Fiche de révision : Botanique systématique et évolution

📋 Plan du Cours

1. Fondements de la botanique systématique
2. Symétrie florale et pollinisation
3. Caractères et classification phylogénétique
4. Défenses et compromis évolutifs
5. Coévolution plantes-pollinisateurs
6. Diversité des fleurs et inflorescences
7. Autofécondation et évolution florale
8. Épimutations et symétrie florale
9. Sélection, spéciation et domestication
10. Fondements de la systématique
11. Cladistique et groupes taxonomiques
12. Homoplasies et évolutions indépendantes
13. Diversité et innovations végétales
14. Syndrome de domestication
15. Syndrome de domestication végétale
16. Mécanismes biologiques de domestication
17. Conservation des plantes cultivées et sauvages
18. Identification et valeur prédictive de la botanique

📖 1. Fondements de la botanique systématique

🔑 Notions clés & Définitions

• Systématique végétale : Branche de la botanique qui étudie la classification, la dénomination et l’identification des plantes afin d’organiser la diversité végétale selon leurs caractéristiques morphologiques, génétiques, écologiques et évolutives.

★ À maîtriser

• La systématique végétale permet de: connaître la diversité du monde végétal, conserver la diversité du monde végétal, comprendre l’évolution du monde végétal, diffuser du savoir et de la connaissance sur le monde végétal

Compléments

• Théophraste, né vers 371 av. J.-C. et mort vers 288 av. J.-C., est considéré comme le père de la botanique.

• Le mot « botanique », dérivé du grec botanikos et de botanê, apparaît pour la première fois en 1611 dans le Dictionnaire franco-anglais de Randle Cotgrave.

💡 Astuce mémo

Connaître la diversité → la conserver → comprendre son évolution → diffuser les connaissances

📖 2. Symétrie florale et pollinisation

🔑 Notions clés & Définitions

• Botanique : Science qui a pour objet l’étude des végétaux et se situe au carrefour de nombreuses disciplines, notamment la phytosociologie, la phénologie, l’écologie, l’anatomie, la physiologie, la phytochimie, la pharmacologie, la palynologie, l’agronomie, la systématique et la phytogéographie.
• Pollinisation : Processus par lequel le pollen est transporté de l’organe mâle, l’étamine, vers l’organe femelle, le pistil.

📝 Points essentiels

📌 Les fleurs actinomorphes présentent au moins deux plans de symétrie identiques, tandis que les fleurs zygomorphes présentent un seul plan de symétrie.

• Chez le Vélar ibérique Erysimum mediohispanicum, les fleurs zygomorphes reçoivent davantage de visites et produisent davantage de graines avec une descendance plus abondante que les fleurs actinomorphes.

• Après germination du grain de pollen sur le stigmate, le tube pollinique pénètre dans le style et permet au gamète mâle d’atteindre puis de féconder un ovule.

💡 Astuce mémo

Actinomorphe : plusieurs plans ; zygomorphe : un seul plan

📖 3. Caractères et classification phylogénétique

🔑 Notions clés & Définitions

• Caractère : Attribut observable d’un organisme, de nature moléculaire, cellulaire, physiologique, morphologique ou comportementale, qui peut présenter plusieurs états.
• Caractère homologue : État de caractère partagé par deux taxons parce qu’il a été hérité d’un ancêtre commun.
• Autapomorphie : État dérivé propre à un groupe donné, comme les disamares chez les Érables du genre Acer.

📝 Points essentiels

📌 La plésiomorphie désigne un état ancestral ou primitif, tandis que l’apomorphie désigne un état dérivé ou nouvellement acquis.

📌 La symplésiomorphie est un caractère plésiomorphe partagé par plusieurs taxons, tandis que la synapomorphie est un caractère apomorphe partagé par les membres d’un clade et absent du clade parent.

💡 Astuce mémo

Plésiomorphe = ancien ; apomorphe = nouveau

📖 4. Défenses et compromis évolutifs

🔑 Notions clés & Définitions

• Allélopathie : Excrétion de substances toxiques par les plantes pour se protéger des herbivores ou lutter contre la concurrence d’une autre espèce.
• Trade-off évolutif : Situation dans laquelle une espèce ne peut pas optimiser simultanément tous ses traits, car l’amélioration d’un caractère en détériore un autre sous l’effet de contraintes biologiques, énergétiques ou environnementales.

★ À maîtriser

• Chez les acacias soumis au broutage, le stress mécanique augmente la production d’éthylène, le signal de détresse atteint les arbres voisins et ceux-ci augmentent à leur tour leur production de tanins.

