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. Défense et compromis évolutifs
5. Diversité florale et reproduction
6. Pollinisateurs et autofécondation
7. Épigénétique et symétrie florale
8. Sélection et domestication des plantes
9. Fondements de la systématique
10. Cladistique et groupes taxonomiques
11. Homologie et homoplasie
12. Convergences et réversions évolutives
13. Diversité et domestication végétales
14. Syndrome de domestication
15. Mécanismes biologiques de domestication
16. Conservation des plantes cultivées
17. Identification et botanique prédictive
18. Biodiversité et fonctionnement des écosystèmes

📖 1. Fondements de la botanique systématique

🔑 Notions clés & Définitions

• Botanique systématique : 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 et de conserver la diversité du monde végétal, de comprendre son évolution et de diffuser les connaissances sur les plantes.

Compléments

• 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.

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

💡 Astuce mémo

Identifier et classer → comprendre et conserver la diversité végétale

📖 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 chez des espèces parfois éloignées, correspondant à des adaptations aux différents vecteurs biotiques ou abiotiques de pollinisation.

📝 Points essentiels

📌 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 indépendamment dans différentes familles de plantes par convergence évolutive, tandis que la forme actinomorphe correspond à l’état ancestral de la fleur de l’ancêtre commun des Angiospermes actuelles.

📌 L’anémogamie correspond au transport du pollen par le vent, la zoogamie à son transport par les animaux et l’hydrogamie à son transport par l’eau.

💡 Astuce mémo

Actinomorphe : plusieurs plans ; zygomorphe : un seul plan

📖 3. Caractères et classification phylogénétique

🔑 Notions clés & Définitions

• Caractère homologue : État de caractère partagé par plusieurs taxons parce qu’il a été hérité d’un ancêtre commun.
• Synapomorphie : Caractère apomorphe partagé par plusieurs taxons et absent du clade parent.
• Autapomorphie : État dérivé propre à un groupe donné, comme les disamares propres aux Érables.

★ À maîtriser

📌 La plésiomorphie désigne un état ancestral ou primitif, 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 sec formé de deux akènes ailés qui se séparent à maturité et constitue un caractère autapomorphe du groupe.

💡 Astuce mémo

Plésiomorphe ancien, apomorphe dérivé

📖 4. Défense et compromis évolutifs

🔑 Notions clés & Définitions

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

📝 Points essentiels

• Chez l’Acacia agressé par un herbivore, le stress mécanique augmente la production de tanins et d’éthylène, l’éthylène transmet un signal de détresse aux arbres voisins, puis ceux-ci augmentent à leur tour leur production de tanins.

• Le rendement moyen de la photosynthèse chez les plantes est d’environ $1\%$ de la lumière reçue transformée en production nette.

💡 Astuce mémo

Agression → signaux électriques → défenses chimiques et réponses à distance

📖 5. Diversité florale et reproduction

🔑 Notions clés & Définitions

• Cotylédon : Feuille primordiale déjà présente dans la graine, contenant les premières réserves d’énergie nécessaires à la plantule.
• Grain de pollen : Gamétophyte haploïde produit dans les anthères, et non un gamète, qui transporte les gamètes mâles jusqu’au stigmate.

★ À maîtriser

📌 Le nombre de cotylédons a conduit à distinguer traditionnellement les Monocotylédones et les Dicotylédones, mais ces groupes sont paraphylétiques et ne constituent pas une classification phylogénétique valide.

• La phylogénie distingue notamment les Monocotylédones à pollen monoaperturé des Eudicotylédones à pollen triaperturé.

Compléments

• Chez environ 70 % des Angiospermes, le grain de pollen est bicellulaire au moment de sa dispersion, tandis qu’il est tricellulaire chez environ 30 % des Angiospermes.

💡 Astuce mémo

Cotylédons → apertures du pollen → clades phylogénétiques

📖 6. Pollinisateurs et autofécondation

🔑 Notions clés & Définitions

• Autofécondation : Mode de reproduction sexuée dans lequel une plante féconde ses propres ovules avec son propre pollen, provenant de la même fleur ou d’une autre fleur de la même plante.

★ À maîtriser

• En Californie, il faut implanter environ six à dix ruches, soit environ 300 000 abeilles, par hectare d’amandiers pour assurer une pollinisation efficace.

📌 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.

• Le syndrome d’autofécondation comprend généralement des fleurs plus petites et moins colorées, une réduction des odeurs et du nectar, une proximité accrue entre étamines et stigmate et une homogamie favorisant l’autopollinisation.

• Dans les populations étudiées de Pensée des champs, la raréfaction des pollinisateurs a été associée à des corolles environ 10 % plus petites, à une réduction du nectar d’environ 20 % et à une augmentation de 27 % de l’autofécondation.

