Photosynthèse et Reproduction des Plantes : Biochimie et Stratégies

Chapitre 5 : La Photosynthèse et ses Produits

Les plantes, comme tous les organismes chlorophylliens, ont besoin de matière minérale et de lumière pour fabriquer les molécules nécessaires à leur fonctionnement (croissance, reproduction, etc.) : ce sont des autotrophes. Elles réalisent la photosynthèse : fabrication de matière organique en présence de lumière.

Anatomie de la Photosynthèse

Au niveau d’une plante chlorophyllienne, la photosynthèse a lieu au niveau d’organes spécialisés : les feuilles. Sous l’épiderme supérieur, le parenchyme pallisadique est formé de cellules chlorophylliennes. Ce tissu surmonte le parenchyme lacunaire formé de cellules chlorophylliennes et de larges espaces intercellulaires. Au sein des cellules chlorophylliennes se trouvent les organites de la photosynthèse : les chloroplastes. Ils contiennent des pigments chlorophylliens capables d’absorber la lumière (chlorophylles a et b, xanthophylles et caroténoïdes).

II) Les Processus Biochimiques de la Photosynthèse

1) La Phase Photochimique de la Photosynthèse

Elle a lieu dans la membrane des thylakoïdes et dépend directement de la lumière. L’énergie lumineuse (radiations rouges et bleues) est captée par les pigments chlorophylliens (notamment la chlorophylle a). La chlorophylle a, excitée par les photons, perd un électron : celui-ci circule dans une chaîne photosynthétique vers des molécules acceptrices finales des électrons. Ces molécules sont alors dans un état réduit et sont riches en énergie.

C’est grâce à la photolyse de l’eau (provenant de la sève brute) que la chlorophylle a oxydée retrouve son état initial réduit. C’est une réaction d'oxydation : les électrons libérés permettent de régénérer la chlorophylle a. Cette oxydation est associée à la libération de $\text{O}_2$ (l’oxygène du $\text{O}_2$ provient de l’oxygène de $\text{H}_2\text{O}$, Kamen et Ruben, 1941) :

$$\text{2H}_2\text{O} \rightarrow \text{O}_2 + 4\text{e}^- + 4\text{H}^+$$

Ainsi, lors de la phase photochimique, il y a conversion de l’énergie lumineuse en énergie chimique avec production d’oxygène.

2) La Phase Chimique de la Photosynthèse

La phase chimique de la photosynthèse ne dépend pas directement de la lumière. Elle se déroule dans le stroma et correspond à des réactions organisées en un cycle : le cycle de Calvin-Benson. Lors de ce cycle, les molécules riches en énergie, produites lors de la phase photochimique, permettent la réduction du $\text{CO}_2$ aboutissant à la production de glucose et d’autres sucres solubles (matière organique). Ces sucres = photoassimilats constituent la sève dite élaborée.

III) Produits de la Photosynthèse, Croissance et 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, des pectines et des hémicelluloses, qui sont les constituants principaux des parois cellulaires. Cette paroi peut être imprégnée secondairement par de la 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, ou des réserves lipidiques que l'on trouve dans les noisettes. Ces substances sont également des aliments potentiels pour les animaux. Ainsi l'écureuil, en oubliant une partie des noisettes qu'il a cachées, contribue à leur dissémination.

IV) Produits de la Photosynthèse et Interactions 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.

Chapitre 6 : La Reproduction des Plantes

Les plantes, contraintes à la vie fixée, utilisent différents procédés pour se reproduire :

• Reproduction asexuée
• Reproduction sexuée

I) La Reproduction Asexuée

Les plantes peuvent se reproduire par reproduction végétative ou asexuée (sans graines ni fleurs). À partir d’un fragment de la plante d’origine (tige, racine, feuille), elles sont capables de reformer un individu génétiquement identique (= un clone).

Ce phénomène est lié à la totipotence des cellules végétales (= capacité à se dédifférencier et se redifférencier) et à leur capacité de croissance infinie. Les organes utilisés pour la reproduction asexuée sont divers (tubercules, stolons, bourgeons de la tige...) et permettent à la plante de coloniser rapidement son environnement. L’homme utilise cette capacité unique des plantes pour les multiplier à des fins agricoles (par bouturage, clonage in vitro...).

II) La Reproduction Sexuée : de la Fleur au Fruit

A) L’organisation de la Fleur

La fleur est organisée en couronnes concentriques de pièces florales (ou verticilles). Deux couronnes protectrices (sépales et pétales) entourent 2 couronnes d’organes reproducteurs (étamines et pistil). Les étamines, organes mâles, produisent le pollen (vecteur des gamètes mâles). Le pistil, organe femelle, constitué d’un ou plusieurs ovaires, contient les ovules (gamètes femelles).

B) La Fécondation

Suite à la pollinisation (dépôt des grains de pollen sur le stigmate du pistil), les grains de pollen germent. Les gamètes mâles se déplacent dans un tube pollinique jusqu’aux noyaux femelles situés à l’intérieur des ovules. La fécondation entraîne la transformation de l’ovule en graine et de l’ovaire en fruit.

La graine contient un embryon, des réserves organiques accumulées qui seront utilisées pour développer la future plante lors de la germination, ainsi qu’un tégument (résistance à la déshydratation et aux prédateurs...).

C) Une Variété de Modes de Pollinisation

Il existe de nombreux mécanismes empêchant qu’une fleur hermaphrodite ne s’autopollinise : décalage de maturité des parties mâles et femelles, incompatibilité génétique... La pollinisation est donc principalement croisée (= a lieu entre deux plantes différentes de la même espèce).

Le transport du pollen est assuré par :

• Le vent : fleurs anémogames,
• Les insectes : fleurs entomogames. Ces derniers sont attirés par divers signaux (couleurs, les formes, les odeurs, la synthèse de substances nutritives (glandes nectarifères)).

La collaboration plante-pollinisateurs est le résultat d’une coévolution entre les deux partenaires.

D) La Dissémination des Graines

Elle peut se réaliser par différents vecteurs (eau, le vent ou des animaux). Elle repose souvent sur un mutualisme animal disperseur / plante ou des dispositifs spécifiques à la plante. Cette dispersion des graines permet la conquête de nouveaux territoires.

Conclusion

L’organisation des fleurs et les différents modes de pollinisation favorisent la rencontre des gamètes sans déplacement de la plante. La dispersion des graines leur permet de coloniser de nouveaux milieux proches ou éloignés, souvent grâce à une coévolution avec des animaux.