Le règne végétal

Le règne végétal
Evolution du monde végétal à
travers les temps géologiques
Cours Tela Botanica du 25 septembre 2014
Présenté par Guillaume Papuga ([email protected])
Histoire du règne végétal
● Le vocabulaire scientifique
Répond à une logique imparable...
Mots en -phytes : végétal ou organe végétal
àex : un embryophyte = plante à embryon
Mots en -phylle : relatif à la feuille
àex : chlorophylle : pigment de la feuille
Mots en -derme : relatif à la peau
àex : épiderme : extérieur de la peau
Mots en -sperme : relatif à la graine
àex : Spermatophyte
Haploïde vs diploïde
Histoire du règne végétal
Exposé
centré sur
les
processus !
Histoire du règne végétal
● L’évolution comme trame
La diversité du vivant fascine... et pose une question :
Quels sont les mécanismes qui ont amené à une telle
profusion de vie ?
Différentes théories
Temps Antiques : philosophes Grecs & Romains présentent l'idée de
l'évolution... vs fixisme
Le créationnisme : religion & fixisme traversent les siècles
Le XVIII siècle & la paléontologie
Cuvier & le catrastrophisme : succession de créatures divines &
brutales extinctions (opposé à Lamarck)
Transformisme : spécialisation des êtres vivants sous l'effet du
milieu & complexification croissante du vivant
à on ne reconnaît plus les espèces
Charles Darwin, figure majeure de l'évolution
Histoire du règne végétal
● L’évolution comme trame
Principes de base de l'évolution selon Darwin reposent sur des
piliers simples :
- survie * reproduction = capacité d'un individus de persister dans un
environnement (= valeur adaptative, ou fitness)
- mutations changent la valeur adaptative d'individus
- il née toujours plus d'individus que le milieu en support
vie
à
lutte pour la
- si ces mutations améliorent la valeur adaptative des individus (dans
l'environnement de leur ancêtre, ou dans un nouvel environnement), elles
sont sélectionnées
- leur accumulation dans la transmission héréditaire amène au
changement d'espèces
à La sélection correspond à la multiplication des individus
ayant la meilleure valeur adaptative, au détriment des
autres
● Jetons un coup d'oeil vers le passé..
Ère quaternaire
- 2,5 million d'années =
apparition de l'Homme
Ère tertiaire =
cénozoïque
- disparition des
dinosaures
- temps des
mammifères
Ère secondaire =
mésozoïque
- conquête de la Terre
ferme
- apparition des
mammifères et
dinosaures
Histoire du règne végétal
Précambrien = protérozoïque
- apparition de la vie
- peu/pas de fossiles
- bactéries
- photosynthèse
Ère primaire =
paléozoïque
- premiers
organismes
pluricellulaires
- premiers fossiles
(formes vie
ancestrales)
- vie dans l'eau
(poissons,
invertébrés, algues)
Traversons les temps géologique sous l'angle des végétaux !
Histoire du règne végétal
● L'apparition de la vie
Trois hypothèses majeures
- Créationniste
- Panspermie
Présence de particules organiques, dans les météorites
Ne résout rien !
- Hypothèse évolutionniste
Expérience de Urey & Miller
Apparition de molécules dans les sources d'eau chaude
Monde de l'arn
à
Aboutit au monde
des bactéries
Histoire du règne végétal
● Quel est le point commun entre...
Ils vivent tous d'amour et d'eau fraîche !
- vivre : eau (avec ses éléments nutritifs) & photosynthèse,
transforme la lumière en énergie
- se reproduire : cycle de reproduction différent à travers les
groupes abordés
Histoire du règne végétal
● Les temps précambriens, ou l'apparition de la cellule photosynthétique..
1. Apparition des cyanobactéries (2,5 milliard d'années)
- pas les premières à faire de la photosynthèse !