Compléments

• Chez les Orchidées, la pollinie est une masse de grains de pollen agglomérés, et certaines fleurs du genre Ophrys attirent les mâles de Dasyscolia ciliata en mimant les phéromones et la morphologie de la femelle.

📌 Une inflorescence étalée offre une forte visibilité lorsque tous les fleurons sont mûrs en même temps, tandis qu’une inflorescence étagée permet une floraison progressive, généralement du bas vers le haut.

• L’autofécondation est observée dans environ 20 % des Angiospermes et permet une reproduction en l’absence de pollinisateurs ainsi qu’une colonisation rapide de nouveaux sites.

💡 Astuce mémo

Déclin des pollinisateurs → fleurs moins attractives → autofécondation accrue

📖 7. Épigénétique 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, comme la méthylation stable de l’ADN de Peloria, qui peut produire une variation héréditaire du phénotype sans changement de la séquence nucléotidique.

★ À maîtriser

📌 Les fleurs de Linaire commune présentent une symétrie bilatérale, tandis que les fleurs Peloria présentent une symétrie radiale.

• Les deux formes de Linaire ne présentent pas de différence dans les séquences de leur ADN, mais le gène Cycloidea, impliqué dans la mise en place de l’axe dorso-ventral, est inactivé chez Peloria.

Compléments

• Chez le Muflier, les gènes CYCLOIDEA et DICHOTOMA, de la famille TCP, participent à la différenciation dorso-ventrale des pièces florales et à la symétrie bilatérale.

💡 Astuce mémo

Méthylation de Cycloidea → symétrie radiale de Peloria

📖 8. Sélection et domestication des plantes

🔑 Notions clés & Définitions

• Introgression génétique : Transfert de matériel génétique par hybridation entre des individus d’une même espèce ou d’une sous-espèce proche.
• Tubercule : Organe de réserve riche en amidon qui se développe à partir d’une tige souterraine, comme chez la pomme de terre.

📝 Points essentiels

• La pomme de terre, Solanum tuberosum, et la tomate, Solanum lycopersicum, appartiennent aux Solanacées et sont originaires d’Amérique du Sud.

• 🔄 L’histoire évolutive comprend trois étapes:

  1. Formation des Andes et de l’Altiplano
  2. Adaptation de la tomate à l’élévation de l’Altiplano
  3. Domestication de la pomme de terre par les humains

• La sélection artificielle a transformé la Téosinte sauvage, aux grains petits et peu nombreux, en maïs domestiqué aux épis grands et aux grains volumineux.

• En France, des téosintes ont acquis par hybridation avec le maïs des allèles de précocité de floraison et de résistance à des herbicides, ce qui peut favoriser leur naturalisation et provoquer jusqu’à 50 % de perte de rendement.

💡 Astuce mémo

Andes → spéciation → domestication

📖 9. 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.
• Taxonomie : Organise, décrit, nomme et classe les organismes en groupes et en rangs taxonomiques tels que les genres, familles, ordres et classes.
• Cladistique : Classe les organismes selon les ramifications issues d’ancêtres communs et constitue des clades à partir de caractères dérivés partagés.
• Synapomorphie : Caractère dérivé partagé, apparu chez l’ancêtre d’un groupe et transmis à ses descendants.

📝 Points essentiels

• La comparaison des fruits indique que la ronce et le framboisier sont des groupes frères, car leur ancêtre commun est plus récent que l’ancêtre commun partagé avec le cerisier.

💡 Astuce mémo

Taxonomie : nommer et classer ; phylogénie : retracer les parentés

📖 10. Cladistique et groupes taxonomiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Clade : Groupe formé par un ancêtre commun et tous ses descendants.
• Homologie : Dérivation à partir d’une structure ancestrale commune, même si les formes ou fonctions actuelles diffèrent.
• Symplésiomorphie : État ancestral partagé qui ne permet pas d’identifier un groupe issu d’un ancêtre exclusif.

★ 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 origines des épines sont:
  • Stipules chez le robinier
  • Rameaux axillaires chez la bugrane
  • Rachis de la feuille chez l’astragale
  • Feuilles chez l’ajonc

💡 Astuce mémo

Monophylétique : ancêtre et tous ses descendants ; para- ou polyphylétique : groupe incomplet ou artificiel

📖 11. Homologie et homoplasie

🔑 Notions clés & Définitions

• Homoplasie : Ressemblance entre des caractères apparus chez des espèces différentes sans héritage d’un ancêtre commun porteur de cette ressemblance.
• Convergence évolutive : Apparition indépendante de caractères similaires chez des organismes non apparentés soumis à des pressions de sélection comparables.

