Fiche de révision : Nutrition et photosynthèse végétales

📋 Plan du Cours

1. Fleur et pollinisation
2. Fécondation et dispersion des graines
3. Reproduction végétative et clonage
4. Méristèmes et organogenèse végétale
5. Contrôle hormonal du développement
6. Influence du milieu sur la croissance
7. Organisation et échanges de la plante
8. Circulation des matières végétales
9. Pigments et absorption lumineuse
10. Réactions photochimiques
11. Photo-oxydation de l’eau
12. Synthèse d’ATP et phases photosynthétiques
13. Fixation du carbone et cycle de Calvin
14. Utilisation de la matière organique végétale
15. Réserves et interactions végétales

📖 1. Fleur et pollinisation

🔑 Notions clés & Définitions

• Fleur : Organe reproducteur de la plante, dont les pièces sont généralement organisées en verticilles.
• Pollinisation : Transport du pollen produit par les anthères des étamines.
• Coévolution : Évolution conjointe de deux organismes sous l’effet d’influences réciproques et de la sélection de caractères utiles.

★ À maîtriser

• De l’extérieur vers l’intérieur, une fleur comprend généralement : des sépales formant le calice, des pétales formant la corolle, des étamines, un pistil contenant l’ovaire, souvent divisé en carpelles

📌 Les sépales et les pétales sont des pièces stériles qui protègent la fleur et attirent les animaux pollinisateurs, tandis que les étamines et les carpelles sont des pièces fertiles.

📌 Les fleurs hermaphrodites portent des étamines et des carpelles et favorisent l’autofécondation, tandis que certaines espèces nécessitent une fécondation croisée et empêchent l’autofécondation par auto-incompatibilité.

Compléments

• Les gamètes mâles se forment après la méiose dans les grains de pollen, produits dans les sacs polliniques des anthères.

• Les carpelles contiennent les ovules, dans lesquels se trouve l’oosphère, le gamète femelle des plantes.

• Chez Arabidopsis thaliana, l’autofécondation est prédominante, mais non obligatoire.

• Lors d’une auto-incompatibilité, un grain de pollen portant l’un des deux allèles du pistil sur lequel il se dépose ne peut pas féconder l’ovule, car sa germination ou la croissance du tube pollinique est empêchée.

• La pollinisation peut être assurée par : l’eau, le vent, les animaux, dont la majorité sont des insectes

📌 La pollinisation anémogame produit un pollen petit, lisse et très léger ainsi que des fleurs en forme de chatons, comme chez le noisetier, tandis que la pollinisation entomogame produit un pollen gros et ornementé ainsi que des fleurs colorées, odorantes, à motifs visibles et pourvues de nectar, comme le lys.

📖 2. Fécondation et dispersion des graines

★ À maîtriser

• Après le dépôt du pollen sur le stigmate, le grain germe et produit un tube pollinique qui traverse le style jusqu’à l’ovule, où le gamète mâle féconde l’oosphère.

• Après la fécondation, chaque ovule se transforme en graine contenant l’embryon de la future plantule et des réserves nutritives.

• La dispersion des graines permet la colonisation de nouveaux territoires et réduit la compétition avec la plante mère, contribuant ainsi à la pérennité de l’espèce.

Compléments

• Le fruit charnu provient de la paroi de l’ovaire, qui s’épaissit, grossit et se remplit de réserves autour de la graine.

📌 Le vent disperse des fruits secs, petits et légers dotés d’une structure facilitant leur prise au vent, comme le pissenlit ; les animaux dispersent des fruits charnus, gros, colorés et riches en sucres, comme la prune, ou des fruits secs munis de crochets, comme les bardanes ; l’eau disperse des fruits filandreux servant de flotteurs, comme la noix de coco.

💡 Astuce mémo

Pollen sur le stigmate → tube pollinique → fécondation → graine

📖 3. Reproduction végétative et clonage

🔑 Notions clés & Définitions

• Reproduction asexuée : Mode de reproduction sans fécondation à partir d’un seul individu parental.
• Totipotence : Capacité des cellules végétales à se dédifférencier puis à former de nouveaux méristèmes racinaires et caulinaires.

