Aspects cellulaires de la construction du végétal : la mitose

PARTIE 2 • La morphogenèse des végétaux et l’établissement du phénotype • 75
•Objectifs généraux du chapitre
Ce chapitre répond aux deux points suivants du pro-
gramme officiel : « La morphogenèse associe la division
et la croissance cellulaire au niveau de territoires spécia-
lisés » et « La mitose est un processus commun aux cel-
lules eucaryotes ».
La mitose, localisée pour l’essentiel au niveau des
méristèmes (cas des végétaux supérieurs), permet de
produire des cellules qui vont ensuite se différencier et
participer à la croissance et à la structuration de l’orga-
nisme (feuilles, tiges, racines).
La mitose, processus commun aux cellules eucaryo-
tes, est préparée par une replication de l’ADN, réalisée
avant la mitose.
Chaque cellule fille issue de la mitose contient (aux
rares mutations près, qui n’auraient pas été
« corrigées » par la cellule) le même matériel génétique
(nombre de chromosomes, quantité d’ADN, pro-
gramme génétique) que la cellule initiale.
•Pré-requis
– Structure de la molécule d’ADN, constitutive des
chromosomes.
– Comportement global des chromosomes au cours
d’une division cellulaire. Notion de clone.
– Gène, allèles, expression du programme génétique.
– Les enzymes, biocatalyseurs spécifiques d’un substrat
et d’une réaction.
•Découpage du chapitre, choix
des activités pratiques proposées
Le découpage adopté répond aux problématiques
suivantes :
–quels sont les sites, à l’échelle de l’organisme qui sont
à l’origine de la morphogenèse ? Quelles sont les mani-
festations les plus apparentes de cette morphogenèse ?
(TP 1, pages 102-103 et Document pour mieux com-
prendre 1, page 111) ;
–quels sont les mécanismes cellulaires qui caractéri-
sent l’activité des apex ? (TP 2, pages 104-105 et Docu-
ment pour mieux comprendre 1, page 111). Attention, le
TP se déroule en deux temps : traçage des repères lors
du TP, lecture des résultats lors de la séance de cours ;
–quelles sont les étapes qui caractérisent et permettent
la prolifération cellulaire au niveau des méristèmes des
apex ? (TP 3, pages 106-107 et Document pour mieux
comprendre 2, page 111) ;
–quel est le comportement du matériel nucléaire au
cours d’un cycle cellulaire ? (TP 4, pages 108-109 et
Documents pour mieux comprendre3 et 4, pages 112-
113).
La programmation horaire de ce chapitre peut donc
être envisagée sur deux semaines (4 h de TP, 4 h de
cours).
Première séance
Les TP 1 et 2 du manuel peuvent accompagner la pre-
mière séance de TP réalisée avec les élèves.
Ils permettent de localiser les territoires spécialisés dans
la croissance et la mise en place des organes (apex) et
d’en identifier les caractéristiques cellulaires (zone de
prolifération avec figures de mitose ; zone de grandisse-
ment ou allongement, zone de différenciation).
Deuxième séance
Les TP 3 et 4 du manuel permettent alors, lors d’une
seconde séance, d’établir les modalités du processus de
mitose (dans le cas d’un végétal) et de discuter les rela-
tions entre ce processus « mécanique » et l’information
génétique des cellules en division.
Les cours associés à ces séances de travaux pratiques
permettront de revenir sur ces premières notions cons-
truites, de les expliquer (notamment dans le cas de la
mitose et de la « duplication » préalable et nécessaire
des chromosomes). On pourra ainsi, en classe entière,
aborder le mécanisme de replication, en l’ayant initiale-
ment localisé au niveau du cycle cellulaire.
CHAPITRE
6
Aspects cellulaires de la construction
du végétal : la mitose
Manuel, pages 101 à 120
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•Intentions pédagogiques
➜Objectifs notionnels
– À l’échelle de l’organisme végétal, la morphogenèse a pour origine (pour l’essentiel)
l’activité cellulaire des apex situés à l’extrémité des racines et des tiges.
– Elle suppose une prolifération cellulaire et ou croissance par élongation des cellules.
➜Objectifs méthodologiques
– Appliquer un protocole expérimental.
– Formuler des hypothèses et les confronter à des résultats expérimentaux.
– Construire une réponse dans le cadre du problème posé.
