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CHAP IV. Un regard évolutif sur lHistoire des plantes: organisation et mode de vie chez les plantes fixées Lorganisation fonctionnelle des plantes à fleurs.

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1 CHAP IV. Un regard évolutif sur lHistoire des plantes: organisation et mode de vie chez les plantes fixées Lorganisation fonctionnelle des plantes à fleurs (Angiospermes) est en relation avec leurs exigences de vie fixée (se nourrir, se protéger, se reproduire… sur place) et les conditions des milieux (air et sol). Cest au cours de lévolution que ces plantes ont du acquérir des caractéristiques végétatives et reproductives adaptées à leur environnement. Quelles sont les particularités des appareils végétatifs et reproducteurs en relation avec le mode de vie fixé ?

2 IV.1 Les adaptations des surfaces déchange à la vie fixée Identifier et comprendre les adaptations des surfaces déchange plante-atmosphère (feuille) et plante-sol (racines) à la vie fixée… Selon la loi de Fick, les feuilles sont de bonnes surfaces déchange car leur épaisseur et faible et leur surface exposée est importante. DOC 4 p.99: Pour des fonctions équivalentes (feuille/poumons : interface air-organisme et racines/intestin : rôle nutritif) les surfaces déchange sont plus importantes chez les plantes fixées => les surfaces déchanges sont directement en contact avec la source (feuille = air, racine = sol) et pas de déplacement possible. Animal linterface est interne (poumons, intestin) et déplacement possible.

3 Face inférieure des feuilles : stomates M.O X 400 Hypothèse: les stomates des feuilles (face inférieure) sont Impliqués dans les échanges deau (milieu intérieur- atm) Protocole (avec le matériel): Rechercher la présence, létat et le nombre de stomates au niveau De la face inférieure dune feuille en situation « normale: sans stress hydrique » (plante arrosée) et en situation de « stress hydrique » (sans arrosage).

4 Protocole expérimental : 1. Etaler une goutte de vernis incolore 0.5 cm de diamètre sur la face inférieure de la feuille fournie (éviter les couches trop fines qui ne se décollent pas ainsi que les gouttes épaisses qui sèchent lentement). 2.Faire sécher la feuille quelques minutes, posée sur le verre de montre 3.Quand le vernis est sec, soulever le bord dune couche de vernis à laide de laiguille lancéolée /pince et la décoller délicatement à laide de la pince fine. 4. Déposer sur une lame dans une goutte deau, lempreinte ainsi réalisée, face décollée sur le dessus, bien à plat sans la froisser. 5.Recouvrir dune lamelle et marquer au feutre sur la lame les conditions de votre échantillon 6.Répéter la manipulation avec lépiderme de la feuille qui a été maintenue dans une autre situation (stress hydrique, obscurité…). 7) Observer vos préparations au meilleur grossissement. APPEL prof préféré… pour contrôle. 3) et 4) 2)

5 5) (avec coupes transversales) Organisation profonde des stomates : une chambre sous stomatique dans laquelle les gaz et « eau » peuvent saccumuler : atmosphère interne. Surface déchange = surface des feuilles + surface des chambres sous stomatiques. (Face inférieure de la feuille ) Commentaires: La répartition, le nombre des stomates sur la face inférieure des feuilles et leur fonctionnement (ostiole fermé ou ouvert) sont des adaptations du végétal pour luter contre les pertes deau (liées aux actions desséchantes du soleil et du vent). De plus la présence de chambres sous stomatiques augmente la surface déchange (X 30) feuille-atm déjà importante. +> schéma à compléter Une adaptation à la sécheresse: des Cryptes + poils retenant l« eau »

6 TP: mesures et comparaisons des surfaces déchanges foliaires avec Mesurim/ 10 pts Le protocole (page 395) Attribuer une échelle: >Ouvrir Mesurim >ouvrir le fichier feuille.jpg >Menu Image>Créer/modifier l'échelle> "Echelle à définir » >Suite, puis tirer un trait sur léchelle de limage >Indiquer la valeur (1 et lunité: cm par exemple) -> OK >Mémoriser temporairement Réaliser une mesure de surface: >Choix >outil de Mesure >Surface (laisser « Alignement sur la couleur de la zone cliquée » >cliquer sur une zone de la feuille (objet devient jaune) >Mesurer NB: il est souvent nécessaire de cliquer à plusieurs reprises sur "Agrandir les intervalles" puis sur "Mesurer" avant d'arriver au bon réglage. > Compléter ce tableau avec vos mesures et calculs. Commenter les résultats.