Compléments

• Les plasmodesmes sont des pores de la paroi cellulosique qui relient les cytoplasmes de cellules végétales adjacentes et permettent le passage d’eau, de solutés et de protéines.

• Environ 80 % des plantes sont toxiques et stockent notamment des déchets tels que les tanins dans leurs vacuoles.

💡 Astuce mémo

Agression → signaux électriques → défenses chimiques et réponses à distance

📖 5. Coévolution plantes-pollinisateurs

★ À maîtriser

• Chez l’Onagre vespérale Oenothera drummondii, les pétales vibrent aux fréquences des ailes des pollinisateurs et la concentration en sucre du nectar augmente d’environ 20 % en 3 minutes, sans augmentation du volume de nectar.

• La caféine présente dans le nectar stimule la mémoire des butineuses : le lendemain de l’apprentissage, elles sont trois fois plus nombreuses à rechercher la fleur associée à la caféine, et après trois jours elles sont deux fois plus nombreuses.

Compléments

• Les abeilles produisent des sons de 250 à 500 Hz et les Sphingidés des sons d’environ 100 Hz lors de leur vol près des fleurs d’Onagre.

• Les premières Angiospermes apparaissent au Jurassique, vers 160 à 170 Ma, tandis que les ordres d’insectes pollinisateurs se diversifient ensuite avec elles.

💡 Astuce mémo

Pollinisateurs présents → nectar plus sucré et fidélisation accrue

📖 6. Diversité des fleurs et inflorescences

🔑 Notions clés & Définitions

• Cotylédon : Feuille primordiale déjà présente dans la graine avant la germination, contenant les premières réserves d’énergie de la plantule.

★ À maîtriser

📌 Le nombre de cotylédons a servi à distinguer les Monocotylédones et les Dicotylédones, mais cette distinction produit des groupes paraphylétiques non valides en classification phylogénétique.

• Les grains de pollen sont des gamétophytes haploïdes produits dans les anthères, et non des gamètes ; ils transportent les gamètes mâles jusqu’au stigmate.

📌 Les fleurs des Monocotylédones comportent généralement trois ou six pièces florales, tandis que de nombreuses Eudicotylédones présentent quatre ou cinq pétales.

Compléments

• Environ 70 % des Angiospermes possèdent un grain de pollen bicellulaire, tandis qu’environ 30 % possèdent un grain de pollen tricellulaire.

• Chez les Orchidées, la symétrie zygomorphe, la diversité des structures florales et les mécanismes de pollinisation constituent un complexe d’innovations, dont la pseudocopulation d’Ophrys avec Dasyscolia ciliata.

💡 Astuce mémo

Trois ou six pièces chez les Monocotylédones ; quatre ou cinq chez de nombreuses Eudicotylédones

📖 7. Autofécondation et évolution florale

🔑 Notions clés & Définitions

• Syndrome d’autofécondation : Ensemble des caractères morphologiques, physiologiques, génétiques et reproductifs qui favorisent la reproduction d’une plante par autofécondation.
• Épimutation : Modification épigénétique héritable qui régule l’expression des gènes sans modifier la séquence nucléotidique, comme la méthylation de l’ADN.

📝 Points essentiels

📌 L’autogamie correspond à l’autopollinisation d’une fleur par son propre pollen, la géitonogamie à l’utilisation du pollen d’une autre fleur de la même plante, et l’allogamie à une pollinisation entre deux plantes différentes.

• Les traits typiques du syndrome d’autofécondation comprennent: des fleurs plus petites et moins colorées, une réduction ou une absence d’odeur et de nectar, une diminution du nombre de fleurs, une proximité accrue entre étamines et stigmate, une homogamie

• L’autofécondation assure une reproduction en l’absence de pollinisateur, facilite la colonisation de nouveaux sites, réduit les coûts énergétiques et permet à une plante de transmettre davantage de copies de son génome.

• L’autofécondation réduit le polymorphisme génétique, augmente l’homozygotie et expose davantage les allèles récessifs délétères à la sélection, ce qui peut entraîner une purge génétique.

• Dans quatre populations de Pensée des champs étudiées avec des graines anciennes et actuelles, la taille des corolles a diminué d’environ 10 %, la production de nectar d’environ 20 % et le taux d’autofécondation a augmenté de 27 %.

