TP-TD 1 : Les plantes et leur relation avec le milieu

I – Les surfaces d’échanges des plantes

A- Surfaces d’échanges de toute une plante

Document 1 : Structure de la plante à légender (Arabidopsis thaliana)

1) Rappelez et décrivez les différents organes de l’appareil végétatif d’une plante et légendez les sur le schéma ci-dessus.

2) A l’aide du document suivant et de l’utilisation de mesurim (si cela est possible), remplissez le tableau permettant de comparer les surfaces d’échange.


 Document 2 : Extrait du livre : Éloge de la plante de F HALLE

La plante, une vaste surface fixe

Une plante est donc essentiellement un volume modeste, une vaste surface aérienne et souterraine,

portée par une infrastructure linéaire de très grande dimension.

Mesurer la surface d’un végétal n’est pas chose facile. Dans le cas d’un arbre, il faut évaluer le nombre de rameaux, et celui des feuilles, mesurer la surface de la feuille recto-verso, et celle d’un rameau, cumuler ces différentes surfaces partielles avec celles du tronc. On comprend que ce travail n’ait été fait que sur des arbres jeunes et de hauteur modeste. Les données sont rares :

  • ๏ 340 m2 pour un jeune châtaignier de 8 m de haut ;
  • ๏ 400 m2 pour un petit palmier à huile de 3 m ;
  • ๏ 530 m2 pour un épicéa de 12 m.

Il manque une loi allométrique qui permettrait de passer des mesures sur un jeune arbre à une approximation pour les plus grands Quelle peut-être la surface aérienne d’un arbre de 40 m de haut ? Une estimation de 10 000 m2 (1 ha) n’est certainement pas exagérée ; peut-être est-elle largement sous estimée ; il faut reconnaître que nous ignorons presque tout de la surface aérienne des plantes, d’autant que la surface externe ne représente qu’un aspect de la question. Il a été suggéré de considérer aussi la surface interne permettant les échanges gazeux dans les poches sous-stomatiques, qui serait 30 fois supérieure à la précédente : pour un jeune oranger portant 2 000 feuilles, la surface externe est de 200 m2 et la surface interne s’élèverait à 6 000 m2. En ce qui concerne les surfaces racinaires, les investigations sont encore plus difficiles et les données encore plus rares. La surface d’un simple plan de seigle s’élèverait à un total de 639 m2 ; sa surface souterraine serait 30 fois plus grande que la surface aérienne, et ses racines mises bout à bout représenteraient 622 km , avec un accroissement quotidien de 5 km. Pour les poils absorbants, les chiffres deviennent énormes 10 620 km de longueur cumulée avec un accroissement de 90 km par jour. On ignore si les deux facteurs indiqués ici ont une valeur générale. En admettant que ce soit le cas et en estimant à 1ha la surface aérienne externe d’un grand arbre, la  surface interne est de 30 ha, la surface racinaire de 130 ha et le total des surfaces d’échanges avec le milieu se monte à 160 ha !

Lexique : 

  • allométrique : se dit d’un organe qui se développe plus rapidement ou plus lentement que l’ensemble de l’organisme
  • Stomate (sous-stomatique): Dispositif de l’épiderme des végétaux (situé notamment à la face inférieure des feuilles aériennes, à la face supérieure des feuilles flottantes, parfois sur les tiges) qui intervient dans les processus de respiration et de transpiration de la plante.

Une plante a été pesée et scannée 

  • Mesurez la surface des parties chlorophylliennes et/ou des racines de la plante à laide de la fiche méthode et des logiciels MESURIM© et traitement dimage (cf fiche méthode). 

Le tableau1 calcule automatiquement les valeur de surfaces d’absorption.

Reportez vos valeurs dans le tableau ci-dessous. Que pouvez vous conclure ?

B- Echanges avec l’atmosphère

 On cherche à comprendre comment la répartition des stomates de certaines feuilles permet l’approvisionnement en CO2 des cellules chlorophylliennes tout en limitant les pertes d’eau. 

1- observer une coupe de feuille de dycotylédone (feuille de Houx) au microscope optique

2- Réaliser une empreinte de l’épiderme.

Protocole :

• étaler une goutte de vernis incolore sur une surface de 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).

• faire sécher la feuille quelques minutes.

• quand le vernis est sec, soulever le bord d’une couche de vernis à l’aide d’une aiguille et la décoller délicatement à l’aide de la pince fine.

• déposer sur une lame dans une goutte d’eau, l’empreinte ainsi réalisée, face décollée sur le dessus, bien à plat sans la froisser

3- Réalisez une coupe de feuille de lavande (ou à défaut de houx) et réalisez un schéma.

