Photosynthèse et Croissance Végétale : Échanges, Tissus et Régulation

I. Prélèvement et distribution de matière

TP1 : Les surfaces d’échanges

Les feuilles permettent aux plantes de réaliser la photosynthèse. Pour cela, elles doivent capter l'énergie lumineuse et prélever du CO2 dans l'air. Les échanges gazeux sont optimisés grâce à la présence des stomates qui s'ouvrent sur des chambres sous-stomatiques. La forme aplatie des feuilles, cumulée à leur grand nombre, offre également une grande surface pour capter l'énergie solaire.

Les poils absorbants présents à la surface des jeunes racines assurent une grande surface d'échange des racines avec le sol, permettant le prélèvement d'eau et de sels minéraux. De plus, environ 90% des plantes nouent des relations symbiotiques avec des champignons du sol, formant des organes associant racine et mycélium : les mycorhizes. Les filaments du champignon augmentent considérablement la surface d'échange.

Selon leur milieu de vie, les plantes présentent des adaptations, notamment morphologiques, leur permettant de vivre fixées dans des conditions variées. Elles peuvent également s'acclimater à des variations de l'environnement, en adaptant par exemple leurs systèmes racinaires à des sols plus ou moins riches en nutriments.

TP2 : Les tissus conducteurs

Des tissus conducteurs assurent la distribution des substances entre les différents organes de la plante. L'eau et les sels minéraux absorbés dans le sol circulent dans des tissus conducteurs spécialisés, le xylème, sous forme de sève brute, très riche en eau et pauvre en matière organique.

La sève élaborée permet la distribution à tous les organes de la plante de la matière organique (principalement les glucides) fabriquée lors de la photosynthèse. Elle circule dans un tissu conducteur spécialisé : le phloème.

II. Croissance et différenciation chez les plantes

TP3 : Méristèmes et élongation

A. Le développement et la différenciation chez les plantes

Le développement d'une plante associe multiplication cellulaire, croissance et différenciation (formation de nouveaux types cellulaires et organogénèse). La multiplication cellulaire est localisée au niveau de structures spécialisées : les méristèmes. On distingue notamment deux méristèmes apicaux : à l'extrémité des racines et à l'extrémité des tiges.

Le méristème apical de la tige met en place des structures répétitives, les phytomères, constitués chacun d'un fragment de tige, d'une ou plusieurs feuilles et d'un bourgeon axillaire. L'élongation, responsable de la croissance, est localisée dans des zones spécifiques où la longueur des cellules augmente sans multiplication cellulaire.

B. Le contrôle du développement d’une plante

Comme beaucoup de plantes, les coléoptiles de céréales ont une croissance orientée vers la lumière : on parle de phototropisme. De nombreuses expériences ont permis de montrer le rôle de l'auxine, une hormone végétale, dans ce phénomène. L'apex diffuse des concentrations différentes de cette hormone hydrophile selon que le côté du coléoptile soit éclairé ou non, ce qui produit une élongation différente des cellules de ses deux côtés et provoque la courbure.

I. La phase claire de la photosynthèse

L'activité photosynthétique est liée à l'absorption de certaines longueurs d'ondes de la lumière visible par des pigments chlorophylliens (en particulier des chlorophylles) localisés dans les membranes des thylakoïdes des chloroplastes des cellules des feuilles.

Sous l'effet de l'énergie lumineuse captée par les pigments, les plantes chlorophylliennes réalisent à la lumière la photolyse de l'eau : 2H2O  O2 + 4H+ + 4e-. Il s'agit d'une réaction d'oxydation car l'eau y perd des électrons. Ces derniers sont captés par des molécules appelées co-enzymes, qui passent de l'état oxydé à l'état réduit. Au cours de ce processus, de l'ATP est produit.

II. Du CO2 à la matière organique

L'ATP produit pendant la phase claire fournit l'énergie chimique nécessaire à la synthèse des molécules organiques à partir du dioxyde de carbone (CO2) atmosphérique. Les co-enzymes réduits cèdent leurs électrons pour permettre la réduction du CO2 lors du cycle de réactions mis en évidence par Calvin et Benson.

Le CO2 est ainsi intégré à des trioses phosphates qui forment à leur tour différents glucides (glucose, saccharose, amidon) et les autres molécules organiques (lipides, acides aminés, etc.).

III. Produits de la photosynthèse, croissance de la plante et constitution de réserves

Les produits de la photosynthèse sont utilisés par toutes les cellules de la plante, notamment pour constituer leur paroi : c'est le cas de la cellulose. Cette paroi peut être imprégnée secondairement de lignine (surtout chez les arbres), provoquant une rigidification qui permet un port dressé et une croissance en hauteur importante.

Certains produits de la photosynthèse sont des substrats énergétiques pouvant être utilisés par la plante ou ses descendants (via les réserves des graines). C'est le cas de l'amidon, qui peut être stocké dans les tubercules de pomme de terre. Ces substances, lorsqu'elles entourent la graine, sont également des aliments potentiels pour les animaux qui contribuent alors à leur dissémination.

IV. Produits de la photosynthèse et interaction avec les autres espèces

Les molécules produites par les plantes jouent un rôle important dans leurs interactions avec les autres organismes de leur environnement. Ainsi, les tanins jouent un rôle dans la défense contre les champignons ou les animaux herbivores ; on parle d'interactions compétitives.

D'autres molécules, comme les anthocyanes, donnent notamment leurs couleurs aux fleurs. Ces couleurs peuvent être informatives pour les pollinisateurs ; on parle d'interactions mutualistes.