Rôle du glucose dans les fonctions vitales des plantes

VI-2-La plante, productrice de matières organiques

La photosynthèse synthétise du glucose, une molécule organique essentielle au fonctionnement des cellules végétales et qui peut entrer dans de nombreuses voies métaboliques.

Question de recherche

Les études moléculaires peuvent-elles démontrer que le glucose produit par la photosynthèse intervient dans d'autres fonctions vitales de la plante que la respiration ?

Productions attendues

• Une image informatique traitée et légendée (Libmol) montrant que la molécule de cellulose est constituée de glucoses.

• Un texte argumenté répondant à la question. Il identifiera et décrira l'intérêt des molécules étudiées (cellulose, lignine, anthocyane) pour la vie du végétal et démontrera que ces molécules sont issues du glucose.

Ressource 1 : Cellulose et lignine

La cellulose est le composant principal des parois végétales (35 à 50 % de la biomasse). La lignine (15 à 25 % de la biomasse) est la troisième famille de composés la plus abondante. Elle est synthétisée à partir de la phénylalanine (Phe) via une cascade de réactions enzymatiques et apporte rigidité, imperméabilité à l'eau et résistance à la décomposition. On la trouve dans la paroi des vaisseaux conducteurs du xylème.

Ressource 2 : Les anthocyanes

Les anthocyanes sont des pigments naturels (rouge orangé à bleu pourpre) situés dans les vacuoles des cellules. Ce sont des hétérosides formés d'une molécule non glucidique (aglycone) et d'oses. L'aglycone, groupement chromophore, est instable. L'ajout d'un glucide en position C-3 du cycle central stabilise la molécule, comme le 3-glucoside de malvidine.

Ressource 3 : Le glucose, produit de la photosynthèse, dans les voies métaboliques

Une image illustre que le glucose est un pivot central dans de multiples voies métaboliques interconnectées de la plante (glycolyse, fermentation, synthèse d'acides aminés, etc.).

Objectifs de la séance

• Poser les bases d'une chaîne de biosynthèse.

• Se familiariser avec le logiciel Libmol et la présentation d'image numérique (rotation, zoom, capture d'écran, travail d'image numérique).

• Identifier le glucose en modèles moléculaires.

• Définir ce qu'est un monomère.

VI- Le fonctionnement des plantes à fleurs

VI-1- Les structures d'échange des plantes à fleurs

Les plantes à fleurs possèdent des structures spécialisées permettant les échanges avec leur environnement afin d'assurer leur fonctionnement et leur croissance.

Schéma de la morphologie d'une plante

Ce schéma représente la structure globale d'une plante avec ses deux appareils principaux.

• Appareil aérien :

  • Bourgeon terminal : situé à l'extrémité de la tige, assure la croissance verticale.

  • Bourgeon axillaire : situé à l'aisselle des feuilles, donne naissance aux branches ou aux fleurs.

  • Tige : supporte les feuilles et les fleurs, contient les nœuds (points d'attache des feuilles) et les entre-nœuds (sections entre les nœuds).

  • Feuille : organe principal de la photosynthèse, comprend le limbe (partie plate et élargie) et le pétiole (tige de la feuille la reliant à la tige principale).

• Appareil souterrain :

  • Racine primaire : racine principale se développant à partir de la graine.

  • Racine secondaire : ramifications latérales de la racine primaire.

Mots nouveaux : Tige (nom) → caulinaire (adjectif), Phytomère (unité répétitive de la plante, comprenant un nœud, un entre-nœud, une feuille et un bourgeon axillaire).

La photosynthèse

La synthèse de la matière organique grâce à l'énergie lumineuse s'appelle la photosynthèse.

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Elle a lieu dans des organites appelés chloroplastes.

• Des observations de chloroplastes (Microscope Optique et Microscope Électronique à Transmission) montrent la présence d'amidon, mis en évidence par de l'eau iodée ou par des images détaillées.

• Cette synthèse nécessite la coupure (photolyse) d'une molécule d'eau, libérant des protons qui participent à la réduction du CO₂.

Rappels de seconde : les besoins des végétaux

Pour fonctionner, une plante a besoin de :

• Faire entrer l'eau et les ions minéraux au niveau de ses racines.

• Faire entrer le CO₂ au niveau de ses feuilles.

• Faire circuler l'eau et les ions minéraux (dans la sève brute) des racines vers les feuilles.

