Fiche de révision : Évolution et systématique végétales

📋 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 florale et reproduction
7. Autofécondation et évolution florale
8. Épimutations et symétrie florale
9. Sélection et domestication végétales
10. Fondements de la systématique
11. Cladistique et groupes monophylétiques
12. Homologie et homoplasie
13. Convergence, parallélisme et réversion
14. Diversité et évolution des plantes
15. Syndrome de domestication des plantes
16. Mécanismes biologiques de domestication
17. Conservation des plantes domestiquées
18. Identification et prédiction botanique

📖 1. Fondements de la botanique systématique

🔑 Notions clés & Définitions

• Botanique systématique : Branche de la botanique qui s’intéresse à la classification, à la dénomination et à l’identification des plantes.

★ À maîtriser

• La systématique végétale apporte quatre contributions:
  • connaître la diversité du monde végétal
  • conserver la diversité du monde végétal
  • comprendre l’évolution du monde végétal
  • diffuser le savoir et les connaissances 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.

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

💡 Astuce mémo

D-C-E-D : diversité, conservation, évolution, diffusion

📖 2. Symétrie florale et pollinisation

🔑 Notions clés & Définitions

• Pollinisation : Processus par lequel le pollen est transporté de l’étamine vers le pistil.
• Syndrome floral : Ensemble de caractères floraux sélectionnés au cours de l’évolution chez des espèces parfois éloignées, en réponse à différents vecteurs de pollinisation biotiques ou abiotiques.

★ À maîtriser

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

• La forme zygomorphe est un état dérivé apparu plus récemment et indépendamment dans plusieurs familles de plantes, tandis que la forme actinomorphe est considérée comme l’état ancestral des Angiospermes.

Compléments

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

💡 Astuce mémo

Actinomorphe = plusieurs plans ; zygomorphe = un seul plan

📖 3. Caractères et classification phylogénétique

🔑 Notions clés & Définitions

• Caractère homologue : État de caractère partagé par deux taxons parce qu’il a été hérité d’un ancêtre commun.
• Synapomorphie : Caractère apomorphe partagé par plusieurs taxons d’un clade et absent du clade parent.

★ À maîtriser

📌 La plésiomorphie désigne un état ancestral, tandis que l’apomorphie désigne un état dérivé acquis au cours de l’évolution.

Compléments

• Chez les Érables du genre Acer, la disamare est un fruit formé de deux akènes ailés qui se séparent à maturité.

💡 Astuce mémo

Caractère dérivé partagé → synapomorphie → clade

📖 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.

★ À maîtriser

• 🔄 La réponse collective des Acacias suit plusieurs étapes: la pression des herbivores provoque un stress mécanique, le stress augmente la production de tanins et d’éthylène, l’éthylène transmet un signal de détresse aux arbres voisins, les arbres voisins augmentent leur production de tanins

• Le rendement moyen de la photosynthèse chez les plantes est d’environ $1\%$ de l’énergie lumineuse reçue transformée en matière vivante.

📌 Un compromis évolutif apparaît lorsqu’une espèce ne peut pas optimiser simultanément tous ses traits, car l’amélioration d’un caractère peut en détériorer un autre.

Compléments

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

💡 Astuce mémo

Agression → signaux électriques → défenses des plantes voisines

📖 5. Coévolution plantes-pollinisateurs

★ À maîtriser

• En 2019, les pétales de l’Onagre vespérale ont été observés vibrant aux fréquences des ailes de leurs pollinisateurs et, en réaction, la concentration en sucre de leur 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, et après trois jours elles sont deux fois plus nombreuses.

Compléments

• Les abeilles produisent des sons de vol d’environ 250 à 500 Hz et les Sphingidés d’environ 100 Hz, fréquences auxquelles l’Onagre peut réagir.

• Les premières Angiospermes sont apparues au Jurassique, vers 160 à 170 Ma, alors que la plupart des ordres d’insectes pollinisateurs étaient déjà présents.

💡 Astuce mémo

Vibration → nectar plus sucré → fidélisation du pollinisateur

📖 6. Diversité florale et reproduction

🔑 Notions clés & Définitions

• Cotylédon : Feuille primordiale présente dans la graine avant la germination et contenant les premières réserves d’énergie de la plantule.
• Grain de pollen : Gamétophyte haploïde produit dans les anthères, qui transporte les gamètes mâles sans être lui-même un gamète.