★ À maîtriser

• Les organes végétaux permettant la reproduction asexuée comprennent :
  • les stolons des fraisiers
  • les drageons des framboisiers
  • les tubercules de pomme de terre
  • les rhizomes
  • les bulbes

📌 La reproduction asexuée permet l’accroissement rapide des populations et la colonisation efficace des milieux continentaux, mais les clones génétiquement identiques peuvent être défavorisés par les changements environnementaux ou les infections par un pathogène.

• Le bouturage consiste à séparer de la plante mère une tige feuillée ou une feuille pour la multiplier.

• Le marcottage consiste à favoriser la formation de racines sur une tige feuillée, puis à séparer celle-ci de la plante mère.

• La culture in vitro, mise au point à partir du XXème siècle grâce aux progrès de la physiologie végétale, permet de régénérer et de multiplier rapidement des plantes sur un milieu nutritif approprié et en conditions aseptiques.

Compléments

• La reproduction asexuée peut se faire à partir de fragments feuillés de tige ou de feuilles qui se séparent naturellement ou artificiellement de la plante mère et peuvent régénérer une plante entière.

• Les individus issus de la reproduction asexuée sont génétiquement identiques à la plante mère.

• Grâce à leur croissance indéfinie, les nouveaux méristèmes peuvent reconstituer une plante entière lorsque les conditions environnementales le permettent.

• Les horticulteurs exploitent depuis des siècles la reproduction asexuée pour cloner des plantes intéressantes et les multiplier en grandes quantités.

• La séparation et le repiquage peuvent concerner :

  • les bulbes
  • les tubercules
  • les rhizomes

• Le milieu nutritif contient notamment :

  • des sels minéraux
  • des vitamines
  • des sucres
  • des hormones végétales

📖 4. Méristèmes et organogenèse végétale

🔑 Notions clés & Définitions

• Méristème caulinaire : Amas de cellules embryonnaires, petites, cubiques et indifférenciées, capables de se diviser indéfiniment.
• Auxèse : Élongation des cellules produites par les méristèmes, disposées en files parallèles, qui permet l’allongement des racines et des segments de tige ainsi que l’agrandissement des feuilles.
• Phytomère : Module de tige constitué d’un entrenœud dépourvu de bourgeons et de feuilles et d’un nœud portant une ou plusieurs feuilles et un ou plusieurs bourgeons axillaires situés à leur aisselle.

★ À maîtriser

• La mérèse est la multiplication par mitose des cellules méristématiques, organisée dans l’espace et dans le temps, qui produit les ébauches de tiges, de feuilles et de futurs bourgeons.

Compléments

• Chaque bourgeon contient une ébauche de tige feuillée dont l’extrémité porte un méristème caulinaire.

• Le cambium est un méristème présent dans des organes déjà développés, à l’origine des tissus du bois et de l’augmentation du diamètre des tiges et des racines.

• 🔄 Le développement des ébauches de phytomères comprend : l’élongation des entrenœuds, l’augmentation de la taille des feuilles, la différenciation des tissus, notamment en vaisseaux conducteurs et en parenchymes chlorophylliens

• Les racines secondaires se forment à quelques centimètres au-dessus de l’apex racinaire lorsque des cellules proches des vaisseaux conducteurs de sève se dédifférencient, redeviennent embryonnaires et se divisent pour former le méristème apical de la nouvelle racine.

📖 5. Contrôle hormonal du développement

★ À maîtriser

• L’auxine provoque l’élongation cellulaire en générant une entrée d’eau dans les cellules et favorise la formation de racines secondaires.

📌 L’auxine inhibe le développement des bourgeons axillaires, ce qui constitue la dominance apicale.

• Les cytokinines sont produites par les racines, migrent vers les parties aériennes et stimulent le développement des bourgeons axillaires, levant ainsi la dominance apicale.

Compléments

• L’auxine, ou AIA (acide indol acétique), est la première phytohormone découverte.

• L’auxine est principalement sécrétée par les bourgeons apicaux et les jeunes feuilles, puis migre vers le bas jusqu’aux racines.

📌 Les effets de l’auxine dépendent de sa concentration et de la présence ainsi que de l’abondance d’autres hormones, notamment des cytokinines ; l’équilibre entre auxines et cytokinines permet le développement de la plante.

