Pourquoi étudier les plantes?

Présentation au sujet: "Pourquoi étudier les plantes?"— Transcription de la présentation:

1 Pourquoi étudier les plantes?

2 Les plantes, comme les animaux, sont des eucaryotes pluricellulaires
Bactéries Archaebactéries Animaux Plantes Champignons Ancétres communs Les plantes, animaux et champignons ont beaucoup de mécanismes cellulaires en commun. En étudiant les plantes on apprend sur les animaux et vice et versa car ils ont des ancêtres eucaryotes communs. Images – bactérie - Pseudomonas aeruginosa Archaea - Halobacterium sp. Fungi - Coprinus comatus Animal - Sciurus carolinensis Plante - Lathyrus odoratus Photo credits: Public Health Image Library; NASA; © Dave Powell, USDA Forest Service; tom donald

3 Les plantes sont diverses
Algues vertes Bryophytes Mousses Plantes vasculaires Lycophytes Fougères Plantes à graines Plantes à fleurs Conifères Monocotylédones Dicotylédones Plantes terrestres Les plantes ont acquis la capacité de pousser dans des milieux très divers Images courtesy tom donald

4 Les plantes nous rendent heureux
Les personnes bénéficiant d’un environnement professionnel fleuri témoignent d’une plus grande satisfaction au travail que celles qui n’en bénéficient pas. Dravigne, A., Waliczek, T.M., Lineberger, R.D., Zajicek, J.M. (2008) The effect of live plants and window views of green spaces on employee perceptions of job satisfaction. HortScience 43: 183–187. Photo credit: tom donald

5 Les plantes sont des organismes vivants fascinants
L’organisme vivant le plus grand (> 100m) La plus grande fleur (~ 1m) L’arbre le plus grand, General Sherman, est plus grand que l’animal le plus grand, la baleine bleue. Pour plus d’information botanique voir le site: Rafflesia arnoldii Photo by ma_suska Pinus longaeva – bristle cone pine Sequoiadendron giganteum - giant sequoia La plus grande longévité (~ 5000 ans) Photo credits: ma_suska; Bradluke22; Stan Shebs

6 Nous ne pourrions pas vivre sans les plantes
Les plantes produisent la majeure partie de l’oxygène que nous respirons. Les plantes produisent la majeure partie de l’énergie chimique que nous consommons comme aliments ou que nous brûlons comme carburant. Les plantes produisent une panoplie de molécules utiles à l’homme.

7 Nous ne pouvons pas vivre sans oxygène!
Joseph Priestley a constaté qu’un animal ‘nuit’ à la qualité de l’air par sa respiration. Un animal maintenu dans une enceinte fermée hermétiquement ne survivra pas. X Dans une expérience célèbre en 1772, Joseph Priestley a maintenu une souris dans un bocal hermétiquement fermé et a constaté la mort de l’animal. Il a découvert également que mettre une plante avec l’animal le maintenait vivant.

8 Nous ne pouvons pas vivre sans oxygène!
produit Priestley a aussi constaté que les plantes ont la capacité de restaurer la qualité de l’air. Nous savons maintenant que cela est lié à leur capacité de produire de l’oxygène comme sous-produit de la photosynthèse. Dans une expérience célèbre en 1772, Joseph Priestley a maintenu une souris dans un bocal hermétiquement fermé et a constaté la mort de l’animal. Il a découvert également que mettre une plante avec l’animal le maintenait vivant.

9 Les plantes assimilent le gaz carbonique pour synthétiser des molécules riches en énergie que les animaux utilisent comme nutriments CO2 Les plantes convertissent le CO2 atmosphérique en sucres grâce à la photosynthèse.