•Commentaires des documents proposés
Croissance d’une plantule de Pois
Le document présente trois stades de la croissance d’une plantule de Pois après germina-
tion. La zone pilifère, de fort diamètre et de position constante, est souvent observable ;
c’est un excellent repère permettant de mettre en relief l’activité des zones qu’elle sur-
monte (notamment la zone de prolifération). Plusieurs stades de croissance peuvent être
observés et comparés à la loupe binoculaire. Ils permettent de noter l’influence appa-
rente des apex racinaire et caulinaire sur la construction du végétal : allongement de la
racine, production de nouvelles tiges et de feuilles…
Effet d’un herbicide sur la morphogenèse
La comparaison des deux plants témoins et des germinations traitées montre clairement
que la croissance de la tige et de la racine est inhibée par le traitement. Les apex sont
donc les sites privilégiés de la morphogenèse végétale.
2
1
TP 1
Les apex : croissance et de mise en place des organes
Manuel, pages 102 et 103
Il est recommandé, pour obtenir ces résultats, de mettre des lots de graines de Pois à
germer 8 jours, 5 jours et 4 jours avant le TP dans de la vermiculite régulièrement
hydratée, à la lumière et à une température moyenne de 18 à 20 °C (les graines
hydratées pendant 48 h ayant achevé leur germination peuvent être enroulées aussi
dans du sopalin hydraté régulièrement, ce qui permet d’éviter le lavage des racines et
facilite l’observation).
CONSEILS
PRATIQUES
Cet herbicide est pulvérisé associé à des lipides et pénètre par la paroi et la membrane
sous forme de vapeur. Ses effets antimitotiques se traduisent par un blocage de la
métaphase des cellules méristématiques par inhibition de la polymérisation de la
tubuline en microtubules nécessaires à la séparation des chromatides.
I
NFORMATION
COMPLÉMENTAIRE
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PARTIE 2 • La morphogenèse des végétaux et l’établissement du phénotype • 77
Apex racinaire et croissance des racines
Ce document invite à appliquer un protocole expérimental facile permettant de mesurer
l’évolution de la longueur des zones racinaires en fonction de leur éloignement de l’apex.
Les résultats sont indiqués par les photographies avec échelle.
Apex caulinaire et mise en place de nouveaux organes
Ce document permet d’observer deux stades de la croissance d’un apex caulinaire. À la
différence de l’apex racinaire, l’apex caulinaire participe à l’allongement de la tige mais
aussi à la production de nouveaux organes (feuilles).
•Correction de l’exploitation
Document 1
a. Au cours du temps : l’extrémité de la tige se déplace vers le haut, la tige s’allonge, de
jeunes feuilles y apparaissent ; l’extrémité de la racine se déplace vers le bas, la racine s’al-
longe. Les organes ont un diamètre d’autant plus faible qu’on se rapproche de leur extré-
mité (bien visible au niveau de la racine).
4
3
CHAPITRE 6 • Aspects cellulaires de la construction du végétal : la mitose
Une telle observation peut-être effectuée réellement à la loupe binoculaire. Elle permet
de constater en coupe longitudinale :
– une zone orangée terminale (le méristème étudié plus tard) ;
– une zone d’élongation (abordée par la suite) détectable par la longueur des entre-
nœuds ;
– une zone de différenciation cellulaire, plus évidente que pour un apex racinaire, où de
nouveaux organes comme les feuilles à l’aisselle desquelles des bourgeons axillaires
(constituées de cellules totipotentes) apparaissent.
CONSEILS
PRATIQUES
– Faire germer quatre à cinq jours avant le TP, un lot de graines de Pois afin de disposer
de plantules de deux à trois jours.
• Matériel à prévoir par binôme
Loupe binoculaire, fil à coudre, un verre de montre et de l’encre de chine en cartouche.
Un tube en verre rempli d’eau de taille adaptée à la réception d’une racine en
croissance.
• Manipulation
– Le traçage de la racine s’effectue sous la loupe binoculaire sur 0,5 cm à partir de l’apex
(qui est le 1er repère).
– Le respect de l’équidistance (0,5 mm maximum) demande une certaine adresse. Le
maintien de la plantule peut-être effectué par un peu de pâte à modeler.
– Les résultats peuvent être observés quelques jours plus tard (séance de cours) ou la
semaine suivante à condition de mettre les tubes contenant les plantules au frigidaire
48 h après (afin de bloquer les divisions).
• Observation
Les élèves observent à la loupe les racines, sur un papier millimétré, et mesurent les
variations de longueur entre deux repères en fonction de leur éloignement par rapport
à l’apex, afin de tracer un graphique.
CONSEILS
PRATIQUES
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b. Diverses hypothèses peuvent être attendues, parmi lesquelles :
– la zone responsable de la croissance se situe sous les cotylédons (invalidable car contra-
dictoire avec l’observation des différences de diamètres) ;
– au milieu des organes ;
– à l’extrémité de la tige et de la racine.
Document 2
L’observation des résultats du traitement herbicide confirme l’hypothèse que la croissance
des organes végétaux est assurée par l’activité de leurs extrémités respectives nommées
apex.