★ À maîtriser

📌 La classification classique séparait les Angiospermes en Monocotylédones et Dicotylédones selon le nombre de cotylédons, mais ces groupes sont paraphylétiques dans une classification phylogénétique.

• Les Eudicotylédones possèdent généralement des grains de pollen triaperturés, tandis que les Monocotylédones possèdent généralement des grains de pollen monoaperturés.

Compléments

• Environ 70 % des Angiospermes possèdent un grain de pollen bicellulaire et environ 30 % possèdent un grain de pollen tricellulaire.

💡 Astuce mémo

Monocotylédones : 3 ou 6 pièces ; Eudicotylédones : souvent 4 ou 5

📖 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.

★ À maîtriser

• Les modes de pollinisation se distinguent ainsi:

  • autogamie : autopollinisation avec la même fleur
  • géitonogamie : autopollinisation entre deux fleurs de la même plante
  • allogamie : pollinisation entre deux plantes différentes

• Les plantes autogames présentent généralement des fleurs plus petites, moins colorées et moins odorantes, avec moins de nectar, une plus grande proximité entre les étamines et le stigmate et une maturité simultanée des organes sexuels.

• L’autofécondation permet à une plante de se reproduire en l’absence de pollinisateur, de coloniser rapidement de nouveaux sites et de transmettre davantage de copies de son génome, mais elle réduit la diversité génétique et augmente l’homozygotie.

Compléments

• Chez Linaria vulgaris, la forme florale radiale Peloria résulte d’une méthylation stable de l’ADN qui inhibe le gène Cycloidea sans modifier la séquence des nucléotides.

💡 Astuce mémo

Moins de pollinisateurs → autofécondation → fleurs moins attractives

📖 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.
• Épimutation : Modification épigénétique héritable qui change l’expression d’un gène sans modifier la séquence des nucléotides.

📝 Points essentiels

📌 La Linaire commune présente une symétrie florale bilatérale, dite zygomorphe, tandis que la forme Peloria présente une symétrie radiale, dite actinomorphe.

• La méthylation inhibe l’action du gène Cycloidea, ce qui modifie la symétrie florale de la Linaire et peut produire un phénotype héréditaire sélectionnable.

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

💡 Astuce mémo

Méthylation de Cycloidea → inhibition du gène → symétrie radiale

📖 9. Sélection et domestication végétales

★ À maîtriser

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

• L’élévation progressive de l’Altiplano a favorisé l’adaptation de populations proches de la tomate à leur nouvel environnement, puis leur diversification en espèces du genre Solanum.

• La pomme de terre a été domestiquée par les humains il y a environ 8000 ans et ses tubercules sont des organes de réserve riches en amidon issus de tiges souterraines.

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

📌 Les hybridations entre téosintes et maïs cultivés ont permis une introgression d’allèles de précocité de floraison et de résistance aux herbicides, favorisant la naturalisation des téosintes en Europe.

Compléments

• Les téosintes peuvent provoquer jusqu’à 50 % de perte de rendement dans les cultures de maïs.

💡 Astuce mémo

Andes → spéciation → domestication

📖 10. Fondements de la systématique

🔑 Notions clés & Définitions

• Systématique : Étude scientifique des organismes vivants dans leur diversité et leurs relations phylogénétiques afin de retracer leur histoire évolutive.
• Taxonomie : La taxonomie décrit, dénomme et classe les organismes en taxons selon des rangs hiérarchiques tels que genre, famille, ordre et classe.
• Cladistique : Classification des organismes selon les ramifications de lignées issues d’ancêtres communs.
• Apomixie : Transformation de l’ovule en graine sans fécondation.

📝 Points essentiels

📌 La ronce et le framboisier sont des groupes frères car leur ancêtre commun est plus récent que l’ancêtre commun qu’ils partagent avec le cerisier.

💡 Astuce mémo

Taxonomie : nommer et classer ; phylogénie : retracer les parentés

📖 11. Cladistique et groupes monophylétiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Clade : Groupe constitué d’un ancêtre commun et de tous ses descendants.
• Synapomorphie : Caractère dérivé partagé, apparu chez l’ancêtre d’un groupe et transmis à ses descendants.

📝 Points essentiels

• Les trois types de groupes sont:

  • Monophylétique : ancêtre et tous ses descendants
  • Paraphylétique : partie seulement des descendants
  • Polyphylétique : taxons issus d’ancêtres différents

• Les caractères homologues ont une origine évolutive commune, tandis que les caractères analogues se ressemblent par leur fonction ou leur forme sans avoir nécessairement la même origine.