💡 Astuce mémo

Moins de pollinisateurs → fleurs moins attractives → autofécondation accrue

📖 8. Épimutations et symétrie florale

🔑 Notions clés & Définitions

• Génétique embryologique et évolutive : La génétique embryologique et évolutive étudie comment les gènes du développement modifient la morphologie des espèces.
• Méthylation : Ajout d’un groupe méthyle (-CH3) à certaines positions de l’ADN, ce qui régule l’expression des gènes sans modifier leur séquence.
• Épimutation : Modification épigénétique héritable qui peut produire une variation héréditaire du phénotype sans changer la séquence nucléotidique.

📝 Points essentiels

📌 Les Linaires communes présentent une symétrie bilatérale, tandis que les Linaires Peloria présentent une symétrie radiale.

• Chez Peloria, le gène Cycloidea, impliqué dans la mise en place de l’axe dorso-ventral, est inactivé sans différence génétique dans les séquences d’ADN entre les deux formes.

💡 Astuce mémo

Méthylation de Cycloidea → inhibition du gène → symétrie radiale

📖 9. Sélection, spéciation et domestication

🔑 Notions clés & Définitions

• Introgression génétique : Transfert de matériel génétique par hybridation entre des individus d’une même espèce ou d’une sous-espèce proche.

★ À maîtriser

• 🔄 La diversification de deux espèces de Solanum suit trois étapes:
  1. Formation des Andes
  2. Adaptation de la tomate à l’élévation de l’Altiplano
  3. Domestication humaine de la pomme de terre il y a environ 8000 ans

📌 Les échanges génétiques avec le maïs ont permis aux téosintes d’acquérir un allèle de précocité de floraison et un allèle de résistance aux herbicides, avec un risque de perte de rendement pouvant atteindre 50 %.

Compléments

• La pomme de terre est Solanum tuberosum et provient de la Cordillère des Andes, tandis que la tomate est Solanum lycopersicum et provient du nord-ouest de l’Amérique du Sud.

• En France, les téosintes étudiées appartiennent aux sous-espèces Zea mays subsp. parviglumis et Zea mays subsp. mexicana.

💡 Astuce mémo

Andes → adaptation → spéciation → domestication

📖 10. Fondements de la systématique

🔑 Notions clés & Définitions

• Systématique : Étude de la diversité des organismes et de leurs relations phylogénétiques afin de retracer leur histoire évolutive et leurs liens de parenté.
• Cladistique : Classification des organismes selon la ramification de lignées issues d’ancêtres communs et constitution de clades.
• Synapomorphie : Caractère dérivé partagé, apparu chez l’ancêtre d’un groupe et présent chez ses descendants.

📝 Points essentiels

📌 La taxonomie décrit, nomme et classe les taxons, tandis que la phylogénétique étudie leurs liens de parenté et leur histoire évolutive.

💡 Astuce mémo

Taxonomie : nommer et classer ; phylogénie : retracer les parentés

📖 11. Cladistique et groupes taxonomiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Clade : Groupe comprenant un ancêtre commun et tous ses descendants.
• Homologie : Similitude de structure ou de caractère due à une origine évolutive commune, même si la fonction peut différer.

★ À maîtriser

📌 Un groupe monophylétique contient un ancêtre et tous ses descendants, un groupe paraphylétique n’en contient qu’une partie et un groupe polyphylétique réunit des taxons issus d’ancêtres différents.

Compléments

• Les épines du robinier, de la bugrane, de l’astragale et de l’ajonc sont analogues entre elles, car elles ont des origines anatomiques différentes malgré des fonctions similaires.

💡 Astuce mémo

Monophylétique = ancêtre et tous ses descendants ; para- et polyphylétique = groupes incomplets ou artificiels

📖 12. Homoplasies et évolutions indépendantes

🔑 Notions clés & Définitions

• Homoplasie : Apparition de caractères similaires chez des espèces différentes sans héritage d’un ancêtre commun porteur de ce caractère.
• Convergence évolutive : Développement indépendant de traits similaires chez des organismes non apparentés soumis à des pressions de sélection comparables.
• Parallélisme évolutif : Acquisition indépendante de caractères similaires par des lignées proches possédant des structures homologues ou des bases génétiques communes.
• Réversion évolutive : Réapparition d’un caractère ancestral après son remplacement ou sa forte réduction au cours de l’évolution.

★ À maîtriser

📌 La convergence concerne des lignées éloignées développant des traits similaires à partir de structures différentes, tandis que le parallélisme concerne des lignées proches utilisant des structures ou des bases génétiques communes.

Compléments

• Le métabolisme CAM ouvre les stomates la nuit pour absorber et stocker le CO₂ sous forme d’acides organiques, puis les ferme le jour afin de libérer le CO₂ pour le cycle de Calvin.