Document 3
a. Le graphique ou le tableau obtenu (suite aux résultats réels ou ceux fournis par les
documents du manuel) permettent de constater que la croissance en longueur de la
racine est localisée entre une zone terminale, toujours présente et une zone située en
recul qui ne présente aucune élongation.
b. L’apex, zone terminale de la racine, est à l’origine de la croissance de cet organe, sui-
vant deux mécanismes hypothétiques : multiplication des cellules et/ou élongation des
cellules.
Document 4
On constate au cours du temps que l’extrémité de l’apex, omniprésente, se déplace vers
le haut.
Sous l’apex, la tige s’allonge, de nouveaux organes comme les feuilles apparaissent (à l’ais-
selle desquelles il y a des bourgeons) ce qui traduit une différenciation cellulaire plus
poussée que celle d’une racine.
La partie sectionnée ne montre pas de croissance.
En conclusion : La croissance de la tige feuillée ne peut être attribuée qu’à l’activité de
l’apex caulinaire situé, comme celui de la racine, à l’extrémité de l’organe. Son activité
permanente est à l’origine des nouveaux organes ; ceci suppose une prolifération cellu-
laire suivie d’une élongation.
La présence de nouveaux bourgeons possédant, eux aussi, un apex permet d’affirmer que
certaines cellules issues du méristème initial conservent leur pouvoir de prolifération.
TP 2
Évolution des apex : aspects cellulaires
Manuel, pages 104 et 105
•Intentions pédagogiques
➜Objectifs notionnels
Les apex, situés à l’extrémité des tiges et des racines, sont constitués de trois zones dont
les cellules coopèrent à la formation de nouveaux organes :
– une zone de prolifération cellulaire ;
– une zone de croissance cellulaire par élongation ;
– une zone de différenciation cellulaire plus marquée pour la tige que pour la racine.
➜Objectifs méthodologiques
– Établir des constats suite à l’observation à l’échelle cellulaire de résultats expérimen-
taux présentés par un graphique.
– Construire une réponse dans le cadre du problème posé.
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•Commentaires des documents proposés
Les territoires de l’apex racinaire
Ce document (photographie et graphique) permet de limiter la zone d’élongation de
l’apex, précédée d’une zone de prolifération cellulaire, le méristème.
Document a : Cette photographie permet, grâce aux colorants utilisés, d’observer les
limites, le nombre, la forme et la structure des cellules à partir de l’apex.
Document b : Ce graphique montre qu’il existe une zone proche de l’extrémité, où les
cellules ont une taille constante, faible, et où elles prolifèrent. Cette zone est suivie d’une
autre où les cellules sont allongées, de plus grande taille et ne prolifèrent pas.
(NB : sur le graphique lire µm au lieu de mm).
Évolution des structures cellulaires au niveau d’un apex racinaire
Le montage permet d’observer les caractéristiques des cellules en fonction de l’éloigne-
ment du méristème de l’apex. Cette manipulation délicate bien que gratifiante s’adresse à
des élèves habiles et précis.
Aux observations en direct peut être substituée l’analyse des résultats obtenus au MET
(manuel).
•Correction de l’exploitation
Document 1
a. L’apex est constitué de deux zones :
– une zone située à l’extrémité où les cellules sont de petite taille, globuleuses et où elles
prolifèrent ;
– une zone située au-dessus du méristème où les cellules sont de plus grande taille, s’al-
longent et ne prolifèrent pas. Elle a pour nom zone d’élongation. Ces cellules ont pour
origine l’activité du méristème (prolifération cellulaire).
2
1
CHAPITRE 6 • Aspects cellulaires de la construction du végétal : la mitose
Si votre choix est de proposer la réalisation de la manipulation, il est recommandé de
faire germer des graines de Pois chiche ou de Soja vert (dans de la vermiculite ou du
sopalin hydratés à 18-20 °C) afin d’obtenir des plantules de trois jours.
• Matériel à prévoir par binôme
– Une loupe binoculaire
– Lame de rasoir dont une partie est protégée, pinces fines, lame de verre, lamelle, 1
stabilo noir, 1 flacon de rouge neutre (permettant de visualiser la vacuole)
– Un bon microscope.
• Manipulation
Sous la loupe, faire une coupe longitudinale tangente à la racine, ou plusieurs coupes
(en repérant leur position et orientation par rapport à l’extrémité de l’apex).
• Variante
Il est également possible de montrer l’évolution cellulaire en prélevant des lambeaux de
rhizoderme, à des distances différentes de l’apex. Les lambeaux sont montés au rouge
neutre et observés au microscope. Dans ce cas, seules les phases de grandissement
cellulaire et de différenciation avec évolution de l’ensemble vacuolaire sont
observables.
CONSEILS
PRATIQUES
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