Introduction à l'évolution et plantes

Introduction à l'Évolution des Plantes

Ce chapitre explore les concepts fondamentaux de l'évolution biologique, en se concentrant sur les mécanismes de variation, de sélection naturelle, de spéciation, et l'utilisation des arbres phylogénétiques pour comprendre les relations entre les espèces végétales.

1. Variation Intra-spécifique

La variation intra-spécifique fait référence aux différences observées au sein des individus d'une même espèce, souvent influencées par l'environnement.

• Population : Un groupe d'individus de la même espèce vivant dans une aire géographique donnée et se reproduisant entre eux, partageant ainsi les mêmes allèles.

• Aire géographique ou aire de distribution : La zone géographique occupée par les populations d'une espèce.

Exemple de Variation due à l'Environnement

Un exemple concret est la variation de couleur des fleurs de cactus en fonction de l'environnement :

• Dans la plaine, les cactus ont des fleurs rouges ou oranges. Les papillons, pollinisateurs principaux, sont attirés par l'orange, favorisant ainsi la reproduction des cactus à fleurs oranges.

• En montagne, les cactus ont des fleurs roses ou oranges. Les abeilles, pollinisatrices principales, sont attirées par le rose, favorisant la reproduction des cactus à fleurs roses.

Cette adaptation assure une reproduction efficace. Les couleurs de fleurs moins attrayantes pour les pollinisateurs locaux sont progressivement éliminées au fil des générations.

2. La Sélection Naturelle

La sélection naturelle est le mécanisme par lequel l'environnement favorise certains individus dotés de caractères spécifiques (allèles) qui augmentent leur succès reproducteur.

Mécanisme de la Sélection Naturelle

À partir d'une variation d'un caractère, l'environnement favorise les individus mieux adaptés, qui se reproduisent davantage. Cela conduit à une augmentation de la fréquence des allèles favorisés au fil des générations, c’est évolution naturelle.

Si l'environnement change, d'autres individus, mieux adaptés aux nouvelles conditions, seront favorisés.

Exemple de Calcul de Succès Reproducteur

Ce tableau montre comment le nombre d'individus oranges augmente au détriment des rouges sur une génération, démontrant l'impact de la sélection naturelle.

Exemples Concrets

• Fossiles vivants : Les espèces comme le cœlacanthe n'ont presque pas évolué car leur environnement est resté stable pendant des millions d'années.

• Couleur de la peau humaine : La perte de mélanine chez les populations migrant vers le nord est une adaptation. La peau claire permet une meilleure synthèse de vitamine D avec moins d'intensité lumineuse, essentielle pour la croissance osseuse. Les individus à peau claire ont été favorisés, se reproduisant et transmettant ce caractère.

3. Spéciation et Biodiversité

La spéciation est la formation d'une nouvelle espèce à partir d'une espèce ancestrale, résultant souvent d'une sélection naturelle divergente entre des populations isolées.

La Sélection par l'Homme (Domestication)

L'homme contribue également à l'évolution des espèces par la domestication, qui est une forme de sélection directionnelle artificielle.

• L'homme sélectionne des individus présentant des caractères souhaitables (ex: maïs avec de gros épis) et les reproduit entre eux.

• Ce processus peut entraîner l'apparition de variétés très différentes de l'espèce d'origine, comme on le voit dans les diverses formes de choux (chou-fleur, chou de Bruxelles) qui proviennent d'une seule espèce ancestrale par sélection de caractères spécifiques (bourgeons floraux, bourgeons axillaires).

4. Arbre Phylogénétique

La systématique phylogénétique est l'étude de la diversité biologique et des relations de parenté entre les organismes vivants et fossiles. Elle vise à classer les êtres vivants en fonction de leur ancêtre commun.

• Les arbres phylogénétiques représentent ces relations évolutives sous forme de diagrammes branchus.

• Chaque nœud de l'arbre correspond au plus proche ancêtre commun des groupes qu'il relie.

• Les trajets entre deux nœuds indiquent l'apparition ou la disparition d'un événement évolutif (caractère) menant à la spéciation.

• Espèce dérivée : Espèce apparue plus récemment dans l'évolution.

• Espèce ancestrale : Espèce la moins évoluée ou plus ancienne.

L'évolution peut être reconstruite selon :

• Les caractères morphologiques (forme, structure).

• Les caractères moléculaires (séquences d'ADN, protéines).

4.1. Polarisation des Caractères

Polariser les caractères consiste à identifier les états ancestraux et dérivés des caractères. Cela peut être fait en étudiant les fossiles ou en comparant avec un groupe externe.

• Apomorphie : Un caractère dérivé partagé qui indique l'évolution d'un groupe et la proximité évolutive des espèces. Chaque taxon doit avoir au moins une apomorphie propre.

• Plésiomorphie : Un caractère ancestral partagé avec d'autres taxons.

4.2. Matrice [Caractères x Taxon]

Une matrice de caractères permet de construire un arbre phylogénétique en regroupant les individus qui partagent des caractères communs.

5. L'Évolution des Plantes

Les plantes sont des organismes photoautotrophes pluricellulaires eucaryotes adaptés à la vie terrestre.

A. Les Lycophytes et les Ptérophytes

Ces groupes représentent des étapes clés de l'évolution végétale.

