale, la réponse s’effectue dans toute la plante ; on peut penser que la blessure stimule la production d’un messager chimique qui circule partout dans la plante depuis le site de blessure. Comme la systémine produit des effets similaires à une blessure, et qu’on retrouve cette molécule dans les autres tissus de la plante, on peut penser que ce messager est la systémine. 9 La corolle des fleurs 1. Sur la fleur de bourrache, on observe des ornementations en forme de lignes pigmentées réfléchissant les UV présentes sur chaque pétale et convergeant toutes vers le centre de la fleur ; sur la fleur d’Ononis, on retrouve des lignes du même genre mais uniquement sur le pétale supérieur (appelé aussi étendard) et convergeant aussi vers le centre de la fleur. Comme ces lignes convergent toutes vers le centre de la fleur où se localisent les organes producteurs de nectar (appelés aussi nectaires), ces lignes sont © NATHAN 2012• SVT Term S • Livre du professeur • Chapitre 5 27 considérées comme des signaux visuels guidant les insectes vers le site de production du nectar. On parle donc de guide nectarifère. 2. La fleur de bourrache est de symétrie axiale tandis que la fleur d’Ononis est de symétrie bilatérale. 3. Sur la fleur de bourrache, l’insecte peut prendre 5 positions différentes car il y a 5 pétales porteurs de guides nectarifères tandis que sur la fleur d’Ononis, il peut prendre une seule position. 4. Comme sur la fleur à symétrie bilatérale (Ononis), l’insecte peut capter des informations en une seule position et non 5, son positionnement est plus précis, plus rapide, sans doute. Ce type de fleur, à symétrie bilatérale, semble optimiser la pollinisation par les insectes. Exercer un esprit critique 10 Les abeilles vont-elles disparaître ? 1. Cette affiche choc joue à la fois sur un effet visuel marquant et un jeu de mot marquant : – elle associe un bidon de produit chimique hautement toxique présentant un masque à gaz en forme de symbole de radioactivité et des abeilles mortes à ses pieds : elle essaie de montrer une relation de cause à effet : produits chimiques = mort des abeilles ; – elle utilise un jeu de mots « kill bees » qui rappelle un film choc très violent de Quentin Tarantino « Kill Bill » où les morts violentes sont nombreuses. De plus la couleur jaune barrée d’un trait noir imite l’affiche de ce film. 2. L’agent incriminé principalement ici comme responsable de la mort des abeilles est l’usage de produits chimiques tels que les pesticides. 3. Les abeilles sont effectivement très menacées, depuis quelques décennies déjà, mais ce phénomène s’accentue récemment conduisant à une éradication massive de certaines ruches : on parle de syndrome d’effondrement des colonies. Les recherches récentes montrent que le phénomène est multifactoriel : emploi massif de pesticides qui tuent les abeilles ou fragilisent les colonies, mauvais usage de ces pesticides dont la pulvérisation est interdite en pleine journée lors du butinage des abeilles, interdite en pleine floraison, dévastation de colonies par des espèces invasives comme le frelon asiatique, maladies virales, fragilisation du système immunitaire par un acarien (le Varroa), raréfaction des plantes nectarifères, changements climatiques. Tous ces facteurs se combinent. Ce phénomène est très inquiétant. On peut se référer aux nombreux liens proposés en webographie (voir le livre du professeur du thème 1A) à ce propos. © NATHAN 2012• SVT Term S • Livre du professeur • Chapitre 5 28 Exercices supplémentaires (manuel numérique) 1 La théorie de la Reine rouge 1. Alice et la Reine rouge courent ensemble sans cesse tout en restant sur place car le paysage se déplace lui aussi ! 