La vie fixée des plantes à fleurs
Cours complet · SVT (terminale), chapitre 6 · terminale, spécialité sciences de la vie et de la Terre
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Contrairement aux animaux, qui peuvent se déplacer pour se nourrir, échapper à leurs prédateurs ou rechercher un partenaire, les plantes à fleurs (Angiospermes) mènent une vie fixée. Ancrées au sol par leurs racines, elles ne peuvent ni fuir, ni chercher activement leurs ressources. Cette contrainte majeure a façonné l'ensemble de leur organisation : développement de vastes surfaces d'échange, mise en place de tissus conducteurs reliant les organes souterrains et aériens, systèmes de défense efficaces et stratégies de reproduction faisant souvent appel à des partenaires extérieurs (animaux pollinisateurs, vent).
Ce chapitre étudie comment l'organisation fonctionnelle de la plante répond aux exigences de la vie fixée : se nourrir à l'interface sol-atmosphère, se protéger des agressions et se reproduire malgré l'immobilité. Nous verrons enfin comment l'Homme, par la domestication, a profondément modifié les plantes cultivées.
6.1 Une organisation fonctionnelle en lien avec la vie fixée
La vie fixée impose à la plante de prélever ses ressources dans deux milieux très différents : le sol, qui fournit l'eau et les ions minéraux, et l'atmosphère éclairée, qui fournit le dioxyde de carbone et l'énergie lumineuse. La plante développe donc deux appareils complémentaires : un appareil racinaire souterrain et un appareil aérien (tige et feuilles).
La vie fixée est le mode de vie d'un organisme ancré durablement à un substrat, incapable de se déplacer. Chez les plantes à fleurs, elle se traduit par une organisation présentant de grandes surfaces d'échange avec le milieu et un système de transport interne reliant les organes prélevant les ressources.
6.1.1 De grandes surfaces d'échange
Pour capter efficacement des ressources peu concentrées et dispersées, la plante maximise ses surfaces de contact avec le milieu, à l'interface entre le sol et l'atmosphère.
Au niveau racinaire, la surface d'échange est considérablement augmentée par les ramifications et surtout par les poils absorbants, fines expansions des cellules de l'épiderme racinaire. La zone pilifère, située en arrière de l'extrémité des jeunes racines, peut compter plusieurs milliers de poils par centimètre carré, ce qui multiplie la surface d'absorption de l'eau et des ions.
Au niveau aérien, ce sont les feuilles, organes aplatis et étalés, qui constituent la principale surface d'échange. Leur limbe large expose un maximum de surface à la lumière. Les échanges gazeux (, , vapeur d'eau) se font par de minuscules orifices, les stomates, présents surtout sur la face inférieure des feuilles.
Un stomate est un orifice microscopique de l'épiderme des feuilles, bordé par deux cellules de garde qui contrôlent son ouverture. Il permet les échanges gazeux ( entrant, sortant) ainsi que l'évaporation de l'eau (transpiration). L'ouverture variable des stomates assure un compromis entre l'entrée du et la limitation des pertes en eau.
Le système racinaire d'un plant de seigle adulte peut représenter, poils absorbants compris, une surface totale de plusieurs centaines de mètres carrés. De même, la surface foliaire totale d'un grand arbre se compte en centaines de mètres carrés. Ces surfaces, très supérieures à la surface du corps d'un animal de masse comparable, compensent l'impossibilité pour la plante de se déplacer vers ses ressources.
6.1.2 Des systèmes conducteurs
Les lieux de prélèvement (racines pour l'eau et les ions, feuilles pour le et la lumière) sont éloignés les uns des autres. La plante doit donc transporter les substances sur de longues distances : c'est le rôle des tissus conducteurs, organisés en faisceaux dans les racines, la tige et les nervures des feuilles.
Le xylème (ou bois) conduit la sève brute, constituée d'eau et d'ions minéraux, des racines vers les feuilles. Il est formé de cellules mortes, lignifiées, formant des vaisseaux rigides.
Le phloème (ou liber) conduit la sève élaborée, riche en matières organiques (saccharose) produites par la photosynthèse, des feuilles vers les organes consommateurs ou de réserve (racines, fruits, bourgeons). Il est formé de cellules vivantes.
- La sève brute circule des racines vers les feuilles (sens ascendant). Sa montée est assurée par la transpiration foliaire, qui crée une aspiration, et par la poussée racinaire.
- La sève élaborée circule à partir des feuilles vers tous les organes, dans des sens variables selon les besoins de la plante.
Ces deux circulations relient les organes spécialisés et assurent la cohésion fonctionnelle de la plante malgré son organisation étalée.
6.2 La nutrition de la plante
La plante est un organisme autotrophe : elle produit elle-même sa matière organique à partir de matière minérale, grâce à l'énergie lumineuse. Sa nutrition repose donc sur le prélèvement d'eau et d'ions minéraux dans le sol, de dans l'air, et sur la photosynthèse.