💡 Astuce mémo

Auxine : freine les bourgeons axillaires ; cytokinines : les stimulent.

📖 6. Influence du milieu sur la croissance

★ À maîtriser

• Sous un éclairement latéral, l’auxine migre vers les cellules les moins éclairées de la tige, où elle accroît l’élongation ; cette croissance différentielle courbe la tige vers la source lumineuse et constitue le phototropisme.

• La gravité est perçue par des organites des cellules végétales, ce qui modifie la répartition des hormones et oriente verticalement la croissance des racines ; cette réponse est appelée gravitropisme ou géotropisme.

Compléments

• Le froid ralentit la croissance des entrenœuds et nanifie les plantes.

• Un vent soufflant toujours dans la même direction modifie la silhouette des arbres et ralentit leur développement.

💡 Astuce mémo

Éclairement latéral → auxine du côté sombre → élongation asymétrique → courbure vers la lumière.

📖 7. Organisation et échanges de la plante

🔑 Notions clés & Définitions

• Stomate : Constitué de cellules de garde chlorophylliennes encadrant un orifice, l’ostiole, qui débouche sur une chambre sous-stomatique.
• Poil absorbant : Cellule unique particulièrement présente à la surface des jeunes racines, dans la zone pilifère, qui contribue aux échanges avec le sol.

★ À maîtriser

• L’appareil végétatif d’une plante comprend un système racinaire qui prélève l’eau et les sels minéraux du sol, ainsi qu’un système caulinaire formé d’une tige portant les feuilles et les fleurs.

• La photosynthèse se déroule dans les parties aériennes vertes, notamment dans les chloroplastes des feuilles, et produit des sucres à partir de lumière, d’eau, de CO2 et de sels minéraux.

• Le nombre très élevé et la finesse des poils absorbants constituent une importante surface d’échange permettant de prélever dans le sol l’eau et les sels minéraux nécessaires à la photosynthèse.

📌 Dans une mycorhize, les filaments mycéliens du champignon augmentent la surface d’échange et prélèvent l’eau et les sels minéraux du sol, tandis que la plante fournit au champignon les sucres produits par photosynthèse.

• De la face supérieure à la face inférieure d’une feuille se succèdent une cuticule, l’épiderme supérieur, le parenchyme palissadique chlorophyllien, un parenchyme chlorophyllien plus lâche avec des lacunes, puis l’épiderme inférieur.

• Les stomates de l’épiderme inférieur s’ouvrent pour permettre les échanges de CO2 et d’O2 lorsque les conditions sont favorables, notamment quand il ne fait ni trop chaud ni trop venteux, afin de limiter les pertes d’eau.

• L’eau et les sels minéraux passent essentiellement par les racines et gagnent les feuilles, tandis que les sucres produits dans les feuilles sont répartis dans toute la plante pour fournir de l’énergie aux cellules par la respiration.

Compléments

📌 Une tige herbacée est petite, souple et chlorophyllienne, tandis qu’une tige ligneuse est plus grande, rigide et très ramifiée grâce à la lignine, qui rigidifie les tissus et aide à maintenir un port droit.

• Les échanges entre la plante et l’atmosphère se réalisent au niveau des feuilles.

• Environ 90% des plantes établissent des relations symbiotiques avec des champignons du sol, formant des mycorhizes qui associent racines et champignons.

• Les feuilles constituent une surface d’échange favorable à la capture de la lumière parce qu’elles sont aplaties et organisées en couches fines.

• La cuticule, imperméable et très fine, limite les pertes d’eau tout en laissant passer la lumière.

• Les lacunes du parenchyme chlorophyllien lâche permettent aux gaz, dont le CO2 nécessaire à la photosynthèse, de circuler dans la plante.

• Les stomates sont généralement plus nombreux sur la face inférieure des feuilles, mais leur répartition est équivalente entre les deux faces des feuilles à port dressé, comme celles de l’iris et du poireau.

📖 8. Circulation des matières végétales

🔑 Notions clés & Définitions

• Sève brute : Composée d’eau et de sels minéraux absorbés par les racines et les poils absorbants, puis transportés jusqu’aux feuilles.
• Sève élaborée : Contient les sucres et les molécules organiques fabriqués dans les feuilles grâce à la photosynthèse.