2. Lors d’une coévolution, les deux êtres vivants partenaires évoluent conjointement l’un en fonction de l’autre. Ils n’évoluent pas isolément ; toute évolution concernant une espèce partenaire avec laquelle des liens étroits sont établis (par exemple plante et insecte pollinisateur) revient alors à modifier l’environnement au sens large de l’autre espèce partenaire. Dans cette métaphore, « la Reine rouge explique, qu’en réalité, elles courent pour rester sur place dans un environnement qui évolue lui aussi. Cette métaphore traduit qu’il est nécessaire d’évoluer conjointement pour rester associé à son partenaire. » (Meyer, Reeb, Bosdeveix) 2 Infection des ormes par un champignon 1. Comme les thylles obstruent les vaisseaux, ils provoquent l’arrêt de circulation de sève brute dans ce vaisseau. 2. Le nombre de thylles augmente au cours de l’infection ; on peut penser que la plante réagit activement et obstrue de nombreux vaisseaux par les thylles, ce qui condamnent l’usage de ces vaisseaux mais pourrait aussi limiter ou ralentir la propagation du champignon dans l’arbre. 3 Expérience de Turgeon et Webb 1. Le CO2 est absorbé par les stomates de la plante et incorporé dans les molécules organiques de la plante par le processus de la photosynthèse. 2. Les molécules radioactives sont le produit de la photosynthèse des feuilles matures qui ont été enfermées dans une enceinte en présence de CO2 radioactif. On retrouve ces molécules dans de jeunes feuilles en cours de développement qui ne réalisent pas encore la photosynthèse ; il y a donc un transfert de molécules organiques via la sève élaborée depuis les feuilles matures vers les jeunes feuilles. 3. On constate que la quantité de ces molécules radioactives décroît avec le temps ; elles sont donc consommées ; on peut penser que ces jeunes feuilles deviennent ensuite elles-mêmes photosynthétiques. © NATHAN 2012• SVT Term S • Livre du professeur • Chapitre 5 29 Évaluation des capacités expérimentales Suivre un protocole expérimental Nous avons choisi de montrer l’intérêt de certaines techniques de laboratoire, comme la chromatographie de partage, pour répondre à une problématique simple : Comment identifier les sucres présents dans le nectar des fleurs et dans le miel produit par les abeilles ? Quelques précisions sur le protocole et conseils de réalisation : Il faut acheter les lis à l’avance afin d’avoir à disposition des fleurs bien ouvertes et à pleine maturité avec beaucoup de nectar : dans ce cas, on voit clairement le nectar perler à la base des pétales, tout au fond de la corolle. Le papier filtre imbibé de nectar est incubé dans un petit volume d’eau (200 µl) dans un microtube type tube Ependorf. Il est vivement recommandé d’utiliser une micropipette et non une pipette pasteur pour les dépôts ; cela permet de déposer des gouttes de petite taille dont on contrôle le volume. On peut répéter plusieurs fois le dépôt du même échantillon bien sûr sur la même tâche, ceci afin d’enrichir en sucres le dépôt. Le miel est souvent riche en sucres et insuffisamment dilué ; on peut à l’échelle d’une classe, faire réaliser diverses dilutions aux élèves. Les cuves de chromatographie doivent être remplies de solvant plusieurs heures avant le début de la migration et fermées, ainsi l’atmosphère interne de la cuve est saturée de solvant. Lors de la révélation, il faut tremper la plaque en une fois dans le permanganate de potassium à l’aide d’une pince ; attention, cette solution tâche beaucoup ! on trempe et on retire la plaque aussitôt en égouttant l’excès de révélateur. • Sur le chromatogramme obtenu, on constate que : – chaque sucre témoin (S = saccharose ; G = glucose ; F = fructose) migre à une certaine hauteur (on peut faire quantifier par les élèves le rapport Rf = distance de migration du sucre/distance de migration du front de solvant) ; on constate toutefois que glucose et fructose migrent presque au même niveau (ce qui n’est pas très étonnant puisque ce sont des isomères, à la formule brute identique) ; – la migration du nectar de fleur de lis montre une seule tâche migrant au même niveau que la tâche obtenue pour le