Du fait de leur nature fixée, l'environnement exerce des contraintes très importantes sur les plantes dont elles ne peuvent se soustraire. Les variations de températures ou de l'humidité, la présence de prédateurs et l'accès aux substances nutritives sont autant de facteurs qui ont nécessité de nombreuses adaptations.
1. L'appareil végétatif des plantes
Les plantes en question sont les plantes terrestres et plus particulièrement les plantes à fleurs (les angiospermes). L'appareil végétatif de ces plantes est composé d'un système racinaire enfoui dans le sol et d'un système aérien (tige + feuilles) en contact avec l'atmosphère.
Appareil végétatif d'une plante
Les deux composants de l'appareil végétatif des plantes (le système racinaire et le système aérien) permettent d'interagir avec l'environnement pour y prélever les éléments nécessaires à la croissance et au fonctionnement de l'organisme. Le premier recueillant et convertissant l'énergie lumineuse et le dioxyde de carbone CO2 de l'atmosphère pour former du glucose C6H12O6 et du dioxygène O2, le second puisant dans le sol différents sels minéraux ainsi que l'eau H20.
1.1. Le système racinaire
Le système racinaire est un ensemble d'organes situé dans le sol dont les fonctions principales sont la fixation de la plante dans son environnement et l'absorption de l'eau et de sels minéraux. Les racines peuvent être très ramifiées et parcourir une large zone sous terre.
Certaines racines présentent à leurs surfaces des cellules spécialisées que l’on nomme poils absorbants ou poils racinaires qui augmentent considérablement la surface d’échange avec le sol. Ces poils absorbants sont des cellules situées à la périphérie de la racine. Elles sont riches en pores spécialisés (aquaporines) qui laissent passer les molécules d’eau du milieu extérieur vers le milieu intérieur et en protéines de surface qui transportent activement les sels minéraux du sol vers la cellule.
Zone pilifère présentant des poils absorbants
Certaines plantes ne sont pas pourvues de poils absorbants. Elles sont associées néanmoins à des champignons du sol qui forment un manchon coloré autour de la racine. Cette association, que l’on nomme mycorhize est une association de type symbiotique car les deux partenaires en bénéficient : le champignon absorbe l’eau et fournit certains sels minéraux à la plante et celle-ci peut lui fournir en retour d’autres molécules organiques indispensables à la croissance du champignon.
Racine nue (A) et mycorhize (B)
1.2. Le système aérien, la feuille
Les feuilles composent l’essentiel du système aérien de la plante. Elles sont le siège des échanges gazeux avec l’environnement et de la photosynthèse.
Coupe transversale feuille
Les feuilles sont les principaux organes chlorophylliens de la plante. La chlorophylle est un pigment très présent dans les thylakoïdes des chloroplastes.
Thylakoïdes présent dans le chloroplaste
C’est dans le choloroplaste que s’effectue la photosynthèse, c’est-à-dire la synthèse de molécules organiques à partir de l’énergie lumineuse. Celle-ci est convertie en énergie chimique sous forme de molécules d’ATP utilisées ensuite pour fixer le CO2 sur d’autres molécules organiques pour former des glucides.
Déroulement de la photosynthèse
Équation générale de la photosynthèse : 6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2
Sur la face inférieure de la feuille, on trouve des structures particulières appelées stomates qui permettent les échanges gazeux entre la plante et l’atmosphère (sortie de l’O2 et de vapeur d’eau, entrée de CO2). Les stomates sont l’association de deux cellules de garde (cellules stomatiques) entourant un orifice (l’ostiole) donnant accès à une chambre sous-stomatique. En fonction de ses besoins, la plante peut ouvrir plus ou moins ses stomates et ainsi contrôler les échanges avec l’extérieur (ouverture en journée pour assurer la photosynthèse, fermeture la nuit ou lors de fortes chaleurs pour éviter une trop grande perdition en eau).
Détail d'un stomate
1.3. Le système conducteur des plantes
Pour assurer une redistribution au sein de la plante des éléments formés par la photosynthèse dans les feuilles ou puisés par les racines dans l’environnement, des vaisseaux parcourent l’ensemble de l’organisme : le xylème et le phloème.
Le xylème et le phloème, coloration au carmin aluné
Les sels minéraux et l’eau prélevés dans le sol par les racines sont chargés dans la sève brute localisée dans le xylème, large vaisseau formé de cellules mortes et rigides. Cette sève brute est ensuite redistribuée jusque dans les feuilles de la plante.
Les produits organiques de la photosynthèse sont quant à eux chargés dans la sève élaborée présente dans le phloème, vaisseau plus fin et composé de cellules vivantes, puis redistribués à l’ensemble de la plante.
Système conducteur chez la plante
2. L'appareil reproducteur de la plante à fleurs
Chez les angiospermes, la fleur est l’organe reproducteur. La fleur est généralement un organe dit en verticille ou verticillé, c’est-à-dire que chaque pièce florale qui compose la fleur est insérée au même niveau, le tout formant des cercles concentriques. Les fleurs sont en général hermaphrodites. La plante modèle utilisée par la suite sera Arabidopsis thaliana.
2.1. Structure de la fleur
De l’extérieur vers l’intérieur de la fleur ou du verticille V1 vers le verticille V4 :
►Les sépales (V1) sont des pièces florales stériles, souvent chlorophylliens. Ils interviennent dans la protection de la fleur en particulier lorsque celle-ci n’a pas éclos. L’ensemble des sépales forment le calice.
►Les pétales (V2), pièces florales stériles également, sont de couleurs et de formes très variées. Leur rôle est d’attirer les insectes pollinisateurs. L’ensemble des pétales forment la corolle. Les sépales et les pétales forment le périanthe.
►Les étamines (V3) sont les pièces florales fertiles mâles. Les étamines contiennent les grains de pollen qui contiennent à leur tour les gamètes mâles. L’ensemble des étamines forment l’androcée.
►Le pistil (V4) est une structure composée du stigmate, du style et de l’ovaire. C’est dans l’ovaire que sont présents les carpelles, pièces fertiles femelles. Les ovules contenant les gamètes femelles sont produits dans les carpelles. L’ensemble des carpelles forment le gynécée.
Diagramme floral
2.2. Génétique de l'édification de la fleur
À l’aide de mutants floraux (mutation affectant la fleur) de la plante modèle Arabidopsis thaliana, on a pu déterminer quels gènes sont impliqués dans la mise en place des différentes pièces florales.
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►Les mutants pour les gènes A ne présentent ni sépales ni pétales. ►Les mutants pour les gènes B ne présentent ni pétales ni étamines. ►Les mutants pour les gènes C ne présentent ni étamines ni carpelles. |
À l’aide de ces observations, on a pu définir les gènes impliqués dans la formation des pièces florales :
Corrélation gène-structure chez la plante
Ainsi, nous avons pu définir le modèle ABC du développement floral dont les particularités sont les suivantes :
►La différenciation des sépales exige uniquement l’expression des gènes de la classe A
►La différenciation des pétales exige l’expression des gènes de la classe A et de la classe B
►La différenciation des étamines exige l’expression des gènes de la classe B et de la classe C
►La différenciation des carpelles exige uniquement l’expression des gènes de la classe C