💡 Astuce mémo

Homologie = même origine ; homoplasie = ressemblance sans ancêtre commun

📖 13. Diversité et innovations végétales

🔑 Notions clés & Définitions

• Cultivar : Variété cultivée obtenue et maintenue par sélection artificielle.

★ À maîtriser

• Selon les données APG IV de 2016, les Angiospermes regroupent 416 familles et 295 383 espèces.

• Les Angiospermes possèdent des fleurs, des graines issues d’une double fécondation, des vaisseaux parfaits et de nombreux métabolites secondaires.

• Plus de 80 % des végétaux actuels sont des Angiospermes.

Compléments

• Les principaux groupes d’Embryophytes sont:
  • Marchantiophytes
  • Anthocérophytes
  • Bryophytes
  • Lycopodiophytes
  • Monilophytes
  • Gymnospermes
  • Angiospermes

💡 Astuce mémo

Bryophytes → Trachéophytes → Spermatophytes → Angiospermes

📖 14. Syndrome de domestication

🔑 Notions clés & Définitions

• Syndrome de domestication : Ensemble de changements coordonnés produits par la sélection artificielle, dont certains ne sont pas directement recherchés.

★ À maîtriser

📌 Le maïs domestiqué possède de grands épis, des grains nus et non dispersés à maturité, tandis que la téosinte sauvage possède des grains plus petits et moins nombreux.

Compléments

• Les expériences de Dmitri Belyaev sur les renards argentés dans les années 1950-1970 ont montré que la sélection des individus les moins agressifs et les plus tolérants envers l’humain entraînait aussi d’autres changements morphologiques.

• La domestication du maïs peut aussi entraîner une perte des mécanismes naturels de dispersion, une sensibilité accrue à certaines maladies et une tige plus fragile.

• La domestication de la vigne commune remonte à environ 11 000 ans et a produit de nombreux cépages caractérisés par des génomes et des phénotypes particuliers.

💡 Astuce mémo

Sélection humaine → changements coordonnés → traits recherchés et effets secondaires

📖 15. Syndrome de domestication végétale

🔑 Notions clés & Définitions

• Syndrome de domestication : Ensemble des caractéristiques morphologiques, physiologiques, phénologiques et éthologiques qui apparaissent chez des organismes domestiqués par opposition à leurs ancêtres sauvages.

★ À maîtriser

• La sélection artificielle d’un trait avantageux chez une plante cultivée peut entraîner l’apparition ou la modification d’autres traits inattendus.

📌 La vigne sauvage, Vitis vinifera subsp. sylvestris, est une liane forestière dioïque pouvant atteindre plusieurs dizaines de mètres, tandis que la vigne commune, Vitis vinifera subsp. vinifera, est monoïque à fleurs hermaphrodites et comprend de nombreux cépages.

Compléments

• La domestication de la vigne remonte à environ 11 000 ans.

📌 Chez le maïs, la domestication a favorisé des épis plus gros et plus nombreux, des grains nus et non dispersés à maturité, mais elle a aussi entraîné une tige plus fragile, une sensibilité accrue à certaines maladies et la perte de la germination sans intervention humaine.

📌 Chez la tomate domestiquée, les fruits sont généralement plus gros, moins amers, plus fermes et plus résistants au transport, mais la plante a perdu une partie de ses défenses chimiques et de sa qualité nutritionnelle et dépend davantage des intrants agricoles.

💡 Astuce mémo

Sélection humaine → traits recherchés et effets secondaires

📖 16. Mécanismes biologiques de domestication

🔑 Notions clés & Définitions

• Liaison génétique : Tendance de gènes proches sur un chromosome à être hérités ensemble, ce qui peut entraîner la sélection involontaire d’un gène voisin lorsqu’un caractère est sélectionné.
• Pléiotropie : Influence d’un même gène sur plusieurs caractères, par exemple la modification simultanée de la taille et de la texture des fruits.
• Dérive génétique : Changement aléatoire de la fréquence des allèles, favorisé par la réduction de la diversité génétique lors de la sélection et pouvant faire apparaître des traits non sélectionnés.
• Épistasie : Interaction génétique dans laquelle l’effet d’un gène dépend de la présence d’autres gènes, un gène pouvant masquer ou modifier l’effet d’un autre.
• Plasticité phénotypique : Expression variable des gènes selon l’environnement, notamment le climat, le sol et les pratiques culturales.