📝 Points essentiels

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

• Les racines aériennes de plusieurs palétuviers résultent de contraintes écologiques communes, mais leurs ressemblances fonctionnelles ne reposent pas sur une structure héritée d’un ancêtre partagé.

• Le caractère lianescent est apparu indépendamment dans plusieurs familles d’Angiospermes sous la pression de la compétition pour la lumière en forêt dense.

💡 Astuce mémo

Homologie = origine commune ; homoplasie = ressemblance indépendante

📖 12. Convergences et réversions évolutives

🔑 Notions clés & Définitions

• Parallélisme évolutif : Apparition indépendante de caractères similaires dans des lignées proches possédant des structures homologues et des bases génétiques ou développementales communes.
• Métabolisme CAM : Sépare dans le temps l’absorption et l’utilisation du dioxyde de carbone : les stomates s’ouvrent la nuit pour fixer le CO₂ en acides organiques, puis se ferment le jour lorsque le CO₂ est libéré pour la photosynthèse.
• Réversion évolutive : Réapparition d’un caractère ancestral dans une lignée où il avait disparu ou été fortement réduit, sans impliquer nécessairement un retour complet à l’état originel.

★ À maîtriser

• La succulence est apparue chez:
  • Cactaceae
  • Aizoaceae
  • Portulacaceae
  • Certaines Amaranthaceae

Compléments

📌 La loi de Dollo est aujourd’hui considérée comme un principe statistique : plus un caractère est complexe et plus sa perte est ancienne, moins sa réapparition exacte est probable, mais des réapparitions partielles ou des reconstructions restent possibles.

💡 Astuce mémo

Convergence, parallélisme, réversion : ressemblances indépendantes selon la parenté et l’histoire du caractère

📖 13. Diversité et domestication végétales

🔑 Notions clés & Définitions

• Cultivar : Variété cultivée obtenue et maintenue par sélection artificielle, comme les différentes formes de Brassica oleracea.
• Syndrome de domestication : Ensemble coordonné de changements recherchés ou non recherchés résultant de la sélection artificielle exercée par l’être humain.

★ À maîtriser

• Selon les données APG IV de 2016, les Angiospermes regroupent 416 familles et 295 383 espèces, sur plus de 300 000 espèces de plantes vasculaires.

• Les Angiospermes possèdent notamment des fleurs, des fruits, des graines issues d’une double fécondation, des vaisseaux conducteurs parfaits et de nombreuses interactions avec d’autres organismes.

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

Compléments

• Les choux, choux-fleurs, choux de Bruxelles, brocolis et choux-raves appartiennent tous à l’espèce Brassica oleracea, malgré leurs différences morphologiques dues à la sélection artificielle.

• Chez le maïs domestiqué, la sélection a favorisé de grands épis, des grains nus et non dispersés, mais elle a aussi entraîné une perte de dispersion naturelle, une sensibilité accrue à certaines maladies et une tige plus fragile.

📖 14. Syndrome de domestication

🔑 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.
• Sélection artificielle : La sélection artificielle exercée par l’humain peut entraîner une série de changements coordonnés et l’apparition de traits secondaires, transformant profondément une espèce en quelques générations.

★ À maîtriser

📌 Chez les plantes domestiquées, les traits recherchés peuvent inclure des fruits ou épis plus gros, des rendements élevés, des grains non dispersés à maturité et une récolte facilitée, tandis que les traits non recherchés comprennent une sensibilité accrue aux maladies, une perte de dormance ou de résistance aux stress et une dépendance aux intrants.

Compléments

• La vigne sauvage, ou lambrusque, correspond à Vitis vinifera subsp. sylvestris, une liane forestière dioïque pouvant atteindre plusieurs dizaines de mètres et produisant généralement peu de grappes.

• Les cépages cités sont:

  • cabernet
  • sauvignon
  • merlot
  • pinot
  • gros manseng
  • petit manseng

💡 Astuce mémo

Sélection humaine → traits recherchés et effets secondaires

📖 15. Mécanismes biologiques de domestication

🔑 Notions clés & Définitions

• Liaison génétique : La liaison génétique est la tendance de gènes proches sur un même chromosome à être hérités ensemble, ce qui peut entraîner la sélection involontaire d’un gène voisin lors de la sélection d’un caractère utile.
• Pléiotropie : La pléiotropie est l’influence multiple d’un même gène sur plusieurs traits, par exemple l’augmentation de la taille des fruits accompagnée d’une modification de leur texture ou de leur conservation.
• Épistasie : L’épistasie est une 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.
• Dérive génétique : La dérive génétique est le changement aléatoire de la fréquence des allèles, qui peut être favorisé par la réduction de la diversité génétique lors de la sélection et provoquer l’apparition de traits non sélectionnés.
• Plasticité phénotypique : La plasticité phénotypique est l’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 survenant lors de la méiose créent de nouvelles combinaisons d’allèles parfois associées à de nouveaux traits.