• Faire circuler le sucre, produit de la photosynthèse (dans la sève élaborée), vers les organes qui en ont besoin, sans mélange des deux sèves.

Introduction du cours

L'énergie lumineuse est captée par les pigments photosynthétiques dans les thylakoïdes des chloroplastes. Cette énergie est convertie en énergie chimique lors de la photolyse de l'eau, libérant du dioxygène () et réduisant le dioxyde de carbone (), ce qui produit du glucose. La plante terrestre, fixée à l'interface sol/atmosphère, présente des adaptations spécifiques à ce mode de vie.

Partie 1 : L'appareil racinaire

L'appareil racinaire est adapté à l'absorption de l'eau et des ions minéraux.

Ressource 1 : Observation de jeune pousse de radis

Les racines sont très ramifiées. Certaines zones proches de leurs extrémités présentent de nombreux poils absorbants, tandis que d'autres en sont dépourvues.

Ressource 2 : Expérience de Rosene

Dans les années 1930, Hilda F. Rosene a montré que seule la zone de la racine contenant les poils absorbants est capable d'absorber l'eau et les ions minéraux, permettant le développement de la plante.

Ressource 3 : Schéma d'une organisation générale d'une racine en coupe transversale

Ce schéma montre l'axiale de la racine, les poils absorbants en périphérie, délimités par une membrane plasmique et contenant du cytoplasme. Les poils absorbants sont des cellules allongées et uniques.

Protocole d'observation de poils absorbants

• Écraser une portion de racine (avec et sans zone pilifère) entre deux lames (squash).

• Monter la racine écrasée entre lame et lamelle pour observation au microscope.

Corrections : Expérience de Rosene

• Comparaison des expériences A et B : seule la plante dont la zone pilifère est dans l'eau se développe sans flétrir.

• Connaissances : L'absorption d'eau est vitale.

• Déduction : La zone des poils absorbants est responsable de l'absorption d'eau et d'ions minéraux.

Corrections : Résultat du squash de racine

• Observation : Les poils absorbants sont limités par une unique membrane plasmique délimitant un hyaloplasme.

• Connaissances : Une cellule est un compartiment aqueux (hyaloplasme) délimité par une membrane plasmique.

• Déduction : Les poils absorbants sont des cellules uniques et allongées.

Un peu de mathématique : Surface d'échange des poils absorbants

Pour un kg de plants de blé :

• Poil absorbant : Diamètre = 13,5 µm (13,5 x m), Longueur = 0,7 mm (0,7 x m).

• Surface S d'un poil absorbant (cylindre) : .

• Nombre de poils absorbants par pied de 250 g de blé : 14 milliards ().

• Surface totale pour 1 kg de plants de blé est .

• Remarque : La surface d'un terrain de tennis est d'environ 200 m².

Partie 2 : Étude de l'appareil foliaire

L'appareil foliaire est adapté à la réalisation de la photosynthèse.

Ressource 1 : Schéma d'une coupe de feuille

Montre l'organisation interne de la feuille, y compris l'épiderme supérieur/inférieur et le parenchyme.

Ressource 2 : Le stomate

Un stomate est une structure formée de deux cellules de garde (en haricot) qui ménagent une ouverture (ostiole). Les stomates sont présents sur les organes

aériens (feuilles et tiges) et sont entourés de cellules épidermiques. Une photo de stomate vu de dessus au microscope optique est fournie.

Matériel et protocole d'utilisation

Matériel

• Feuille, pinces fines, aiguille lancéolée, ciseaux fins, microscope, lames et lamelles, eau, papier absorbant, vernis à ongles transparent.

Protocole

• Proposer une stratégie pour identifier la face de la feuille qui favorise le passage du CO₂ à travers l'épiderme, en se basant sur les ressources.

• Réaliser des observations microscopiques de l'épiderme inférieur d'une feuille et des empreintes de l'épiderme supérieur.

• Exploiter les résultats pour démontrer quelle face de la feuille favorise le passage du CO₂.

Protocole : Préparation d'échantillons

1. Faire une petite incision perpendiculaire à l'axe de la feuille avec un scalpel.

2. Prélever un lambeau d'épiderme très fin et transparent à l'aide d'une pince fine.

3. Déposer le lambeau dans une goutte d'eau dans un verre de montre.

Protocole : Poser le vernis

• Étaler une goutte de vernis sur l'épiderme (environ 0,5 cm de diamètre), ni trop fin ni trop épais.