C- Echanges avec le sol

Protocole

1. Prélever un plant de radis et déposer le dans une goutte de bleu de méthylène sur un verre de montre. 

2. Laisser reposer 10 minutes.

3. Déposer le plant de radis sur une lame de verre et recouvrir d’une lamelle au niveau racinaire.

4. Observer au microscope les poils absorbants.

Document : Les poils absorbants correspondent à des cellules très fines (13,5 µm de diamètre) et très allongées (0,7mm de longueur). Par exemple, chez le seigle, on estime qu’il existe 14 milliards de ces poils absorbants par plant.

Poils absorbants selon le web pédagogique :

Déterminez la surface que constitue l’ensemble des poils absorbants chez le seigle.

II – Les systèmes conducteurs des plantes

Les matières minérales (eau et sels minéraux) essentielles au fonctionnement de la plante autotrophe sont  puisées dans  le  sol.  Il  s’agit de  la  sève  brute  qui  doit  être  distribuée à l’ensemble de la plante. L’existence de tissus conduisant cette sève brute est donc nécessaire.

A- Mise en évidence d’un système conducteur de la sève brute

Atelier 1 : Repérage des vaisseaux conducteurs de sève brute dans la tige

Matériel :

Tige céleri branche placées depuis plusieurs jours dans de l’eau colorée au

bleu de méthylène, lames de rasoir, pince fine. Lame,lamelles.

Manipulation :

1. Couper transversalement un fragment de tige de longueur 1 cm. Le placer sur une lame.

2. À l’aide d’un scalpel incisé ce fragment dans sa longueur et l’ouvrir.

3. À l’aide d’une pince fine isoler dans sa longueur une des structures contenant l’eau colorée.

4. Placer cette structure entre lame et lamelle dans une goutte d’eau.

5. Observer au microscope et repérer les vaisseaux.

  1. Réalisez le protocole proposé dans l’atelier 2

Atelier 2 : Observation de coupe longitudinale de feuille et repérage des vaisseaux .

Matériel :

Feuille de poireau

Eau de javel à 2% dans l’eau distillée, Acide acétique à 1% dans l’eau distillée (Eau acétique), Carmin vert d’iode, comme colorant : (ou carmino vert de mirande). glycérine, verres de montre pour la double coloration pinces fines, lames et lamelles

Manipulation :

1. Couper des morceaux de 4 à 5 cm dans une feuille de poireau bien verte.

2. Mettre ces morceaux à bouillir dans de l’eau pendant 10 minutes. La cuisson permet de séparer facilement les tissus de la feuille.

3. À l’aide d’une pince fine dégager, en tirant, les tissus situés dans les nervures. (Photo 1)

4. Placer 2 à 3 échantillons dans de l’eau de javel pendant 20 minutes. (Photo 2)

5. Rincer dans de l’eau pendant quelques secondes

6. Placer l’échantillon dans de l’eau acétique pendant 3 à 4 minutes

7. Placer l’échantillon dans le colorant carmin vert d’iode pendant 3 minutes

8. Bien rincer l’échantillon dans de l’eau

9. Placer l’échantillon bien rincé dans une goutte d’eau ou de glycérine. (Photo3).

Couvrir l’échantillon d’une lamelle

10. Observer au microscope et repérer les vaisseaux.

Complétez le schéma de l’organisation d’une plante en annexe afin de montrer l’organisation du sysme conducteur de ve brute

B- La complémentarité des tissus conducteurs au sein du végétal

Démarche :

Mise en évidence d’un deuxième système de vaisseaux : observer les coupes transversales de racines, tiges, feuilles proposées.

À laide des informations des documents 2 et 3 repérer sur la coupe les principaux tissus. Formulation dhypothèses sur le rôle des nouveaux vaisseaux observés

Document 2 : Les parois cellulosiques de ces tubes criblés sont colorées en rose par le colorant carmin vert d’iode. (d’après www.ac-nancy-metz.fr)

Document 3 : comparaison des schémas de coupes transversales d’une tige de monocotylédone ou de dicotylédone (d’après www.snv.jussieu.fr)

III – Les structures et mécanismes de défense des plantes

A- Des défenses contre des phytophages

  1. Et si les huiles essentielles étaient antifongiques ?

La lavande, est une plante aromatique qui a développée une capacité à se défendre contre des champignons grâce à des composés chimiques tels que l’acétate de linalyle et le linalol.

La lavande est un sous-arbrisseau vivace à petites feuilles linéaires persistantes. Il en existe 28 espèces. En été il donne des fleurs disposées en épis et possédant de petites glandes à huile aromatique. Son odeur caractéristique fait qu’on utilise ses fleurs séchées pour parfumer le linge. L’huile essentielle extraite de ses fleurs est utilisée en parfumerie, mais aussi comme antiseptique, sédatif, antalgique sur les piqûres  d’insectes.