Un organisme autotrophe est capable de synthétiser sa propre matière organique à partir de matière minérale (eau, , ions) en utilisant une source d'énergie. Les plantes chlorophylliennes sont autotrophes vis-à-vis du carbone grâce à la photosynthèse, qui utilise l'énergie lumineuse.
6.2.1 L'absorption de l'eau et des ions minéraux
L'eau et les ions minéraux (nitrate , phosphate, potassium , etc.) sont prélevés dans la solution du sol par les poils absorbants des racines. Ces éléments sont indispensables à la synthèse des molécules organiques (l'azote pour les protéines, le phosphore pour les acides nucléiques, etc.).
De nombreuses plantes améliorent leur nutrition grâce à des associations à bénéfices réciproques (symbioses). Les mycorhizes sont des associations entre les racines et des champignons du sol : le champignon, dont les filaments explorent un grand volume de sol, fournit à la plante de l'eau et des ions (notamment le phosphate) et reçoit en retour des sucres. Chez les Légumineuses (trèfle, pois), des bactéries logées dans des nodosités racinaires fixent le diazote de l'air et le rendent assimilable, enrichissant la plante en azote.
6.2.2 La photosynthèse
Dans les feuilles, les cellules contiennent des chloroplastes renfermant la chlorophylle, pigment capable de capter l'énergie lumineuse. La photosynthèse utilise cette énergie pour fabriquer de la matière organique.
La photosynthèse est la synthèse de matière organique (glucose) à partir de et d'eau, réalisée dans les chloroplastes grâce à l'énergie lumineuse captée par la chlorophylle. Elle s'accompagne d'un rejet de dioxygène. Le bilan global s'écrit :
La photosynthèse nécessite : de la lumière, du , de l'eau et de la chlorophylle. Les produits sont :
- du glucose (), matière organique de base, transformé ensuite en saccharose transporté par le phloème, ou stocké sous forme d'amidon ;
- du dioxygène (), rejeté dans l'atmosphère par les stomates.
La photosynthèse fait ainsi de la plante un producteur primaire, à la base des chaînes alimentaires, et une source majeure du dioxygène atmosphérique.
6.3 La protection contre les agressions
Incapable de fuir, la plante fixée subit de nombreuses agressions : conditions du milieu (froid, sécheresse, vent), herbivores et agents pathogènes (champignons, bactéries, virus). Elle a développé des défenses physiques (permanentes) et chimiques (souvent inductibles, c'est-à-dire déclenchées par l'agression).
Les défenses physiques sont des barrières structurales : cuticule cireuse, écorce (suber), épines, poils urticants, parois épaissies. Les défenses chimiques reposent sur la production de molécules (métabolites secondaires) toxiques, répulsives ou antibiotiques, qui dissuadent les herbivores ou détruisent les agents pathogènes.
- Physiques : les épines de l'acacia ou du rosier, les poils piquants de l'ortie, l'épaisse écorce des arbres, la cuticule imperméable des feuilles.
- Chimiques : la nicotine du tabac et la caféine, toxiques pour de nombreux insectes ; les tanins, qui rendent les feuilles indigestes ; les phytoalexines, substances antimicrobiennes produites au point d'infection ; le latex collant qui piège les insectes.
Certaines défenses sont déclenchées par l'agression elle-même. Une feuille attaquée par un insecte peut produire des composés volatils qui :
- alertent les autres parties de la plante, qui renforcent alors leurs défenses chimiques ;
- attirent des prédateurs de l'herbivore (par exemple des guêpes parasites des chenilles), réalisant une défense indirecte.
La plante fixée n'est donc pas passive : elle perçoit son environnement et y répond.
6.4 La reproduction de la plante fixée
La vie fixée pose un problème majeur pour la reproduction sexuée : les individus ne peuvent se rapprocher pour assurer la rencontre des gamètes. La fleur, organe reproducteur des Angiospermes, et le recours à des agents externes (animaux, vent) permettent de surmonter cet obstacle.
6.4.1 La fleur, organe de la reproduction sexuée
La fleur est l'organe reproducteur des Angiospermes. De l'extérieur vers l'intérieur, elle comprend généralement quatre verticilles :
- le calice, ensemble des sépales (protection) ;
- la corolle, ensemble des pétales (souvent colorés, attractifs) ;
- l'androcée, ensemble des étamines, organes mâles produisant le pollen ;
- le gynécée (ou pistil), organe femelle formé d'un ou plusieurs carpelles renfermant les ovules.
6.4.2 La pollinisation
La pollinisation est le transport des grains de pollen (contenant les gamètes mâles) des étamines vers le stigmate du pistil d'une fleur. Elle est dite anémophile lorsqu'elle est assurée par le vent, et entomophile (ou plus largement zoophile) lorsqu'elle est assurée par des animaux (insectes, oiseaux, chauves-souris).
La pollinisation croisée (le pollen d'une fleur féconde une autre fleur) favorise le brassage génétique et la diversité de la descendance. Pour assurer ce transport malgré l'immobilité, la plante « recrute » des partenaires animaux.