★ À maîtriser

• La sève brute circule de bas en haut dans les vaisseaux du xylème.

• La sève élaborée, plus sirupeuse que la sève brute, circule des feuilles vers l’ensemble de la plante dans les vaisseaux conducteurs du phloème.

Compléments

• Les vaisseaux du xylème sont formés de cellules mortes, allongées et de gros diamètre, alignées sans cloisons transversales, ce qui permet une circulation rapide de la sève brute.

• Les parois des vaisseaux du xylème contiennent de la lignine, qui les renforce, et se colorent en vert après coloration au carmin-vert d’iode.

• La sève élaborée alimente notamment les cellules des racines et des bourgeons, qui ne réalisent pas la photosynthèse.

• Les tubes criblés du phloème sont des cellules vivantes alignées verticalement, percées de trous dans leurs cloisons transversales, dont les parois contiennent de la cellulose et se colorent en rose au carmin-vert d’iode.

💡 Astuce mémo

Xylème ascendant, phloème depuis les feuilles

📖 9. Pigments et absorption lumineuse

🔑 Notions clés & Définitions

• Autotrophie : Capacité des végétaux chlorophylliens à synthétiser leur propre matière organique à partir de matière minérale grâce à la lumière.
• Photosynthèse : Ensemble de réactions chimiques qui produit la matière organique nécessaire au fonctionnement et à la croissance de la plante.
• Pigment : Substance qui absorbe la lumière visible.

★ À maîtriser

• La photosynthèse se déroule uniquement dans les cellules chlorophylliennes qui contiennent des chloroplastes.

• La chlorophylle absorbe la lumière rouge et bleue et réfléchit ou transmet la lumière verte, ce qui explique la couleur verte des feuilles.

• Les pigments photosynthétiques fondamentaux sont les chlorophylles a et b, tandis que les pigments accessoires, comme les carotènes et les xanthophylles, élargissent le spectre d’absorption.

Compléments

• En captant l’énergie lumineuse, les organismes chlorophylliens sont à la base de presque tous les écosystèmes, à l’exception de quelques écosystèmes fondés sur la chimiosynthèse, comme ceux des fumeurs noirs.

• La couleur verte des feuilles est due aux chlorophylles a et b, des pigments présents dans les chloroplastes et plus précisément dans la membrane des thylakoïdes.

• La comparaison des spectres d’absorption des pigments et du spectre d’action de la photosynthèse montre que les radiations absorbées par ces pigments sont efficaces pour la photosynthèse.

📖 10. Réactions photochimiques

★ À maîtriser

• Après absorption d’un photon, un électron de la chlorophylle a passe à un niveau énergétique supérieur et la chlorophylle se trouve à l’état excité.

• Les électrons de haute énergie cédés par la chlorophylle sont transférés à une molécule acceptrice oxydante, notée R, qui est alors réduite.

📐 Formule - La molécule acceptrice R est réduite selon la relation $\mathrm{R + 2\ H^+ + 2\ e^- \rightarrow RH_2}$.

Compléments

• Dans l’obscurité, la chlorophylle a est à l’état fondamental et ses électrons sont à leur niveau énergétique normal.

• À l’état excité, la chlorophylle devient un réducteur fort et tend à céder ses électrons, mais cet état énergétique est instable.

• Dans la chaîne photosynthétique, les électrons sont finalement transférés au NADP+, qui est réduit en NADPH + H+.

• L’expérience de Hill, réalisée en 1937, montre qu’une molécule oxydante acceptrice d’électrons présente dans le stroma du chloroplaste est indispensable au bon fonctionnement de la photosynthèse.

💡 Astuce mémo

Photon absorbé → chlorophylle excitée → transfert d’électrons

📖 11. Photo-oxydation de l’eau

★ À maîtriser

• Lors de la photo-oxydation, l’eau est oxydée selon $\mathrm{H_2O \rightarrow \frac{1}{2}O_2 + 2H^+ + 2e^-}$, ce qui restitue des électrons à la chlorophylle excitée.

• L’oxygène produit lors de la photosynthèse provient de l’oxydation de l’eau.