- bactéries photosynthétiques... oxygéniques. Remplace composés
souffrés par de l'eau pour le transfert d’électrons
2. Les stromatolithes (1,8 – 0,6 milliards d'années)
- origine cyanobacterienne
- plus vieux fossiles terrestres
- formation de récifs calcaires
à fixation de CO2
 relargage d'oxygène (océan, puis
à
atmosphère)
Élément fondateur de la vie sur Terre
Jusqu'à la stabilisation à 20 % de O2 il y a
500 millions d'années
Histoire du règne végétal
● Les temps précambriens, 3 évolutions cellulaires majeures
1. Les mitochondries
oxydation respiratoire
fourni l’énergie a la cellule, stockée sous forme d'ATP
2. Les chloroplastes 1,5 milliard d'année)
usine à photosynthèse
3. Le noyaux (1 milliard d'années)
Contrôle les réactions chimique du cytoplasme
stocke ADN (gère la division cellulaire)
Théorie endosysmbionte
Origine des organites de la cellules = symbiose stable d'un
procaryote dans un autre
Incertitudes !!
Histoire du règne végétal
● Le temps des algues (570 Ma à 200Ma, apogée à -400)
Les algues
Végétation dominante de l'aire primaire
Peu de fossiles (tissus dégradables)
à extrapole de ce que l'on des algues contemporaines
Beaucoup d'espèces ! Uni et multicellulaire
Ecologie très large
eau douce, saumâtre, salée
en mer : zone côtière, zone pélagique (plancton) seul la
zone pélagique profonde est peu colonisée
Histoire du règne végétal
● Le temps des algues
Le développement des algues
Vie dans l'eau = pas de contrainte pour acquérir... de l'eau
à thalle sans organisation
Croissance : passe d'un développement non organisé, à la
structuration d'une zone apicale
Grande diversité des formes de vie !
Histoire du règne végétal
● Le temps des algues
La reproduction des algues
Grande diversité des cycles de reproduction
Alternance de phases diploïdes (sporophyte 2n) et
haploïdes (gamétophyte 1n)
Mitose : 1 cellule à 2 cellules identiques
Méiose : 1 cellule diploïde à 2 cellules différentes
Important pour le cycle de reproduction !
Histoire du règne végétal
● La conquête des terres émergées
Une question majeure : combien de fois ??
Zone de battement des marées, à émersion +- longue
Silurien (435 Ma) : 1er fossiles continentaux = bryophytes
« thallophyte » : esquisses de structure
Dévonien (390 à 360 Ma) : rapide diversification
à explosion des cormophytes du Dévonien !
Après l'explosion des invertébrés du Cambrien
Histoire du règne végétal
● La conquête des terres émergées
Portrait robot de ces précurseurs...
Vie proche de l'eau = pas encore très
autonome
Faible taille + tissus peu différenciés
(hydroïdes &
leptoïdes)
à capillarité
Thalle non portant = plantes rampantes,
prostrées
Minéraux dans l'eau... et dans le sol !
à développement de rhizoïdes
(fixation et captage)
Esquisse d'une cuticule : protection du soleil
+ pertes en eau
Histoire du règne végétal
● La conquête des terres émergées
Le mode de reproduction
se stabilise
Diversité des cycles
à
alternance haplo-diploïde
partagée, avec une phase
diploïde < haploïde chez les
bryophytes
Gamètes non protégés,
évoluant librement dans
l'eau
à
protection
des gamètes par une
enveloppe = Archegoniate
Histoire du règne végétal
● Le temps des fougères
Fin de l'ère primaire : 360 à 250 Ma
Apogée du monde des fougères
Carbonifère, grandes forêts de marécages
Eau + absence de décomposeurs = MO non
décomposées... donne la houille
Histoire du règne végétal
● Le temps des fougères
Quelques innovations des fougères...
Vie dans l'eau : carbone = bicarbonate dissout
Sortie de l'eau, le carbone = CO2 atmosphérique
Pour le capter, se dresser au dessus du sol !
à développement d'une surface d'échange = feuille
(tige modifiée)
à tissus de soutient + racine stabilisatrices
Histoire du règne végétal
● Le temps des fougères
Quelques innovations des fougères...