💡 Astuce mémo

Liens, Pléiotropie, Effets indirects, Dérive, Épistasie, Mutations

📖 16. Conservation des plantes cultivées

🔑 Notions clés & Définitions

• Messicoles : Les messicoles sont des plantes annuelles ou vivaces inféodées aux cultures de céréales, comme le coquelicot, les matricaires, la nielle des blés et le bleuet.
• Parthénocarpie : La parthénocarpie est la production de fruits sans fécondation, caractéristique des cultivars de bananiers qui sont généralement stériles.

★ À maîtriser

📌 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 bananiers cultivés sont issus d’hybridations entre différentes espèces et sous-espèces du genre Musa, et leurs cultivars sont fréquemment répartis entre bananes à cuire riches en amidon et bananes à dessert consommées crues.

Compléments

• Les variétés horticoles de bleuet des champs, Cyanus segetum, peuvent avoir des fleurs plus fournies, plusieurs couronnes de sépales, une triple corolle et des couleurs allant du rose au mauve ou au blanc.

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

• La stérilité des cultivars de bananiers limite leur amélioration génétique, qui s’appuie sur des parents potentiels plus fertiles pour créer ou améliorer de nouvelles variétés commerciales.

💡 Astuce mémo

Bleuet sauvage préservé ≠ variété horticole attractive mais stérile

📖 17. Identification et botanique prédictive

🔑 Notions clés & Définitions

• Holotype : L’holotype est l’individu type qui a servi à la description d’une espèce et qui porte les caractères typiques de cette espèce.
• Diagnose : La diagnose est une démarche analytique rigoureuse d’identification d’un taxon qui implique notamment le recours à des clés d’identification et la comparaison avec un holotype.

★ À maîtriser

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

Compléments

• Les alcaloïdes tropaniques cités sont:
  • hyoscyamine
  • scopolamine
  • atropine

💡 Astuce mémo

Reconnaissance visuelle ≠ identification par diagnose

📖 18. Biodiversité et fonctionnement des écosystèmes

🔑 Notions clés & Définitions

• Taxon : Groupe d’organismes réunis dans le but d’une classification ou d’une reconnaissance.
• Clade monophylétique : Un clade monophylétique regroupe un ancêtre et tous ses descendants, comme les Angiospermes.
• Classification phylogénétique : La classification phylogénétique, ou cladistique, regroupe les organismes qui partagent des caractères dérivés et constitue un système taxonomique fondé sur les relations de parenté.
• Syndrome de pollinisation : Le syndrome de pollinisation est l’ensemble des caractères floraux sélectionnés au cours de l’évolution chez des espèces végétales et adaptés à des vecteurs abiotiques ou biotiques de pollinisation.
• Syndrome d’autofécondation : Le syndrome d’autofécondation est l’ensemble des caractères morphologiques, physiologiques et génétiques qui favorisent la reproduction d’une plante par autofécondation, soit par autogamie, soit par géitonogamie.
• Homologie : État de caractère partagé par deux taxons parce qu’il a été hérité d’un ancêtre commun.

★ À maîtriser

• Le programme européen BIODEPTH a été mené en 1999 dans 8 pays européens, de la Grèce à la Suède, pour mesurer l’impact de la perte de diversité végétale sur la productivité primaire.

• Les résultats de BIODEPTH montrent que 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, c’est-à-dire de la présence de groupes comme les graminées, les légumineuses fixatrices d’azote et les herbacées non fixatrices.

• 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 entre espèces.

• Un groupe paraphylétique comprend une partie seulement des descendants d’un ancêtre, comme les reptiles ou les procaryotes, tandis qu’un groupe polyphylétique rassemble des taxons ayant des ancêtres différents, comme les algues.

• Un caractère dérivé est acquis et partagé par les membres d’un clade mais absent du clade parent, tandis qu’un caractère ancestral est partagé par le clade et déjà présent dans le clade parent.

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

• Le syndrome de domestication regroupe les modifications morphologiques, physiologiques et génétiques produites par la sélection humaine pour rendre une plante plus adaptée à la culture et à la consommation.

Compléments

📌 Le syndrome d’autofécondation procure une assurance reproductive et une colonisation rapide mais entraîne une faible diversité génétique et un risque de dépression de consanguinité.

• Le syndrome de domestication favorise la production et les rendements élevés, mais il s’accompagne d’une faible diversité génétique et d’une forte vulnérabilité face aux maladies.

💡 Astuce mémo

Diversité accrue → complémentarité des ressources → productivité et résilience

📊 Tableaux de synthèse

Modes de pollinisation

Types de groupes en cladistique