10 Les plantes synthétisent des molécules très diverses
vitamine A vitamine C vanilline caféine morphine CO2

11 Pourquoi étudier les plantes?
Pour sauvegarder les espèces végétales menacées et préserver la variabilité biologique. Pour mieux connaître le milieu naturel. Pour mieux utiliser la capacité des plantes à nous fournir aliments, médicaments et énergie. Photo credit: tom donald

12 Nous apprenons sur notre univers à travers l’étude des plantes
Les cellules ont été observées pour le première fois chez des plantes. biology.clc.uc.edu/Fankhauser/Labs/Cell_Biology/Cells_Lab/CELLS.htm Photographie de cellules de liège Dessin de liège par Robert Hooke, le découvreur de la ‘cellule’ Photo credit: ©David B. Fankhauser, Ph.D

13 Les virus ont été purifiés la première fois à partir de plantes
Les virus infectent aussi bien les humains que les plantes et provoquent de graves maladies comme le SIDA, l’hépatite, la grippe, la méningite, la varicelle et la polio. Virus de la mosaïque du tabac (Copyright) 1994 Rothamsted Research. Image Copyright 1994 Rothamsted Research.

14 Les études de Mendel sur le pois ont révélé les lois de l’hérédité

15 Les études de Mendel sur le pois ont révélé les lois de l’hérédité
...qui nous aident à comprendre les maladies héréditaires chez l’homme comme l’anémie due aux globules rouges falciformes ...

16 Les études de Mendel sur le pois ont révélé les lois de l’hérédité
...ou l’hémophilie sans compter les nombreuses maladies génétiquement transmissibles. Pedigree de la famille portant l’allèle de l’hémophilie

17 Les études de Mendel sur le pois ont révélé les lois de l’hérédité
Les travaux de Mendel ont jeté les bases de la génétique et de la sélection et amélioration des plantes. L’excellent généticien et sélectionneur Norman Borlaug , Lauréat du prix Nobel en 1970

18 Pourquoi etudier les plantes?

19 La population mondiale augmente continuellement ...
On attend un triplement de la population mondiale entre 1950 (2.5 milliards) et 2020 (7.5 milliards)

20 La population mondiale augmente continuellement ...
Un des objectifs majeurs des sciences végétales est l’augmentation de la production de nourriture; on estime qu’une augmentation de 70% de notre production est nécessaire dans les 40 années à venir

21 La malnutrition et la faim tuent surtout des enfants
En 2004, 60 millions de personnes sont mortes dans le monde. (Source:  World Health Organization, 2008)

22 La malnutrition et la faim tuent surtout des enfants
10 millions parmi elles étaient des enfants de moins de 5 ans, dont 99% vivaient dans des pays pauvres. (Source: The State of the World's Children, UNICEF, 2007)

23 La malnutrition et la faim tuent surtout des enfants
5 millions d’enfants de moins de 5 ans meurent chaque année de malnutrition et maladies associées. Ceci correspond à un enfant en âge pré-scolaire qui meurt d’une mort en principe évitable toutes les six secondes.

24 La malnutrition et la faim tuent surtout des enfants
La carence en vitamine A tue un million d’enfants chaque année. (Source: Vitamin and Mineral Deficiency, A Global Progress Report, UNICEF)

25 Comment le monde réagirait à une maladie qui tuerait la population des USA, du Canada, et de l’union européenne?

26 Dans le monde, globalement, un milliard de personnes souffrent de famine chronique
C’est plus que les populations des USA, du Canada et de l’UE réunis. (Source: FAO news release, 19 June 2009)

27 Plus de deux milliards de personnes dans le monde souffrent d’anémie chronique due à la carence en fer C’est presque la population totale des USA, du Canada, de l’UE, et de la Chine réunis. (Source:  World Health Organization, WHO Global Database on Anaemia)

28 QUE PEUVENT FAIRE LES SCIENTIFIQUES FACE À CELA?

29 Les scientifiques végétalistes peuvent aider à lutter contre la faim dans le monde
En développant des plantes Résistantes à la sécheresse et autres stress Nécessitant peu d’engrais et peu d’eau Résistantes aux pathogènes De meilleure qualité nutritive

30 Le développement des plantes est souvent limité par la sécheresse
Régions du monde où l’eau est rare pour raisons physique ou économique Image source: IWMI

31 La sécheresse est une des conséquences du changement climatique
Dans les régions les plus chaudes le rendement peut baisser de ~3 – 5% pour chaque 1°C d’augmentation de la température. Un modèle d’augmentation moyenne de la température dans les régions cultivées aux environs de 2050. Gornall, J., Betts, R., Burke, E., Clark, R., Camp, J., Willett, K., and Wiltshire, A. Implications of climate change for agricultural productivity in the early twenty-first century. Phil. Trans. Royal Soc. B: 365: m

32 Même une sécheresse modérée réduit le rendement
Une sécheresse modérée réduit l’activité photosynthétique et la croissance alors qu’une sécheresse sévère est létale.