• Répéter sur plusieurs zones pour obtenir de multiples empreintes.

• Placer la feuille sous une lampe pour accélérer le séchage.

Protocole : Prélever les empreintes

• Attendre que le vernis soit sec.

• Soulever le bord du vernis avec une aiguille lancéolée.

• Décoller le vernis avec une pince fine.

• Répéter pour toutes les empreintes.

Des photos montrent des empreintes d'épiderme supérieur de liseron, avec des cellules épidermiques et des stomates clairement visibles.

Corrections : Étude de l'entrée de CO₂ dans les feuilles

• Observation : La face inférieure de la feuille possède beaucoup plus de stomates (20) que la face supérieure (0).

• Connaissances : L'entrée du CO₂ se fait au niveau des stomates.

• Déduction : La face inférieure de la feuille favorise l'entrée du CO₂ nécessaire à la photosynthèse.

Partie 3 : Étude de la tige

La tige est adaptée au transport bidirectionnel des sèves.

Ressource 1 : Coupe transversale et longitudinale de tige

• Une coupe transversale montre les faisceaux conducteurs de sève, composés du xylème (vers le centre) et du phloème (vers la périphérie).

• Une coupe longitudinale détaille les vaisseaux du xylème (cellules mortes à paroi renforcée par la lignine) et les vaisseaux du phloème (cellules vivantes riches en cellulose).

Ressource 2 : Le bleu de méthylène

Le bleu de méthylène est un colorant physiologique contenant des ions minéraux dissous.

Observations de coupe transversale de tige

Des photos montrent une coupe transversale de tige de liseron. Après avoir trempé la base de la tige dans du bleu de méthylène, les vaisseaux du xylème apparaissent colorés en bleu. On observe l'épiderme, le phloème, le xylème (coloré) et le centre de la tige.

Protocole de coupes de tige

• Réaliser de nombreuses coupes fines de tige avec une lame de rasoir et un support en liège.

• Conserver les coupes les plus fines.

• Monter les coupes sur une même lame.

Des photographies de coupes de tige de liseron ayant trempé dans le bleu de méthylène (moyen et fort grossissement) illustrent la coloration du xylème, prouvant la conduction de la sève brute. Les différentes zones sont identifiées : Parenchyme, Phloème, Épiderme, Xylème (coloré en bleu).

Corrections : Étude des vaisseaux conducteurs spécialisés

• Observation : Seuls les vaisseaux internes (le xylème) sont colorés en bleu par le colorant.

• Connaissances : Le colorant est véhiculé avec l'eau et les ions minéraux dans la sève brute. Le xylème correspond aux faisceaux internes de la tige.

• Déduction : L'eau et les ions minéraux (sève brute) circulent uniquement dans les vaisseaux du xylème, qui sont donc spécialisés dans cette fonction.

• Remarque : On peut émettre l'hypothèse que les vaisseaux du phloème véhiculent la sève élaborée, riche en sucre.

COURS : VI.1- Les structures d'échange des plantes à fleurs

Les plantes terrestres ont développé des adaptations pour leur vie fixée à l'interface sol/atmosphère. Elles possèdent de grandes surfaces d'échange au niveau des parties caulinaires et souterraines.

Les parties caulinaires

• Les feuilles, de forme aplatie, et les ramifications de l'appareil caulinaire augmentent les surfaces d'échange.

• Les échanges avec l'extérieur sont liés à la photosynthèse, produisant la matière organique.

• Les feuilles captent l'énergie lumineuse. Les photons traversent l'épiderme transparent pour atteindre les chloroplastes.

• Le CO₂ pénètre dans les tissus foliaires via les stomates (dans l'épiderme) et atteint les cellules chlorophylliennes.

• La vapeur d'eau s'échappe également par les stomates (évapo-transpiration foliaire), un processus nécessaire pour faire monter la sève des racines aux feuilles. L'ouverture des stomates est régulée par la disponibilité en eau, l'humidité et la température.

• L'O₂ (déchet de la photosynthèse) sort par les mêmes stomates.

Les parties souterraines

• La ramification des racines augmente la surface d'échange.

• Les poils absorbants des jeunes racines absorbent l'eau et les ions minéraux du sol.