📝 Points essentiels

• Les mutations spontanées et les recombinaisons génétiques lors de la méiose créent de nouvelles combinaisons d’allèles pouvant être associées à de nouveaux caractères.

💡 Astuce mémo

L-P-E-D-É-M : liaison, pléiotropie, effets indirects, dérive, épistasie, mutations

📖 17. Conservation des plantes cultivées et sauvages

🔑 Notions clés & Définitions

• Messicole : Plante annuelle ou vivace inféodée aux cultures de céréales, comme le coquelicot, la matricaire, la nielle des blés ou le bleuet.

★ À maîtriser

📌 Les variétés horticoles de bleuet des champs ont des fleurs plus fournies, plus visibles et de couleurs variables, mais elles sont souvent stériles et dépourvues de nectaires, ce qui réduit leur intérêt pour les pollinisateurs.

📌 La pollution génétique des populations sauvages de bleuet par des variétés horticoles peut être limitée en utilisant une flore d’origine garantie portant le signe de qualité « Vraies messicoles ».

• Les messicoles régressent fortement en raison de l’usage d’herbicides et de l’abandon des cultures, et la liste nationale comprend 102 taxons dont 7 sont considérés comme disparus.

📌 Les bananiers cultivés proviennent d’hybridations entre différentes espèces et sous-espèces de Musa, et leurs cultivars sont généralement stériles et parthénocarpiques, produisant des fruits sans fécondation.

Compléments

• Les cultivars de bananiers comprennent principalement les bananes à cuire, plus riches en amidon, et les bananes à dessert, généralement consommées crues.

💡 Astuce mémo

Bleuet horticole stérile et attractif ≠ bleuet sauvage messicole et fonctionnel

📖 18. Identification et valeur prédictive de la botanique

🔑 Notions clés & Définitions

• Holotype : Individu type qui a servi à la description d’une espèce et qui porte les caractères typiques de cette espèce.
• Taxon : Groupe d’organismes réunis dans le but d’une classification ou d’une reconnaissance.
• Classification phylogénétique : La classification phylogénétique, ou cladistique, regroupe les organismes qui partagent des caractères dérivés et constitue des clades.
• Syndrome de pollinisation : Ensemble des caractères floraux sélectionnés au cours de l’évolution en fonction des vecteurs de pollinisation abiotiques ou biotiques.
• Syndrome d’autofécondation : Ensemble des caractères morphologiques, physiologiques et génétiques qui favorisent la fécondation d’un ovule par le pollen du même individu.
• Syndrome de domestication : Modifications morphologiques, physiologiques et génétiques qu’une plante subit sous l’effet de la sélection humaine pour devenir plus adaptée à la culture et à la consommation.
• Diagnose : Démarche analytique rigoureuse d’identification fondée sur la description des caractères et le recours à des clés dichotomiques.

★ À maîtriser

📌 La reconnaissance consiste à nommer un taxon sans raisonnement construit, tandis que l’identification ou détermination est une démarche analytique rigoureuse fondée notamment sur des clés d’identification.

• Le programme BIODEPTH, mené en 1999 dans huit pays européens, a étudié l’effet de la richesse et de la diversité fonctionnelle des communautés végétales sur leur productivité. — BIODiversity and Ecological Processes in Terrestrial Herbaceous ecosystems

• BIODEPTH a montré qu’une diminution du nombre d’espèces entraîne une baisse significative de la biomasse produite par les prairies.

• À richesse spécifique égale, les communautés regroupant davantage de groupes fonctionnels produisent davantage de biomasse grâce à la complémentarité dans l’utilisation des ressources et aux interactions positives. — BIODEPTH, 1999

📌 Un groupe monophylétique comprend tous les descendants d’un ancêtre, un groupe paraphylétique n’en comprend qu’une partie et un groupe polyphylétique réunit des taxons ayant des ancêtres différents.

📌 Une synapomorphie est un caractère dérivé partagé par les membres d’un clade et absent du clade parent, tandis qu’une plésiomorphie est un caractère ancestral présent dans le clade parent.

• Le syndrome de pollinisation favorise la fécondation croisée et la diversité génétique, le syndrome d’autofécondation assure la reproduction en l’absence de pollinisateurs, et le syndrome de domestication favorise la production et les rendements.

Compléments

• Les principaux alcaloïdes tropaniques de la Jusquiame noire sont:
  • l’hyoscyamine
  • la scopolamine
  • l’atropine

💡 Astuce mémo

Observer → diagnostiquer → comparer au type → accéder aux propriétés

📊 Tableaux de synthèse

États et caractères phylogénétiques

Types d’homoplasie