La relation entre une plante et son pollinisateur est une relation à bénéfices réciproques (mutualisme) :
- la plante offre une récompense (nectar sucré, pollen nutritif) et des signaux attractifs (couleur des pétales, parfum, taches « guides à nectar ») ;
- l'animal se nourrit et, ce faisant, transporte involontairement le pollen d'une fleur à l'autre, assurant la fécondation.
La coévolution est l'évolution conjointe de deux espèces en interaction étroite, chacune exerçant sur l'autre une pression de sélection. Plantes à fleurs et pollinisateurs présentent de nombreuses adaptations réciproques résultant d'une longue coévolution.
L'orchidée malgache Angraecum sesquipedale possède un long éperon (environ 30 cm) au fond duquel se trouve le nectar. Darwin prédit en 1862 l'existence d'un insecte à trompe assez longue pour l'atteindre. Ce papillon de nuit, Xanthopan morganii praedicta, fut effectivement découvert plus tard : sa trompe correspond précisément à l'éperon de la fleur. Chacun dépend de l'autre, illustrant une coévolution étroite.
6.4.3 De la fleur au fruit et à la graine
Méthode : Comprendre la transformation de la fleur en fruit
Après la pollinisation et la double fécondation caractéristique des Angiospermes, la fleur se transforme. Pour relier les organes de la fleur à ceux du fruit, raisonner ainsi :
- l'ovule fécondé devient la graine, qui contient l'embryon et des réserves nutritives ;
- l'ovaire qui contenait les ovules devient le fruit, qui protège les graines ;
- les autres pièces florales (pétales, étamines) fanent et tombent.
Pour identifier l'origine d'un fruit, retrouver donc toujours l'ovaire de la fleur initiale.
6.4.4 La dissémination des graines
La plante fixée doit disperser sa descendance loin du pied parent, pour limiter la compétition et coloniser de nouveaux milieux. Là encore, elle utilise des agents externes : le vent, l'eau et les animaux.
La forme du fruit et de la graine est adaptée au mode de dispersion :
- Par le vent (anémochorie) : structures légères ou ailées (samare de l'érable, aigrette du pissenlit).
- Par l'eau (hydrochorie) : fruits flottants (noix de coco).
- Par les animaux (zoochorie) : fruits charnus et sucrés ingérés puis rejetés avec les graines intactes (cerise), ou fruits munis de crochets s'accrochant aux poils (bardane).
Ces adaptations permettent à la descendance de s'éloigner du pied parent malgré l'immobilité de la plante.
6.4.5 La reproduction asexuée
La reproduction asexuée produit de nouveaux individus à partir d'un seul parent, sans fécondation. Les descendants sont génétiquement identiques au parent : ils forment un clone. Elle se fait à partir d'organes végétatifs (tige, racine, feuille).
Le fraisier émet des tiges rampantes, les stolons, qui s'enracinent et donnent de nouveaux plants. La pomme de terre se multiplie par ses tubercules ; l'iris par ses rhizomes ; certaines plantes (bryophylle) par des bourgeons formés sur les feuilles. L'Homme exploite ce mécanisme par bouturage, marcottage et greffage.
La reproduction asexuée permet une colonisation rapide d'un milieu favorable et conserve à l'identique un génotype intéressant, mais ne produit aucune diversité génétique, ce qui rend le clone vulnérable face à un changement de milieu ou à une maladie.
6.5 La domestication des plantes
Depuis le Néolithique (il y a environ 10 000 ans), l'Homme cultive et sélectionne les plantes pour ses besoins : c'est la domestication. Elle a profondément transformé les espèces cultivées par rapport à leurs ancêtres sauvages.
La domestication est le processus par lequel l'Homme transforme une espèce sauvage en espèce cultivée adaptée à ses besoins, en sélectionnant de génération en génération les individus présentant les caractères recherchés (sélection artificielle). Les caractères sélectionnés (gros fruits, gros grains, absence d'amertume, rendement) diffèrent souvent de ceux favorisés par la sélection naturelle.
Le maïs cultivé descend d'une graminée sauvage mexicaine, le téosinte, dont les épis ne portent qu'une dizaine de petits grains durs. Par sélection des plants aux épis les plus gros et aux grains les plus nombreux, les agriculteurs ont obtenu en quelques millénaires le maïs actuel, aux épis volumineux portant des centaines de grains. Le maïs est aujourd'hui incapable de disperser seul ses graines : il dépend totalement de l'Homme.
La sélection artificielle :
- augmente la fréquence des allèles favorables aux caractères recherchés ;
- réduit souvent la diversité génétique des variétés cultivées par rapport aux populations sauvages, ce qui peut les rendre plus vulnérables aux maladies ;
- peut être complétée aujourd'hui par les croisements dirigés, la création d'hybrides et les biotechnologies.
La conservation des variétés anciennes et des apparentés sauvages (banques de graines) est essentielle pour préserver la diversité génétique utile aux sélections futures.