Compléments

• L’expérience de Ruben et Kamen, en 1941, a permis d’établir la provenance de l’oxygène photosynthétique et d’expliquer le retour de la chlorophylle à son état stable.

💡 Astuce mémo

L’eau oxydée restitue les électrons à la chlorophylle et libère O₂.

📖 12. Synthèse d’ATP et phases photosynthétiques

🔑 Notions clés & Définitions

• ATP : Molécule à grande énergie potentielle, portée notamment par sa dernière liaison phosphate, dont la rupture libère beaucoup d’énergie utilisable par la cellule.

★ À maîtriser

• Une partie de l’énergie libérée par les réactions d’oxydoréduction spontanées est utilisée pour produire de l’ATP.

📌 La phase claire utilise l’énergie lumineuse pour produire de l’ATP et du RH₂ (NADPH + H⁺) en libérant de l’oxygène, tandis que la phase sombre utilise l’ATP et le RH₂ pour transformer le CO₂ en glucides.

Compléments

• Les transferts de H⁺ dans les ATP synthases, enzymes insérées dans la membrane des thylakoïdes, permettent la synthèse d’ATP par phosphorylation de l’ADP.

📐 Formule - La synthèse d’ATP s’écrit $\mathrm{ADP + P_i + énergie\ chimique \rightarrow ATP}$.

💡 Astuce mémo

La phase claire produit ATP et RH₂ ; la phase sombre les utilise pour fixer le CO₂.

📖 13. Fixation du carbone et cycle de Calvin

★ À maîtriser

• La RuBisCO contrôle l’incorporation du CO₂ dans le Ru-bis-P, une molécule accepteur à cinq carbones également appelée C5P₂.

• Dans le cycle de Calvin, une partie des trioses phosphates régénère le Ru-bis-P pour permettre l’incorporation d’autres molécules de CO₂, tandis qu’une autre partie sert à produire des composés organiques, comme l’amidon.

Compléments

• La fixation du carbone en matière organique se déroule dans le stroma du chloroplaste.

• L’incorporation du CO₂ dans le C5P₂ produit presque immédiatement deux molécules à trois carbones d’APG (3-phosphoglycérate), premier produit formé lors de la fixation du carbone.

• L’APG est réduit en trioses phosphates grâce au RH₂, qui est réoxydé et régénéré, et à l’ATP.

💡 Astuce mémo

CO₂ fixé sur C5P₂ → APG → trioses phosphates → régénération de C5P₂ ou glucides.

📖 14. Utilisation de la matière organique végétale

🔑 Notions clés & Définitions

• Cellulose : Polymère fibreux de glucose qui s’accumule dans la paroi des cellules végétales et participe au contrôle de leur croissance.

★ À maîtriser

• Les molécules organiques produites par photosynthèse sont en partie utilisées par les tissus chlorophylliens, tandis que le reste est exporté par la sève élaborée sous forme de petites molécules solubles, notamment des acides aminés et du saccharose, vers les autres organes.

Compléments

• La cellulose est produite dans les zones d’élongation des organes végétaux.

• L’enrichissement de certaines parois en lignine les rend très rigides et forme notamment le sclérenchyme ou le bois, qui assure le soutien et le port de la plante.

📖 15. Réserves et interactions végétales

★ À maîtriser

• Certaines plantes stockent des molécules organiques dans des bulbes, des rhizomes ou des tubercules pour résister aux conditions défavorables ou assurer leur reproduction asexuée.

• Certaines plantes produisent des tanins à partir du glucose ; lorsqu’ils sont ingérés par les phytophages, ces tanins ont un effet toxique qui limite la prédation.

Compléments

• Les réserves végétales peuvent être des glucides, comme l’amidon stocké dans les amyloplastes des tubercules de pomme de terre, des protéines, comme dans la graine de haricot, ou des lipides, comme dans la noix.

• Les réserves contenues dans les graines alimentent l’embryon au moment de la germination et contribuent ainsi au succès de la reproduction sexuée.

• Lorsqu’un arbre est agressé par un phytophage, il produit davantage de tanins et de l’éthylène, qui alerte les autres végétaux et entraîne chez eux une production de tanins.

• Les anthocyanes rendent certaines fleurs très colorées et attirent les insectes pollinisateurs, ce qui favorise la reproduction sexuée.