• Lycophytes : Les plantes dominantes il y a 300 millions d'années. Elles ont joué un rôle majeur dans la modification de l'atmosphère terrestre en augmentant l'oxygène par photosynthèse et ont formé une grande partie des gisements de pétrole et de charbon (ère du Carbonifère).

• Sphénophytes (Prêles) : Petites plantes encore présentes aujourd'hui, riches en silicium.

• Fougères : Caractérisées par des mégaphylles (grandes feuilles avec de nombreuses nervures), appelées frondes. Leur reproduction se fait via des sores (cellules reproductrices) situées sous les feuilles.

B. Les Spermatophytes (Plantes à Graine)

Les Spermatophytes regroupent les Gymnospermes et les Angiospermes. Leur apomorphie principale est la présence de graines.

Avantages de la Graine :

• Protection accrue de l'embryon contre la sécheresse, les pathogènes et les herbivores.

• Dormance, permettant la germination dans des conditions optimales.

• Présence de réserves nutritives favorisant le développement initial de la plantule.

• Facilite la dissémination grâce aux fruits chez les Angiospermes.

Apomorphies des Spermatophytes :

• Caractère végétatif : Présence de cambium bifacial produisant xylème II et phloème II.

• Caractère reproducteur :

  • Protection des gamètes : gamètes mâles dans des grains de pollen (vs. spermatozoïdes nageurs), ovule protégeant les gamètes femelles.

  • Protection de l'embryon dans la graine, protégée par le tégument et des réserves.

C. Les Angiospermes

Elles sont les plantes les plus récentes et diversifiées (environ 270 000 espèces, 87% des plantes). Leur caractéristique principale est la fleur et la présence de vaisseaux dans le xylème et de tubes criblés et cellules compagnes dans le phloème.

La diversification des fleurs est liée à la coévolution avec les insectes pollinisateurs.

Rappel : Évolution de la Fleur

5.1. Les Angiospermes Basales (Anita + Magnoliidae)

Ce sont les Angiospermes les plus primitives (ex: nénuphar, magnolia).

• Beaucoup de tépales (caractère ancestral), d'étamines et de carpelles.

• Fleur polymère (grand nombre de pièces) ou trimère (caractère commun avec les Monocotylédones).

• Pollen monoaperturé (un seul pore de germination).

• Gynécée apocarpe/dialycarpelle (carpelles libres).

• Faisceaux vasculaires en eustèle.

5.2. Les Monocotylédones

Incluent des plantes comme le blé, le maïs, le riz, la banane, l'ail.

• Fleur trimère (plésiomorphie).

• Disposition pentacyclique ou trimère (jamais spiralée ou hémispiralée).

• Pollen monoaperturé.

• Gynécée apocarpe ou syncarpe.

• Un seul cotylédon.

• Nervations parallèles.

• Faisceaux en atactostèle.

• Racines adventives.

Exemples de formules florales :

• × PC 3+3 A 3+3 G (3) (Liliaceae)

• % PC 3+2 [A 1+2 G (3)] (Orchidaceae)

• × P0 A 3+3 G(2) (Poaceae)

5.3. Les Eudicotylédones Basales

Elles présentent des caractéristiques typiques des dicotylédones (ex: pavot).

• Disposition souvent partiellement spiralée/hémicyclique.

• Nombreuses pièces florales, tépales ou sépales et pétales libres.

• Nombreuses étamines et carpelles.

• Pollen triaperturé (apomorphie).

• Gynécée apocarpe.

• Faisceaux vasculaires en eustèle.

• Fleurs pentamères ou tétramères.

Exemples de formules florales :

• × K5 C5 A_∞ G5

• × PC 2+2 A_∞ G(4)

5.4. Les Eudicotylédones Centrales (Rosidae + Asteridae)

Elles sont cycliques avec deux cycles d'étamines, des sépales et des pétales, et un pollen triaperturé.

A. Les Rosidae

• Feuilles avec stipules (appendice foliacé à la base du pétiole).

• Fleurs pentamères ou tétramères.

• Fleurs pentacycliques.

Exemples de formules florales :

• × K5 C5 A5+5 G(5)

• × K(4) C4 A4+4 G(2)

Au sein des Rosidae :

• Les Fabidae : symbiose avec des bactéries (ex: pois, haricots).

• Les Malvidae : aucune apomorphie morphologique nette (ex: chou).

B. Les Asteridae

• Pétales soudés (gamopétales).

• Étaminés épipétales (filet soudé à la corolle).

• Androcée haplostémone (un seul cycle d'étamines) ou oligostémone (moins d'étamines que de pièces florales).

• Ovaire bicarpellé, gynécée formé de 2 carpelles fusionnés.

Au sein des Asteridae :

• Les Lamiidae : Ovaire supère (ex: Cinchona).

  • % K(5) [C(5) A4] G(2) (Lamiaceae)

  • × K(5) [C(5) A5] G(2) (Solanaceae)

  • × K(4) [C(4) A4] G(2) (Rubiaceae)

• Les Campanulidae : Ovaire infère (sous les pièces florales) (ex: Echinacea).

  • % K5 [C(5) A5] G(2) (Caprifoliaceae)

  • × K0 [C(5) A5] G(2) (Asteraceae)