7 Commentaires: Pour une même masse de matière vivante, le végétal a une surface extérieure beaucoup plus importante que lanimal. Cette surface très grande conditionne lintensité des échanges avec le milieu extérieur (dont les éléments disponibles sont souvent dilués) et compense le fait dêtre fixé. L'animal « cache » des surfaces déchanges internes (tube digestif, appareil respiratoire) sommes toutes assez importantes.

8 Commentaires: chaque plante dispose dun système racinaire recouvert de poils absorbants qui par leur nombre et leur finesse augmente la surface déchange plante-sol pour optimiser la nutrition minérale (eau + ions) +> schéma à compléter

9 TP mesure et caractéristiques des surfaces déchanges racinaires avec Mesurim/10pts Activité proposée: A partir de votre préparation microscopique ou du fichier « racine-mesurim » et du logiciel Mesurim: compléter le tableau de données suivant: (fiche technique mesure de surface Mesurim p.395). A partir de ces données, Expliquer comment les plantes peuvent vivre fixées dans un milieu dans lequel les substances nutritives du sol sont très diluées? Tableau destimation de la surface dabsorption dune racine Fichier « racine-mesurim »

10 IV.2 Les caractéristiques des systèmes conducteurs internes permettant les échanges entre les différentes parties du végétal. La plante fixée prélève des éléments nutritifs (eau + ions) au niveau des racines. Ces éléments sont indispensables à la réalisation de la synthèse de matière organique au niveau des feuilles (photosynthèse). Il doit donc exister des voies de distribution de la matière minérale depuis les racines vers les feuilles et de la matière organique produite des feuille au reste du végétal. Activité: A partir des doc. p.100 et 101 et de vos observations microscopiques (préparations à réaliser ou lames montées). Préciser ces voies de distribution et la nature des sèves conduites. Doc 1a p.100 (+ paillasse): une tige placée dans une solution colorée + coupe transversale => La solution colorée (« sève ») emprunte des conduits spécifiques: vaisseaux conducteurs des sèves. Doc 1b p.101: par comparaison des éléments constitutifs des sèves: Sève brute constituée des éléments minéraux: eau, ions minéraux (de la racine vers la feuille). Déplacement plutôt rapide car sève assez « fluide » Sève élaborée constituée des produits de la photosynthèse (matière organique de la feuille à tous les organes de la plante) Déplacement plutôt lent car sève plus « dense »

11 TP: Réalisation dune préparation microscopique et dune observation des vaisseaux conducteurs des sèves brute et élaborée. Contexte: Chez un végétal, les vaisseaux conducteurs permettent les transferts de matières entre les différents organes. On cherche à identifier les vaisseaux conducteurs responsables de la circulation de la sève brute. Documentation: Les sèves sont des liquides circulant dans la plante et assurant les transferts de matière. La sève brute est constituée d'eau et d'ions minéraux. Elle se forme au niveau des racines. La sève élaborée se forme au niveau des feuilles, elle contient les molécules organiques produites par photosynthèse. Les sèves circulent dans des vaisseaux conducteurs: de xylème et phloème. Les deux types de vaisseaux sont souvent associés pour former des faisceaux conducteurs. Le xylème est constitué de tubes (cellules mortes) dont la paroi épaisse est formée de lignine. Le phloème est constitué de tubes dont la paroi est formée de cellulose.