Mais la capillarité n'est plus suffisante :
- pompe osmotique
- transpiration (stomate et cuticule)
Véritable canaux de circulation se différencient :
- trachéides du bois (futur xylème) : sève brute (eau + minéraux)
- tubes criblés du liber (futur phloème) : sève élaborée (eau + MO)
Histoire du règne végétal
● Le temps des fougères
Le mode de reproduction évolue
La phase haploïde (gamétophyte) diminue encore pour être
réduit à 1 prothalle foliacé
Appareil reproducteur anisogame :
- grosse oosphère enfoui dans l'archégone (« gamétophyte
femelle ») (forme de bouteille, avec un bouchon de mucilage)
- petites anthéridies ciliées
Histoire du règne végétal
● Le temps des plantes à fleurs : préambule
Plusieurs groupes fossiles (ou ne présentant plus que quelques
espèces) apportent des éléments important pour comprendre
l'apparition des plantes à fleurs
Ptéridospermés : fougères fossiles pré-ovulées (« fougères à graines »)
transition entre l'appareil sexuel caché (cryptogames) et la sexualité
apparente des phanérogames
Préphanérogames : Caytoniales, Cycadales, Ginkgoales, etc.
Quelques représentants actuels permettent de comprendre les caractères
sélectionnés, principalement pour la reproduction :
à affranchissement de l'eau
Le Ginkgo (cas de monoécie)
Histoire du règne végétal
● Le temps des plantes à fleurs : préambule
Le Ginkgo (cas de monoécie) 270 Ma
Histoire du règne végétal
● Le temps des plantes à fleurs : les gymnospermes
Le secondaire : le temps des conifères
- Trias (230 à 190 Ma) : Grande sécheresse + chaleur + pas de
glaciation
Le monde végétal s'appauvrit
Avènement des plantes à ovules nu (48000 sp vs 1000)
Histoire du règne végétal
● Le temps des plantes à fleurs : les gymnospermes
Quelques innovations des
gymnospermes...
Circulation : trachéides à ponctuation aréolées
Croissance
- méristème primaire : ensemble de cellules
dédiées à la croissance en longueur (mitose)
- méristème secondaire :
cambium libéro-ligneux : crée le xylème et
le phloème
phéllogène : crée le suber (liège)
Histoire du règne végétal
● Le temps des plantes à fleurs : les gymnospermes
Les innovations des gymnospermes
Les ovules & étamines deviennent apparents
L'ovule est nu
Graine
- unité de dissémination (vie ralentie)
- 1 sporophyte embryonnaire
- des réserves nutritionnelles
- 1 ou plusieurs téguments
La fécondation ne dépend plus de l'eau
(sexualité aérienne) : siphonogamie (tube
pollinique)
Souvent monoïque
Histoire du règne végétal
● Le temps des plantes à fleurs : les pré angiospermes
Une série d'innovation se retrouve dans différents groupes : Ephedra,
Gnetum, Welwitshia
- ovule avec enveloppe (petites bractées), mais pas entièrement fermée
- tendance à hermaphrodisme dans les inflorescence
- présence de vrai bois
Histoire du règne végétal
● Le temps des plantes à fleurs : les angiospermes
Comme les gymnospermes ceux sont :
- des plantes à graines (spermatophytes)
- à organes reproducteurs apparents (phanérogames)
Mais il existe 5 différences principales :
1. Majoritairement hermaphrodites
2. Ovule enfermé dans une vraie urne
3. Double fécondation : 2 spermatozoïdes apportés par le
tube pollinique fécondent 2 parties différentes du
gamétophyte
- l'oosphère à embryon (diploïde)
- noyaux polaires à albumen (triploïde)
4. Fruit entourant la graine
5. Bois hétéroxylé (avec des fibres (lignine) et des
vaisseaux)
Histoire du règne végétal
● Le temps des plantes à fleurs : les angiospermes
1. Majoritairement hermaphrodites
2. Ovule enfermé dans une fraie urne
3. Double fécondation : 2
spermatozoïdes apportés par le tube
pollinique fécondent 2 parties différentes
du gamétophyte
- l'oosphère à embryon (diploïde)
- noyaux polaires à albumen
(triploïde)
4. Fruit entourant la graine
Histoire du règne végétal
Et maintenant,
un petit peu
d'évolution...
Histoire du règne végétal
● Les plantes sont elles uniquement Darwiniennes ?
Le transformisme de Lamarck
- complexification croissante du vivant
- spécialisation des êtres vivants sous l'effet du milieux
2 lois découlent de ce principe
- l'emploi d'un organe va le modifier : loi de
l'usage et du non usage
- transmission du caractère acquis
Darwin : génération de diversité est due au hasard
Lamarck : adaptation à l'environnement
Tout organisme est composé de 2 lignée cellulaires :
- le soma (pas hérédité)
- le germen (hérédité)
Animaux : 2 lignées séparées et qui ne communiquent pas ! (cellule œuf
avec 2 pôles, etc.)