33 Chaleur et sécheresse réduisent le rendement
Nous avons besoin de plantes qui poussent bien même en condition de stress Chaleur et sécheresse réduisent le rendement

34 Chaleur et sécheresse réduisent le rendement
Nous avons besoin de plantes qui poussent bien même en condition de stress Chaleur et sécheresse réduisent le rendement Il est nécessaire de valoriser de plus en plus de terres pour les rendre propres à l’agriculture

35 Chaleur et sécheresse réduisent le rendement
Nous avons besoin de plantes qui poussent bien même en condition de stress Chaleur et sécheresse réduisent le rendement La déforestation pour gagner des surfaces cultivables entraine une augmentation des émission de CO2 dans l’atmosphère Il est nécessaire de valoriser de plus en plus de terres pour les rendre propres à l’agriculture

36 La manipulation de l’expression d’un seul gène peut conférer une résistance à la sécheresse
Après ré-arrosage Plantes Arrosées 10 jours de sécheresse 20 jours de sécheresse Plantes resistantes à la sécheresse Sauvages Yu, H., Chen, X., Hong, Y.-Y., Wang, Y., Xu, P., Ke, S.-D., Liu, H.-Y., Zhu, J.-K., Oliver, D.J., Xiang, C.-B. (2008) Activated expression of an Arabidopsis HD-START protein confers drought tolerance with improved root system and reduced stomatal density. Plant Cell 20:

37 Une importante croissance du système racinaire contribue à la tolérance à la sécheresse
Plantules Plantes adultes Sauvage Tolérant Sécheresse Tolérant Sécheresse Sauvage La sélection de plantes avec un système racinaire à fort développement permet de les cultiver dans des régions susceptibles de subir la sécheresse. Yu, H., Chen, X., Hong, Y.-Y., Wang, Y., Xu, P., Ke, S.-D., Liu, H.-Y., Zhu, J.-K., Oliver, D.J., Xiang, C.-B. (2008) Activated expression of an Arabidopsis HD-START protein confers drought tolerance with improved root system and reduced stomatal density. Plant Cell 20:

38 La production d’engrais est consommatrice d’énergie
La culture de plantes d’intérêt agronomique nécessite des engrais – potassium, phosphate, azote, et autres éléments Les mines de potassium et de phosphate ne sont pas inépuisables La synthèse des engrais azotés est fortement consommatrice d’énergie Photo credits: Mining Top News; Library of Congress, Prints & Photographs Division, FSA-OWI Collection, LC-USW

39 L’utilisation des engrais dans l’agriculture est une source de pollution
Le lessivage des engrais provoque des marées vertes – les algues en consommant l’oxygène de l’eau perturbent la vie de la faune Photo courtesy of NASA/Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio

40 L’absorption des éléments minéraux par les plantes peut être améliorée
Des systèmes racinaires de transport d’ions plus efficaces peuvent aider à réduire l’utilisation d’engrais Yuan, L., Loque, D., Kojima, S., Rauch, S., Ishiyama, K., Inoue, E., Takahashi, H., and von Wiren, N. (2007). The organization of high-affinity ammonium uptake in Arabidopsis roots depends on the spatial arrangement and biochemical properties of AMT1-type transporters. Plant Cell 19:

41 Les plantes pérennes absorbent l’eau et les éléments minéraux de manière plus efficaces que les plantes cultivées Des croisements entre plantes d’intérêt agronomiques et plantes pérennes sont tentés pour réduire le besoin en eau et en engrais dans l’agriculture. Le système racinaire énorme de cette graminée proche du blé Thinopyrum intermedium, est tenu par l’obtenteur Wes Jackson. Wes Jackson du ‘Land Institute’ tient une graminée pérenne proche du blé, Thinopyrum intermedium Photo credit: Jodi Torpey, westerngardeners.com

42 A présent deux maladies menacent sérieusement les récoltes
Phytophthora infestans, qui provoque le mildiou, est redevenu une sérieuse menace. Puccinia graminis tritici, un champignon qui provoque la rouille de la tige du blé a muté dans une forme plus agressive. Photo credits:

43 Le mildiou détruit les plants de Pomme de Terre
Le mildiou de la pomme de terre est provoqué par Phytophthora infestans. Une très forte infestation dans les années 1840 a détruit les cultures et provoqué plus d’un million de morts en Europe. Infecté Traité Photo credits: USDA; Scott Bauer

44 Recherche de gènes de résistance
Non inoculé Inoculé par le champignon Résistant Sensible Les généticiens ont identifié un gène de résistance et l’ont introduit dans les variétés comestibles. Le plant de pomme de terre à gauche exprime le gène de résistance. Il ne présente pas de symptômes de la maladie. Song, J., Bradeen, J.M., Naess, S.K., Raasch, J.A., Wielgus, S.M., Haberlach, G.T., Liu, J., Kuang, H., Austin-Phillips, S., Buell, C.R., Helgeson, J.P., Jiang, J. (2003) Gene RB cloned from Solanum bulbocastanum confers broad spectrum resistance to potato late blight. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100:9128–9133.

45 La rouille de la tige du blé est une menace émergente
Une souche hautement pathogène est apparue en Ouganda en 1999 – elle est appelée Ug99. La majorité des variétés de blé n’ont pas de résistance à cette souche. Blé infecté Photo credit: ARS USDA

46 Ug99 menace le blé partout dans le monde
Ceci est un problème global qui nécessite une réponse globale. Les spores de Ug99 ne s’arrêtent pas à la frontière des états ... – La FAO: United Nations Food and Agriculture Organization Photo credit: ARS USDA

47 Le champignon est transporté par le vent
Ug99 est rencontré en Ouganda, Kenya, Ethiopie, Soudan, Yémen et Iran. Il menace des régions du proche Orient, l’Est de l’Afrique, l’Asie centrale et l’Asie du Sud. Les vents transportant les spores sont montrés en rouge. Photo credit:

48 Le champignon est transporté par le vent
Le blé est la principale denrée alimentaire dans ces régions menacées, spécialement pour les populations les plus pauvres. Les trajectoires probables de Ug99 Photo credit:

49 Des équipes internationales de scientifiques coopèrent pour étudier la propagation de Ug99 et pour développer des variétés de blé résistantes. A ce jour nous ne savons pas si des blés résistants seront obtenus à temps pour éviter d’importantes famines ... Photo credits: Bluemoose; FAO

50 Les biologistes végétalistes étudient comment garder leur fraîcheur aux plantes après la récolte
Après la récolte les fruits mûrissent, ramollissent et éventuellement pourrissent. Ce processus rend les fruits moins appétissants et affecte leur qualité nutritive. Photo credits: Cornell University ; ARC

51 Les biologistes végétalistes étudient comment garder leur fraîcheur aux plantes après la récolte
Les pertes post-récolte peuvent endommager plus de 50% de la récolte de grains. Le verdissement et l’accumulation de Solanine se produisent dans les tubercules de pomme de terre mal conservés. La Solanine peut être toxique en grande quantité. Moisissure d’Aspergillus sur grain de Maïs. Photo credits: Dr. C.M. Christensen, Univ. of Minnesota.; WSU; Pavalista, A.D. 2001

52 L’amélioration de la qualité nutritive des productions végétales peut aider à lutter contre la malnutrition Souvent la qualité nutritive des aliments est pauvre. Nous avons besoins de vitamines et éléments minéraux aussi bien que de calories. La malnutrition est d’abord une maladie de pauvres. Famine Carence en Vitamine A Anémie (jeunes enfants) For permissions Image sources: Petaholmes based on WHO data; WHO

53 L’enrichissement des aliments avec des vitamines (comme le folate et la vitamine A) et oligo-éléments (comme le fer, le zinc et l’iode) a sensiblement réduit la malnutrition dans le monde. Photo credit: © UNICEF/NYHQ /Giacomo Pirozzi

54 La manioc est un aliment de base en Afrique mais de qualité nutritive pauvre
Variété standard Les scientifiques ont découvert récemment une variété bien plus riche en vitamine A que la variété standard. Nouvelle variété découverte, jaune Welsch, R., Arango, J., Bar, C., Salazar, B., Al-Babili, S., Beltran, J., Chavarriaga, P., Ceballos, H., Tohme, J., and Beyer, P. Provitamin A accumulation in cassava (Manihot esculenta) roots driven by a single nucleotide polymorphism in a phytoene synthase gene. Plant Cell: tpc