💡 Astuce mémo

Monophylétique = ancêtre et tous ses descendants ; paraphylétique = seulement une partie

📖 12. Homologie et homoplasie

🔑 Notions clés & Définitions

• Homoplasie : Apparition de caractères similaires chez des espèces différentes sans héritage d’un ancêtre commun porteur de ces caractères.

★ À maîtriser

• Les labelles de quatre Orchidées ont des formes et des tailles différentes mais sont homologues, car ils dérivent d’une structure ancestrale commune et reflètent des adaptations à des pollinisateurs différents.

• Les urnes-pièges de Nepenthes, Sarracenia et Cephalotus sont apparues au moins trois fois indépendamment chez des plantes non apparentées.

📌 Les caractères convergents ne permettent pas de reconstruire la parenté, car la classification phylogénétique doit s’appuyer sur des caractères homologues.

Compléments

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

💡 Astuce mémo

Homologie = même origine ; homoplasie = ressemblance sans origine commune

📖 13. Convergence, parallélisme et réversion

🔑 Notions clés & Définitions

• Convergence évolutive : Développement indépendant de traits similaires chez des organismes non apparentés soumis à des pressions de sélection comparables.
• Parallélisme évolutif : Acquisition indépendante de traits similaires par des lignées proches qui partagent des bases génétiques ou développementales.
• Réversion évolutive : Réapparition d’un caractère ancestral après sa disparition ou sa forte réduction dans une lignée.

★ À maîtriser

📌 La convergence évolutive apparaît chez des lignées éloignées à partir de structures différentes, tandis que le parallélisme apparaît chez des lignées proches à partir de structures ou de bases génétiques homologues.

📌 La loi de Dollo doit être comprise comme un principe statistique : une évolution strictement réversible est très improbable, mais des réapparitions partielles ou des reconstructions restent possibles si les bases génétiques sont conservées.

Compléments

• Chez les Zostères, la pollinisation hydrophile est réapparue secondairement après que les lignées terrestres ancestrales ont évolué vers des pollinisations anémophile ou entomophile.

💡 Astuce mémo

Convergence entre lignées éloignées, parallélisme entre lignées proches, réversion vers un état ancestral

📖 14. Diversité et évolution des plantes

🔑 Notions clés & Définitions

• Angiospermes : Plantes à fleurs produisant de véritables graines issues d’une double fécondation et possédant des vaisseaux conducteurs parfaits.
• Métabolisme CAM : Séparation dans le temps de l’absorption nocturne du CO₂ et de son utilisation diurne pour la photosynthèse lorsque les stomates sont fermés.

★ À maîtriser

• Selon les données APG IV de 2016, les Angiospermes comprennent 416 familles et 295 383 espèces, soit plus de 80 % des végétaux actuels.

• La sélection artificielle a produit notamment:

  • Chou-rave : tige
  • Chou frisé : feuilles
  • Brocoli : bourgeons floraux et tige
  • Chou de Bruxelles : bourgeons foliaires latéraux

Compléments

• Les quatre grands groupes vasculaires sont:

  • Lycopodiophytes
  • Monilophytes
  • Gymnospermes
  • Angiospermes

• La vigne domestique, Vitis vinifera subsp. vinifera, a été domestiquée il y a environ 11 000 ans et comprend de nombreux cépages, tandis que la vigne sauvage est dioïque et produit généralement peu de grappes.

📖 15. Syndrome de domestication des plantes

🔑 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 vigne sauvage Vitis vinifera subsp. sylvestris est dioïque, tandis que la vigne commune Vitis vinifera subsp. vinifera possède des fleurs hermaphrodites et est monoïque.

• La sélection des individus les moins agressifs et les plus tolérants envers l’humain peut entraîner secondairement des changements morphologiques coordonnés. — Dmitri Belyaev, années 1950-1970

• Les cultivars de bananiers sont généralement stériles et parthénocarpiques, produisant des fruits sans fécondation.

Compléments

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

• Les principaux changements du maïs domestiqué sont:

  • des épis plus gros et plus nombreux
  • des grains nus
  • des grains non dispersés à maturité
  • la perte de mécanismes naturels de dispersion
  • une sensibilité accrue à certaines maladies

• Chez la tomate domestiquée, les fruits sont généralement plus gros, moins amers, plus fermes et plus résistants au transport, mais la plante peut présenter une perte partielle de défenses chimiques, une diminution de la saveur et une dépendance accrue aux intrants agricoles.