Chez les végétaux, ce n'est pas aussi simple...
Histoire du règne végétal
● Les plantes sont elles uniquement Darwiniennes ?
Les plantes
- sexualité tardive (pour certains arbres, dizaines
d'années)
- cellules sexuelles dérivent de méristèmes...
Pas de frontière claire entre soma et
germen chez les plantes !
Héritabilité des mutations du soma
Histoire du règne végétal
● Les plantes sont elles uniquement Darwiniennes ?
2 exemples
- Le lierre panaché
mutation : perte de chlorophylle a la marge
pression de sélection : Homme trouve ça joli
Il coupe les branches aux feuilles non blanchies
Le lierre va produire des graines de lierre... aux
feuilles blanchies
- L'attaque du noisetier
mutation : divers taux de sensibilité aux attaques
de pucerons
chaque année les pucerons reviennent, et diminuent
les branches sensibles, pour finir par les éliminer
l'arbre produira des descendants ayant un génotype
résistant aux pucerons
Histoire du règne végétal
● De l'individus à la colonie... individuelle
Un être humain est défini par son génome (cf criminologie)
L'exemple précédent met en avant la variabilité génétique « intra
individuelle » du génome des plantes.
De nombreuses études ont prouvé l'existence de génomes différents
dans différentes parties d'un arbre.
Caractère partagé par d'autre organismes fixés (coraux) : plasticité de
l'organisme, en réponse à un environnement changeant.
Histoire du règne végétal
● De l'évolution... inter-genre
Dans une forêt, près de Reims...
Les hêtres tortillards, les Faux de Verzy
hêtre au port divariqué, caractère héréditaire
Dans la forêt on compte :
- 668 hêtres
- 13 chênes
- 3 châtaigner
Hypothèse du biologiste West : transfert horizontal de gênes grâce à
un rétrovirus
Histoire du règne végétal
● La coévolution moteur de diversification des végétaux
De l'autre coté du Miroir, Lewis Carroll 1871
« Mais, Reine Rouge, c'est étrange, nous courrons vite et le paysage
autour de nous ne change pas ? »
« Nous courons pour rester à la même place »
Histoire du règne végétal
● Petit exemple de coévolution : la communication chez les Acacias
Les Koudous et les Acacias.. (Van Hoven)
Quelle est la différence entre un animal et un arbre ?
Observation : le Koudou mange les feuilles d'Acacia, puis, après 10 minutes
change d'arbres...
1. Pourquoi changer d'arbre ? Les feuilles de l'arbre A sont devenues astringente
Mais surtout, l'arbre B n'est pas situé n'importe où : il est au vent de l'arbre A
Cela signifie qu'il existe une communication grâce a un message chimique
2 remarques :
- les tanins ne sont pas produits en permanence
- ils disparaissent avec le temps
La densité dans la nature est de 3 koudous / 100ha
Les fermiers clôturent parcelles, puis retrouvent des Koudous mort.
Ne pouvant plus remonter le vent, les animaux meurent jusqu'à
retrouver une densité de 3/100 hectares sur la parcelle
Histoire du règne végétal
● La manipulation chez les plantes : le genre Ophrys
Pollinisation croisée = part
d'incertitude...
Comment faire arriver le pollen
sur le style du partenaire ?
Symbiose animal-végétal (souvent sur
de la nourriture = nectar)
Ophrys : mise en place de leurre
sexuel
- couleur
- forme
- texture
- pilosité
- odeur des abeilles femelles
La diversité des pollinisateurs va
influencer la diversité des fleurs
(genres voire espèces spécifiques)
Histoire du règne végétal
Merci pour votre
attention !
Ce cours est en grande partie inspiré...
-
du
du
du
du
cours de François Munoz : Le règne végétal, une longue histoire !
livre de Paul Mazliak : L'évolution chez les végétaux
livre de Francis Hallé : Eloge de la plante
livre de Stephen Jay Gould : Darwin et les grandes énigmes de la Vie
Histoire du règne végétal
Bibliographie sélective :