12 Activité proposée: Réaliser les manipulations nécessaires conformément au protocole fourni (TP1 ou TP2) Faire un dessin légendé de la coupe réalisée. Répondre au problème posé en justifiant d'après les résultats obtenus. Rechercher sur les coupes de racine, de tige et de feuille les vaisseaux conducteurs. Appeler pour vérification. Construire un schéma fonctionnel mettant en évidence les transferts de matières entre les différents organes (racines-tige-feuille-feur ou fruit) de la plante. TP2 coupe transversale de feuille ou racine TP1 coupe longitudinale de feuille

13 Commentaires: La sève brute est une solution deau et dions prélevée dans le sol au niveau des poils absorbant, elle est conduite jusquaux feuilles par les vaisseaux du Xylème (tubes spiralés ou annelés (ligneux)) La sève élaborée est une solution organique (produits de la photosynthèse) et minérale qui circule vers tous les organes de la plante par des vaisseaux du phloème (tubes criblés (cellulosiques)) +> Schéma à compléter Cette double circulation permet dassurer le fonctionnement de la plante. +> schéma à compléter TP1 coupe longitudinale de feuille, tige ou racine TP2 coupe transversale de feuille, tige ou racine vaisseaux du Xylème (tubes spiralés ou annelés (ligneux) vaisseaux du phloème (tubes criblés (cellulosiques)

14 Bilan: Les caractéristiques des plantes sont en rapport avec la vie fixée à linterface sol/air dans un milieu variable au cours du temps (variations température, saisons…) Au cours de lévolution, les plantes ont développé des surfaces déchanges de grande dimension avec latmosphère (échanges de gaz, capture de la lumière) et avec le sol (échange deau et dions). Des systèmes conducteurs permettent les circulations de matières dans la plante, notamment entre systèmes aérien et souterrain. Les plantes font également face aux variations du milieu en calquant leur activité biologique sur les saisons. => Voir schéma bilan

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16 Extrait de « l'éloge de la plante » de Francis Halle

17 IV.3 les caractéristiques (adaptatives) des structures impliqués dans la défense ou la protection chez les plantes fixées.

18 ACTIVITES SUR QCM (attention ici plusieurs réponses positives possibles)

19 LAcacia

20 La plante à Nickel

21 Défenses contre les prédateurs Présence de poils glandulaires + « colle sucrée » qui piègent les insectes (mais certains sont adaptés) Adaptations à des sols Pauvres en certains éléments (Insectes = source dazote)

22 Comment se défendent les plantes contre leurs agresseurs ? Attaquées, les cellules végétales sont souvent capables de reconnaître l'agresseur grâce à des récepteurs qui identifient les molécules produites par les parasites. Ensuite, la plante est capable de mettre plusieurs mécanismes de défense. « le sacrifice cellulaire »: Une plante peut, immédiatement après l'attaque, sacrifier radicalement la partie infectée pour empêcher la prolifération de l'agresseur. Certains gènes permettant ces réactions de résistance « les armes »: Généralement, les plantes produisent des molécules de défense pour renforcer la paroi de leur cellule (barrière anti-intrusion), ou encore produire des molécules toxiques… (tanins, alcaloïdes…) « l'alerte » : Les cellules touchées à un endroit sont capables d'envoyer des messages à toutes les cellules de la plante en la rendant plus résistante. Une plante peut aussi « prévenir » les autres végétaux alentour qu'une attaque d'agresseur à eu lieu, grâce à l'émission de molécules volatiles (l'éthylène par exemple)

23 BILAN : En relation avec leu vie fixée, les plantes à fleurs ont développé au cours de lévolution des structures et des mécanismes de défense contre les agressions du milieu. La lutte contre les prédateurs ou pathogènes se fait par des défenses morpho anatomiques ou chimiques. => Compléter votre schéma bilan

24 IV.4 Les caractéristiques adaptatives permettant la reproduction sexuée des plantes fixées Se reproduire (cas de la reproduction sexuée): cest permettre le rapprochement des gamètes et facilité la dissémination les graines. Comment les plantes fixées ont optimisé, par le jeu de lévolution, les conditions dune reproduction sexuée ? A) Organisation fonctionnelle des fleurs TP (voir feuille) : Les fleurs sont lappareil reproducteur chez les végétaux à reproduction sexuée. Dans la très grande diversité de fleurs existe-t-il une organisation commune ? Activité proposée : réaliser une dissection florale selon le protocole proposé, établir un diagramme floral et retrouver lorigine génétique de lorganisation dune fleur.