• Les mycorhizes (symbiose entre champignons et racines) complètent la capacité d'absorption : le champignon absorbe efficacement eau et ions pour la plante, qui en retour lui fournit de la matière organique issue de la photosynthèse.

Les vaisseaux conducteurs de sève

• Ils canalisent le transport de matière dans la plante, entre les lieux d'approvisionnement en minéraux, de synthèse organique et de stockage.

• Les vaisseaux du xylème transportent la sève brute (eau et ions minéraux) des racines aux feuilles.

• Les vaisseaux du phloème transportent la sève élaborée (sucres, acides aminés) des cellules chlorophylliennes vers tous les organes de la plante, notamment les organes de stockage.

Question : Stratégies d'adaptation aux variations du milieu

À partir des documents sur les racines d'arabidopsis, identifiez deux stratégies permettant aux végétaux de faire face aux variations des conditions du milieu.

Document 1 : Système racinaire d'arabidopsis

Les plants d'arabette cultivés dans un milieu carencé en azote développent un système racinaire plus étendu et ramifié que ceux cultivés dans un milieu enrichi en azote.

Document 2 : Zone pilifère de racines d'arabidopsis

La zone pilifère des racines d'arabette cultivées en milieu carencé en fer et phosphore est plus développée et plus dense que celle des plants en milieu équilibré.

Exercice 2 : Adaptation des végétaux à la variation d'intensité lumineuse

Question

Expliquer l'intérêt pour la plante d'ouvrir ou de fermer ses stomates au cours de la journée, en exploitant le document fourni.

Document : Variations de l'ouverture des stomates et de l'incorporation de CO₂ chez un arbousier

Ce graphique montre les variations du pourcentage d'ouverture des stomates et de l'incorporation de CO₂ en fonction de l'heure au cours d'une journée d'été ensoleillée.

L'ouverture stomatique et l'incorporation de CO₂ sont élevées le matin et en fin de journée. Elles diminuent fortement en milieu de journée (entre 10h et 16h environ), période où l'ensoleillement est maximal et l'eau plus rare dans le sol, augmentant le risque de dessèchement. La plante régule ainsi ses échanges gazeux en fonction de la disponibilité en eau et de l'intensité lumineuse.

Exercice 3 : Les associations symbiotiques amplifient les surfaces d'échanges (mycorhizes)

Question

Déterminer les caractéristiques de l'association entre le champignon mycorhizien et les racines, puis montrer son intérêt pour la plante.

Document 1 : Observation de mycorhize

Les poils absorbants disparaissent au cours du développement de la plante. Chez 90 % des plantes, les dernières ramifications des racines sont couvertes ou pénétrées par des champignons symbiotiques (mycorhizes). Les racines mycorhizées (B) présentent une structure plus dense avec des filaments mycéliens que les racines non mycorhizées (A).

Document 2 : Surface d'échange avec le sol pour une plante mycorhizée ou non

Les schémas comparatifs montrent qu'un plant mycorhizé (à gauche) a une surface d'échange avec le sol bien plus grande grâce au réseau de filaments mycéliens du champignon, étendant considérablement le volume de sol exploité par rapport à un plant non mycorhizé (à droite).

Document 3 : Nutrition hydrominérale de la plante et mycorhizes

• Graphe 3-a : Les plants de Cupressus atlantica inoculés par des champignons mycorhiziens montrent un accroissement en hauteur significativement plus important sur la première année de plantation.

• Graphe 3-b : Après deux ans, les plants d'Acacia holosericea mycorhizés ou traités avec des engrais présentent une biomasse, des quantités d'azote (N) et de phosphore (P) supérieurs aux plants non traités. Les mycorhizes améliorent l'absorption de N et P, éléments minéraux essentiels.

Synthèse de l'exercice 3

Les mycorhizes sont des associations symbiotiques non héréditaires entre les racines des plantes et des champignons du sol. Ces champignons forment un réseau de filaments mycéliens qui s'étendent bien au-delà de la zone racinaire, augmentant considérablement la surface d'échange avec le sol. Grâce à cette association, la plante bénéficie d'une meilleure absorption d'eau et de nutriments essentiels (azote et phosphore), ce qui se traduit par une croissance accrue (plus grande hauteur, biomasse supérieure). En retour, le champignon reçoit de la matière organique (sucres) produite par la photosynthèse de la plante. C'est un bénéfice réciproque clé pour la survie et le développement des végétaux, surtout dans des environnements pauvres en nutriments.