💡 Astuce mémo

Sélection humaine → traits recherchés et effets secondaires

📖 16. Mécanismes biologiques de domestication

🔑 Notions clés & Définitions

• Dérive génétique : Changement aléatoire de la fréquence des allèles, qui peut survenir lorsque la sélection réduit la diversité génétique par un goulot d’étranglement.
• Épistasie : Interaction entre gènes dans laquelle l’effet d’un gène dépend de la présence d’autres gènes.
• Plasticité phénotypique : Expression variable des gènes selon l’environnement, notamment le climat, le sol et les pratiques culturales.

★ À maîtriser

📌 La liaison génétique résulte de la proximité de gènes sur un chromosome, tandis que la pléiotropie correspond à l’influence d’un même gène sur plusieurs caractères.

• La sélection d’un trait peut réallouer les ressources internes de la plante et modifier indirectement d’autres caractères, par exemple une croissance rapide pouvant réduire la résistance au froid.

Compléments

• Les gènes clés de la forme des fruits de tomate sont:
  • SUN, qui influence l’allongement
  • OVATE, qui contrôle la forme ovale ou ronde
  • FAS, qui contrôle le nombre de loges et la forme plate

💡 Astuce mémo

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

📖 17. Conservation des plantes domestiquées

🔑 Notions clés & Définitions

• Messicoles : Plantes annuelles ou vivaces inféodées aux cultures de céréales, comme le coquelicot, la matricaire, la nielle des blés et le bleuet.

★ À maîtriser

• Les principaux traits des variétés horticoles de bleuet sont:
  • des fleurs plus fournies
  • plusieurs couronnes de sépales
  • une triple corolle
  • des couleurs variables
  • une stérilité fréquente
  • l’absence de nectaires

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

Compléments

• La liste nationale compte 102 taxons messicoles, dont 7 sont considérés comme disparus.

📌 Les bananes à cuire sont plus riches en amidon, tandis que les bananes à dessert sont généralement consommées crues.

💡 Astuce mémo

Bleuet horticole stérile et attractif ≠ messicole sauvage et fonctionnelle

📖 18. Identification et prédiction botanique

🔑 Notions clés & Définitions

• Holotype : Individu type qui a servi à la description d’une espèce et porte les caractères typiques de cette espèce.
• Taxon : Groupe d’organismes réunis dans le but d’une classification ou d’une reconnaissance.
• Synapomorphie : Caractère dérivé partagé par les membres d’un clade et absent du clade parent.
• Classification phylogénétique : Regroupe les organismes partageant des caractères dérivés.
• Syndrome d’autofécondation : Ensemble des caractères morphologiques, physiologiques et génétiques qui favorisent la reproduction par fécondation d’un ovule avec le pollen du même individu.
• Paratype : Spécimen associé à la description d’une espèce et utilisé pour comparer et déterminer d’autres individus avec l’holotype.
• Homologie : État d’un caractère partagé par deux taxons parce qu’il est hérité d’un ancêtre commun.

★ À maîtriser

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

• Le programme BIODEPTH, mené en 1999 dans 8 pays européens, a étudié l’impact de la diversité végétale sur la productivité primaire dans des parcelles expérimentales aux climats et aux sols variés. — Programme européen BIODEPTH, BIODiversity and Ecological Processes in Terrestrial Herbaceous ecosystems

• La diminution du nombre d’espèces végétales entraîne une baisse significative de la biomasse produite par les prairies.

• La productivité des écosystèmes dépend à la fois de la richesse spécifique et de la diversité fonctionnelle des groupes présents.

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

• Les plantes zoogames possèdent généralement des fleurs colorées, attractives et nectarifères, tandis que les plantes anémogames ont des fleurs discrètes, un pollen abondant et de grands stigmates.

• La domestication favorise des rendements élevés mais entraîne souvent une faible diversité génétique et une forte vulnérabilité aux maladies.

Compléments

• Les principaux alcaloïdes tropaniques de la jusquiame noire sont:

  • l’hyoscyamine
  • la scopolamine
  • l’atropine

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

💡 Astuce mémo

Reconnaissance visuelle ≠ identification par diagnose et clé

📊 Tableaux de synthèse

États des caractères en systématique

Types de groupes en cladistique