En effet, le linalol est un composé terpénique toxique pour Ia bruche, un petit coléoptère, mais l’est également pour les champignons ou bactéries phytopathogènes, limitant ainsi efficacement leur intrusion.

Le but de l’expérimentation qui suit est de démontrer l’efficacité des substances produites par la lavande contre la prolifération d’unicellulaires fongiques et de montrer où ces substances sont produites

Expérience 1 : L’idée est la suivante : Si on place des disques imbibés de composés terpéniques comme le linalol extrait de la lavande (infusion) en contact avec une culture de levure, on devrait pouvoir mettre en évidence la capacité antiseptique de ces composés. 

Une boite de pétri contenant de la gélose a été préparée en condition stérile.

La gélose a pu être préparée à partir d’agar-agar et d’une solution nutritive pour levure. 

Précautions de manipulation :

– Toutes les manipulations réalisées  se feront dans la zone de stérilité autour du bec bunsen centré sur la paillasse. Veiller à placer tout le matériel nécessaire dans cette zone.

S’attacher les cheveux si nécessaire, se laver les mains avec du savon et nettoyer la paillasse avec de l’eau de javel diluée. .

Protocole

Préalable :

  • Agiter toutes les suspensions avant de les utiliser.
  • Repérer le positionnement des disques dans la boîte.

Manipulation :

A partir de la culture de levure :

– Avec la pipette stérile, déposer 3 ou 4 gouttes de suspension de levures sur la gélose refroidie.

– Avec l’étaleur, la répartir sur toute la surface.

– Avec une pince stérile, imbiber un disque stérile d’eau distillée et le déposer sur la gélose, c’est votre témoin.

Renouveler l’opération avec un disque stérile imbibé d’infusion de lavande.

Les résultats seront visibles lors de la prochaine séance

Expérience 2 : Réaliser une coupe transversale de feuille de lavande, afin de déterminer les structures responsables de la sécrétion des composés terpéniques à la surface de la feuille (glandes sécrétrices). 

2) Protection mécanique : les raphides

Le genre Allium contient de nombreuses espèces, dont certaines sont cultivées, comme par exemple l’ail que nous consommons (Allium sativum), mais aussi la ciboulette, l’échalote, l’oignon ou le poireau. Beaucoup d’espèces ont une odeur piquante mais certaines sont inodores car elles ne produisent pas toutes les mêmes substances et en même quantité. L’odeur est due à l’allicine (composé organo-sulfuré) qui constitue une défense chimique (nombreuses propriétés anti-bactérienne  et anti-fongique).

Certaines espèces possèdent également une protection mécanique contre les herbivores. L’oxalate de calcium  est un composé chimique qui précipite sous forme de cristaux ou aiguilles microscopiques (nommées raphides). Les Raphides perforent les cellules de l’agresseur et génère soit une sensation désagréable voire permet la pénétration de molécules irritantes qui sont sécrétées en parallèle. La plante aura été attaquée une fois mais pas 2.

L’espèce étudiée est non comestible. On cherche à déterminer quelle(s) caractéristique(s) de cet ail sauvage la protège(nt) de la consommation par les herbivores.

1) Réaliser le protocole suivant afin d’observer le contenu du parenchyme des tépales :

– Placer un fragment de tépale sur une lame dans une goutte d’eau.

– Avec une aiguille lancéolée, gratter délicatement la surface afin de ne conserver qu’un fragment de l’épiderme transparent et non le tissu chlorophyllien qui gène l’observation.

– Recouvrir l’échantillon d’une lamelle.

OU 

– Avec une pince récupérer la partie superficielle (transparente) de la face inférieure du tépale.

– La monter entre lame et lamelle avec une goutte d’eau.

– Observer l’échantillon au microscope polarisant en lumière polarisée.

3) Enquête criminelle concernant les koudous 

Montrez que les plantes possèdent des mécanismes de défense contre les prédateurs

« En Afrique du Sud : La résistance aux prédateurs des Acacias (Acacia caffra) »

Les koudous sont de robustes gazelles qui se nourrissent de feuilles de l’Acacia caffra, un arbre des savanes d’Afrique du Sud.

L’Acacia est un arbre avec des ramures couvertes d’épines acérées possédant des racines profondes pour forer le sol jusqu’aux ressources en eau.

Lorsqu’un koudou affamé s’approche d’un acacia A et commence à en brouter les feuilles, tout va bien pour lui au début ; il mange pendant  quelques minutes, puis, bien avant d’être rassasié, il se détourne de l’acacia A, se dirige vers un acacia B appartenant à la même espèce et continue de s’alimenter. Si les koudous ne sont pas plus nombreux que 3 pour 100 hectares, les deux partenaires coexistent.