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26 Coupe transversale au niveau du pistil Vue à la loupe Étamine et pollen

27 Ovule fécondée -> fruit + graine

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29 Autres mutants

30 Commentaires: la construction des pièces florales à partir dun bourgeon floral est sous contrôle des gènes du développement (ABC). En fonction de leur expression: ces gènes commandent la mise en place des différentes pièces florales.

31 B) Pollinisation et dispersion des graines: une histoire de coévolution (évolution conjointe) Einstein : « Si les abeilles disparaissaient du globe, l'homme n'aurait plus que quelques années à vivre » La pollinisation permet la fécondation des organes femelles par le pollen. Il existe quelques cas dautofécondation (ex : pois) mais le plus souvent la fécondation doit être croisée (= entre fleurs différentes). Comment des plantes fixées peuvent-elles avoir une fécondation croisée ? Avec QCM (attention plusieurs réponses possibles)

32 Exemple 1: une vision toute Particulière des fleurs par linsecte

33 Exemple 2: lorchidée et son insecte

34 Exemple 3: la guêpe et la Fleur d Eucomis

35 Exemples 4: les modes de dissémination

36 Commentaires: La première étape de la reproduction sexuée des plantes à fleur est la pollinisation. Dans la plupart des cas la pollinisation est croisée. La plante étant fixée, lévolution a « inventé » des stratégies faisant intervenir des insectes (ou autre) dans lesquelles il existe une collaboration réciproque: produit dune coévolution. Suite à la fécondation, la fleur se transforme en fruit avec des graines. La dissémination des graines est indispensable à la survie de lespèce. Les fruits et les graines sont adaptés à leur mode de dissémination, parfois le produit dune coévolution si cette propagation des graines implique une collaboration avec un animal.

37 La vie fixée des plante: un résultat de lévolution (bilan) La plante fixée a des besoins nutritifs et réalise des échanges de matière avec le milieu (liés à la photosynthèse) Échanges plante-air et plante-sol Adaptations des feuilles (et tiges) +>grande surface exposée, structure cellulaire, stomates, lacunes… Adaptations des racines +> réseau important de racines, poils absorbant… Adaptations système circulation interne (sèves) La plante fixée sest adaptée aux conditions (contraintes) des milieux des systèmes de protection Protection contre les « agressions » physiques du milieu +> adaptations des tissus cellulaires… Protection contre les « agressions » des autres êtres vivants +> adaptations cellulaires, chimiques, dassociation… La plante fixée doit se reproduire en collaboration (coévolution) avec les acteurs du milieu Organisation florale Une organisation des organes reproducteurs spécifique et optimisée pour une fécondation réussie et sous contrôle génétique. Pollinisation dissémination Des adaptations réciproques (plantes-insectes- Milieu= coévolution) optimisant la fécondation croisée, le transport et le développement des graines