55 Des plantes de qualité nutritive plus riche grâce à la génétique
Riz enrichi en Fer Tomate, sauvage (haut) et enrichie en antioxydants Riz enrichi en Vitamine A Photo credits: Golden Rice Humanitarian Board © 2007; Credit: ETH Zurich / Christof Sautter; Reprinted by permission from Macmillan Publishers, Ltd: Butelli, E., et al., Nature Biotechnology 26, copyright (2008).

56 Les plantes nous fournissent plus que de la nourriture
Sont des sources de nouveaux médicaments Nous fournissent des fibres de meilleure qualité pour la production de papier et tissus Sont des sources de produits biodégradables Sont des sources d’énergie durable Photo credit: tom donald

57 Les plantes produisent des centaines de composés que nous utilisons comme médicaments
Saule (Salix) son écorce est source d’aspirine (acide acetylsalicylique) Digitale (Digitalis purpurea) source de digitaline (traitement des problèmes cardiaques) L’If de l’ouest (Taxus brevifolia) source de taxol (traitement anti cancer) Café (Coffea arabica) et thé (Camellia sinensis) sources de caféine (stimulant)

58 Le malaria tue des millions de personnes
Les régions du monde à haut risque de malaria. Citation: Hay SI, Guerra CA, Gething PW, Patil AP, Tatem AJ, et al. (2009) A world malaria map: Plasmodium falciparum endemicity in PLoS Med 6(3): e doi: / journal.pmed Hay, S.I., et al., (2009) PLoS Med 6(3): e doi: / journal.pmed

59 Le protozoaire Plasmodium transmet la malaria
Plasmodium à l’intérieur d’une cellule de souris Image by Ute Frevert; false color by Margaret Shear. Frevert U, Engelmann S, Zougbédé S, Stange J, Ng B, et al. (2005) Intravital Observation of Plasmodium berghei Sporozoite Infection of the Liver. PLoS Biol 3(6): e192. Image by Ute Frevert; false color by Margaret Shear.

60 Le Plasmodium est transmis aux humains par un moustique infecté
Photo credit: CDC

61 L’écorce de l’arbre quinquina contient de la quinine, qui tue le Plasmodium
Mais le Plasmodium est en train de développer une résistance à la quinine. D’autres sources de composés anti-malaria devront alors être découvertes. Plasmodium est en train de développer une résistance à la quinine. D’autres sources de composés anti-malaria devront alors être découvertes. (Cinchona calisaya Wedd., quinine) from Köhler's Medizinal-Pflanzen in naturgetreuen Abbildungen mit kurz erläuterndem Texte : Atlas zur Pharmacopoea germanica Franz Eugen Köhler Plate from "Quinologie", Paris, 1854, showing bark of Quinquina calisaya ( Image credits: Köhler; CDC

62 Le Gin et la quinine? Des soldats britanniques ont reçu de la quinine pour les prémunir de la malaria. Pour édulcorer son goût amer la quinine a été mélangée avec de l’eau gazeuse (“tonic”) et souvent avec du gin – c’est l’origine du “gin - tonic.” (Crown copyright; Photograph courtesy of the Imperial War Museum, London - Q 32160)

63 Artemisia annua est une nouvelle plante ayant une activité anti-malaria
Artemisinine L’Armoise annuelle est utilisée par des herboristes chinois depuis des milliers d’années. En 1972 le principe actif, l’artemisinine, a été purifié. Photo credit:

64 Les scientifiques végétalistes sont en train de développer une Armoise annuelle nouvelle à forte productivité Photo credit:

65 Les plantes peuvent servir à la production de vaccins et d’anticorps sûrs et peu coûteux
OU ?

66 Les parois des cellules végétales fournissent des matériaux durables
Le bois est essentiellement composé de parois de cellules végétales. Photo credit: tom donald

67 Les parois Les parois primaires des cellules végétales sont essentiellement composées de sucres et de protéines. Certaines cellules forment une paroi secondaire qui contient de la lignine, un composé insoluble. Photo credit: Zhong, R., et al., (2008) Plant Cell 20:

68 Le bois et les fibres sont partout
Les fibres végétales sont utilisées pour la fabrication de papier et avant cela la fabrication de papyrus Les habits sont fabriqués à partir de fibres végétales (coton, lin) Le bois est utilisé pour la construction de logements et la fabrication de meubles. Les toiles de peinture sont fabriquées à partir de fibres de lin ou de chanvre Rembrandt van Rijn (1631)

69 Les plantes fournissent les fibres pour la fabrication de tissu ou de papier
L’amélioration génétique du coton est poursuivie dans le but d’améliorer la qualité des fibres et la résistance aux organismes agresseurs Photo credits: Chen Lab; IFPC

70 Le séquençage du génome du peuplier, source de fibres à papier, a été achevé récemment
Ces informations sont utilisées pour améliorer la production de papier Photo credit: ChmlTech.com

71 Les plantes peuvent remplacer le pétrole pour de nombreux usages
Malheureusement, il a fallu des millions et des millions d’années pour transformer la matière organique morte en pétrole .... Et nous sommes en train d’épuiser le stock. Le pétrole n’est PAS une ressource durable NOTE – petroleum is mainly derived from plant products, not dinosaurs..... Le pétrole provient de plantes, et non pas de dinosaures … creativecartoons.org.

72 Les plantes peuvent remplacer le pétrole pour de nombreux usages
Le pétrole n’est PAS une ressource durable Malheureusement, il a fallu des millions et des millions d’années pour transformer la matière organique morte en pétrole .... Et nous sommes en train d’épuiser le stock. Quand je serai grand je voudrais être un carburant fossile Please note – most oil reserves are derived from plants, not dinosaurs! Notez que les réserves de pétrole proviennent de plantes, pas de dinosaures ! creativecartoons.org.

73 Les plantes peuvent être source de biocarburants
Sucres, amidon et cellulose peuvent produire de l’éthanol par fermentation. Energie du soleil Image source: Genome Management Information System, Oak Ridge National Laboratory

74 Les plantes peuvent être source de biocarburants
Les biocarburants produits à partir du colza, de micro-algues et du soja sont en train de remplacer les carburants issus du pétrole. Image sources: Tilo Hauke, University of Minnesota, Iowa State University Extension.

75 La production de plantes destinées à devenir des biocarburants ne doit affecter ni la production ni le coût des plantes à intérêt agronomique Miscanthus giganteus est une plante pérenne adaptée à la production de biocarburants grâce à sa croissance rapide et son importante biomasse. Elle est cultivée sur des terres impropres à la culture de plantes d’intérêt agronomique. Photo Illustration courtesy S. Long Lab, University of Illinois, 2006

76 Parois à partir de tiges de maïs ou d’autres végétaux
L’éthanol issu de la cellulose des parois végétales est une importante source d’énergie Parois à partir de tiges de maïs ou d’autres végétaux Ethanol Image source: Genome Management Information System, Oak Ridge National Laboratory

77 Les plantes peuvent être source de matériaux recyclables et biodégradables
Energie du soleil Production de plastique à partir de matière végétale Photo Illustration courtesy S. Long Lab, University of Illinois, 2006

78 Les plantes peuvent être source de matériaux recyclables et biodégradables
Energie du soleil Les scientifiques étudient comment transformer la matière végétale en plastique par des procédés à coût raisonnable. Biodégradation Photo Illustration courtesy S. Long Lab, University of Illinois, 2006

79 Pourquoi étudier les plantes?
Etudier les plantes accroît notre connaissance du vivant en général et nous aide en particulier à les utiliser pour mieux nous nourrir, nous habiller, construire nos logements, nous maintenir en bonne santé, et pour être heureux !

80 Pourquoi étudier les plantes? Pourquoi étudier les plantes?
“Why Study Plants?” Created by the American Society for Plant Biology and published in the series “Teaching Tools in Plant Biology” on the website of The Plant Cell ( Pourquoi étudier les plantes? Translated by Anis Limami, Professor of Plant Physiology, University of Angers, France, and Sylvain Chaillou, Professor of Plant Physiology, AgroParisTech, France