Dans les années 1980, les fermiers ont découpé dans la savane des ranchs de dimensions variées, clôturés avec du barbelé. Très vite les premiers koudous décédés ont été signalés, leur état semblait inexplicable ;  pas  de  plaies,  aucune  trace  de  parasites,  ils  étaient  excessivement  maigres  et visiblement morts de faim. Le nombre de koudous décédés était proportionnel à leur densité.

Pour comprendre ces morts mystérieuses, les fermiers font appel au professeur Van Hoven, de l’université de Pretoria. L’autopsie révélait que les koudous avaient la panse pleine de feuilles d’acacia. Le taux de tanins de ces feuilles était 3 à 4 fois supérieur que celui des feuilles d’acacias non soumis à la prédation. Dans des conditions de vie sauvage, les acacias produisent des tanins (molécules au goût amer) qui entravent la digestion des herbivores, mais cependant à des doses qui dissuadent seulement les prédateurs sans entraîner leur mort.

Expérience 1 : Van Hoven et ses étudiants reproduisent la prédation des koudous sur des acacias sur une durée de 2 à 3 heures ils prélèvent des feuilles toutes les ½ heures et analysent le taux de tanins.

Expérience 2 : D’autre part en prélevant des feuilles sur des arbres voisins non endommagés, les feuilles contiennent plus de tanins au bout de 2 ou 3h.

B- Des défenses contre des variations extrêmes de l’environnement

À partir des documents suivants, vous gagerez les mécanismes et réponses des plantes au froid.

Document 1 : Effet du froid sur la forme d’Arabidopsis

Document 2 : Effet du froid sur les cellules

Le mécanisme de tolérance le plus classique repose sur l’évitement de la congélation au niveau intracellulaire. Le refroidissement progressif des tissus ne provoque pas immédiatement à la congélation du contenu cellulaire […], mais provoque dans un premier temps une congélation de l’apoplaste, pauvre en solutés et dont le point de congélation est souvent élevé (entre –10 et 0°C). Cette congélation a pour conséquence une élévation transitoire de température […] et une fuite d’eau cytoplasmique qui concentre les solutés cellulaires et abaisse encore le point de congélation intracellulaire. Si la descente en température se poursuit en dessous de ce point de congélation, la formation de cristaux à l’intérieur des cellules provoquent des dommages irréparables. Certaines plantes (dont l’espèce modèle Arabidopsis) soumises à une période préalable de froid non gélif peuvent mettre en place des processus d’acclimatation et supporter ensuite d’abaisser leur point de congélation de plusieurs degrés. Les voies signalétiques impliquées dans l’acclimatation au froid sont partiellement recouvrantes avec celles associées aux réponses aux stress hydriques : accumulation de solutés compatibles, implication de l’acide abscissique et implication des mêmes facteurs de transcriptions.

« Dans les bourgeons de certains arbres, l’évitement de la congélation peut fonctionner jusqu’à des températures de l’ordre de –40°C, on parle alors de […] surfusion accentuée. La limite de –50°C correspond au point de congélation spontanée de l’eau en l’absence de point de nucléation. Enfin, certains arbres comme le bouleau, le saule et le peuplier tremble, peuvent suite à des processus d’acclimatation, supporter des températures bien inférieures à –50°C ce qui suggère que des mécanismes de tolérance différents de la surfusion accentuée sont en œuvre mais ceux-ci sont encore mal connus ».

Document 3 : Des réponses métaboliques au stress froid

Froid et stress hydrique ont un lien : quand la température chute, les molécules d’eau se déplacent des cellules vers l’espace intercellulaire par osmose, ce qui induit un stress hydrique de la cellule. La déshydratation induite par le gel déstabilise les membranes plasmiques ce qui entraîne la formation de plaques hexagonales inversées au niveau des structures membranaires (ces plaques hexagonales correspondent à une organisation particulière de phospholipides membranaires. Voir ci-dessous). Un gel rapide peut entraîner des dégâts majeurs dus à la formation de glace. Pour affronter les températures inférieures à 0°C, les plantes modifient leurs compositions enzymatiques et membranaires, modifiant en conséquence leur métabolisme pour synthétiser des cryoprotectants comme les polyols et les sucres afin d’abaisser le point de congélation de leurs tissus et lutter contre la dessiccation. Ces osmolytes, outre leur rôle de remplacement de molécules d’eau, protègent également les membranes en maintenant leur fluidité.

Selon Gerhardt et Heldt (1984), il existe des changements considérables dans la localisation des sucres entre le jour (vacuole) et la nuit (cytoplasme) chez l’Épinard. Des changements similaires pourraient être observés entre des cellules de plantes acclimatées ou non au froid.

Retour haut de page