saccharose ; – la migration du miel montre une seule tâche migrant au même niveau que le glucose et le fructose. © NATHAN 2012• SVT Term S • Livre du professeur • Chapitre 5 30 • On peut donc conclure que le nectar de la fleur de lis (et des autres fleurs aussi) contient du saccharose tandis que le miel n’en contient pas. On peut dire qu’il doit son goût sucré à la présence de glucose, ou de fructose ou des deux. En fait, on trouve glucose et fructose dans le miel et parfois un faible pourcentage de saccharose ici non détecté. • On peut éventuellement aller plus loin avec les élèves et s’interroger sur le devenir du saccharose du nectar consommé par les abeilles et l’origine du glucose et du fructose contenus dans le miel : le saccharose est un disaccharide, c’està-dire un sucre constitué de deux oses (glucose et fructose) ; lorsque l’abeille butineuse récolte et stocke le nectar dans son jabot, elle sécrète une enzyme, une invertase ou saccharase, qui clive le saccharose en glucose et fructose. Capacités testées Acquis En voie d’acquisition Non acquis Suivre un protocole Diluer correctement solution une Utiliser une micropipette Déposer les échantillons sur la plaque au-dessus de la ligne du solvant Manipuler la plaque dans la solution de révélateur. Communiquer dans langage scientifique un Raisonner © NATHAN 2012• SVT Term S • Livre du professeur • Chapitre 5 31 Corrections des exercices BAC Restitution organisée des connaissances 1 Les surfaces d’échanges Les plantes fixées au sol par leurs racines ne peuvent pas se déplacer pour rechercher des substances nutritives. On peut se demander comment les plantes assurent leur approvisionnement en substances nutritives. Selon le botaniste Francis Hallé, une plante est un ensemble de vastes surfaces d’échanges fixe. Plan proposé : I L’appareil végétatif des plantes comporte des racines, des tiges et des feuilles mises en relation par des éléments conducteurs II Les poils absorbants racinaires constituent une surface d’échanges avec le sol et permettent l’absorption de l’eau et des ions du sol III Les stomates des feuilles constituent une surface d’échanges avec l’air et permettent l’absorption du CO2 atmosphérique Exercice sur documents 2 Autopollinisation ou pollinisation croisée ? Même si la plupart des plantes présentent des fleurs hermaphrodites, la pollinisation croisée est plus fréquente ; on peut se demander quels sont les mécanismes limitant l’autopollinisation chez les plantes. Chez la primevère, la coupe longitudinale de fleur montre qu’il existe deux types de fleurs : certaines aux étamines longues et pistil courtet d’autres aux étamines courtes et au pistil long. Ainsi lors de l’exploration d’une fleur en quête de nectar, un insecte pollinisateur s’enfonce dans le tube de la corolle où il se charge de pollen sur les éta© NATHAN 2012• SVT Term S • Livre du professeur • Chapitre 5 32 mines courtes ; lorsqu’il visite une autre fleur au style court, il dépose du pollen sur le style court et vice versa. Chez le caféier, la germination des grains de pollen a été étudiée : on constate la présence de nombreux tubes polliniques quand pollen et pistil appartiennent à deux fleurs différentes : il y a donc eu une excellente germination des grains de pollen ; par contre, on observe l’effet inverse quand pollen et pistil appartiennent à la même fleur. Il existe donc un mécanisme contrôlant la germination des grains de pollen : ce mécanisme favorise la germination en cas de pollinisation croisée, mais inhibe la germination en cas d’autopollinisation. Les pollinisations croisées permettent la reproduction de deux plantes de génotype différent, ceci permet donc un bon brassage génétique, c’est-à-dire la formation de nouvelles combinaisons alléliques dont certaines peuvent être avantageuses par rapport à certaines conditions environnementales. © NATHAN 2012• SVT Term S • Livre du professeur • Chapitre 5 33