38 En savoir plus… Dès que le pollen ou les graines sont disséminés par des animaux, on retrouve le cocktail suivant : 1 - des signaux attracteurs : odeurs (dune fleur ou dun fruit), signaux visuels (couleur des pièces florales ou voisines, marques sur les pétales qui permettent de localiser le nectar…). Ces signaux ne sont attracteurs que parce que les animaux visés associent ce signal à une « récompense », de façon innée (coévolution) ou acquise par apprentissage. Par exemple, votre attrait pour la couleur rouge et les fruits rouges résulte dune longue coévolution entre les animaux (primates surtout) et les plantes portant ses fruits : plus les fruits étaient rouges, mieux ils étaient détectés ; plus les animaux voyaient bien le rouge, mieux ils se nourrissaient. Notez que beaucoup de fleurs renvoient les UV, que voient beaucoup dinsectes qui eux ont coévolués dans ce canal. 2 – une « récompense » consommée par lanimal : souvent du sucre (chair du fruit, nectar), parfois du pollen (pensez aux abeilles : une partie du pollen peut être utilisé, ceci explique que de nombreuses fleurs aient beaucoup détamines). Lanimal sen nourrit plus ou moins exclusivement. 3 – la structure à disséminer : pollen ou graine. La graine est souvent dans une partie du fruit, ou dans une enveloppe dure, elle sera rejetée. Elle est parfois toxique (noyaux des rosacées, graine de lif….) ce qui sélectionne, de façon innée ou acquise, un évitement de la part de lanimal. Remarquez que comme le sucre na pas dodeur (trop soluble pour se volatiliser), le signal est indépendant de la récompense. Ceci induit donc que certaines plantes affichent les signaux sans récompense (fleurs sans nectar, donc moins coûteuses pour la plante, comme chez de nombreuses orchidées) : cette stratégie « tricheuse » a ses limites, car beaucoup dinsectes apprennent à éviter ces fleurs. De même, la récompense est souvent indépendante de la structure à disséminer (sauf quand linsecte mange du pollen : là on est sur quil en emporte, ce qui explique que les pollinisateurs pollinivores existent malgré leur coût !), il peut aussi « tricher » en prélevant le pollen sans la récompense. Les fleurs ont Co-évolué avec les insectes avec des moyens de les contraindre à coopérer : létamine à bascule de la sauge pollinise linsecte qui va chercher du nectar ; les corolles et les calices soudés en tube au fond duquel se trouve le nectar obligent linsecte à passer par-devant, là où se trouvent étamines et pistil : cela évite quil ne se glisse entre les pièces florale (mécanisme plus général, les sépales alternent avec les pétales et font obstacle aux insectes indélicats) ; sur des fleurs comme celles des hibiscus, le seul moyen de se poser est de sagripper à la colonne centrale où se trouvent étamines et pistil. Une coévolution sengage parfois entre le tube de la fleur et les pièces buccales des insectes : plus le premier est profond, plus linsecte insiste, farfouille et donc, prélève ou dépose du pollen ; en écho, cela sélectionne des pièces buccales plus longues et le cycle continue (voir sur internet les prédictions de Darwin sur la pollinisation des orchidées du genre Angraecum).

39 Sujets de type BAC: Le papillon enfonce sa trompe dans léperon nectarifère. Quand il arrive au bout, il est alors posé sur la fleur. La pollinie (amas de pollen, chez les orchidées, se collant sur linsecte visiteur) saccroche alors sur le papillon. Quand ce dernier visite une autre fleur, cette pollinie entre en contact avec son stigmate, doù pollinisation. On remarque que plus léperon est long, plus le pourcentage de pollinies enlevées augmente. En parallèle, le pourcentage de stigmates pollinisés augmente également avec la longueur de léperon. Les chances de réussite de la pollinisation de lOrchidée Comète augmentent avec la longueur de léperon nectarifère

40 Dautres insectes sont capables de polliniser cette Orchidée. Ils ont tous en commun davoir un organe de succion du nectar (trompe ou proboscis). On remarque une corrélation étroite entre la longueur de cet organe de succion et celle de léperon, quelles que soient les régions étudiées. Il y a sélection naturelle des orchidées et des insectes en fonction de la longueur des éperons et de lorgane de succion de façon symétrique : cest de la coévolution avec mutualisme Dune part, la relation exclusive est avantageuse pour lorchidée : un pollinisateur exclusif sintéressant uniquement à elle améliore la performance de pollinisation. Dautre part, dans une relation exclusive entre deux organismes partenaires, un changement chez lun peut grandement affecter lexistence des deux organismes. Un accroissement de léperon correspond pour le papillon à la perte de la source exclusive de nourriture, et pour lorchidée à la perte du pollinisateur. Dès lors il y a une contrainte commune pour le maintien de la relation fonctionnelle entre les deux organismes, et ainsi les deux organismes ont pu évoluer conjointement : on parle de coévolution mutualiste. Les orchidées, un monde fascinant proche de chez nous François Munoz En savoir plus…


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