De la plante sauvage à la plante domestiquée

On retire un anneau d'écorce (qui contient le phloème) sur le tronc d'un arbre, sans atteindre le bois (xylème). Quelques semaines plus tard, un bourrelet riche en matière organique apparaît AU-DESSUS de l'anneau retiré, tandis que les feuilles restent vertes et turgescentes. Exploitez ces observations pour identifier le tissu transportant chaque sève et préciser le sens de circulation.

1. 01Identifier les tissus en jeu

   L'écorce retirée contient le phloème (tissu externe) ; le bois conservé contient le xylème (tissu interne). On a donc interrompu le phloème mais laissé le xylème intact.

2. 02Exploiter le maintien des feuilles

   Les feuilles restent vertes et turgescentes : l'eau et les ions continuent de monter malgré la coupure de l'écorce. C'est donc le xylème (bois, intact) qui transporte la sève brute, de façon ascendante.

3. 03Exploiter l'accumulation de matière organique

   Un bourrelet riche en matière organique s'accumule juste au-dessus de l'anneau : la sève élaborée descendait des feuilles et se trouve bloquée par la coupure du phloème. C'est donc le phloème qui transporte la matière organique.

4. 04Conclure sur le sens

   Le xylème conduit la sève brute des racines vers les feuilles (montante) ; le phloème conduit la sève élaborée des sources (feuilles) vers les puits (ici, vers le bas, d'où l'accumulation au-dessus de la coupure).

Résultat : Xylème (bois) = sève brute ascendante ; phloème (écorce) = sève élaborée, distribuée des feuilles vers les organes consommateurs/de réserve. L'expérience d'annélation localise les deux tissus et confirme le sens de circulation.

Un plant de maïs porte une douzaine de feuilles d'environ 60 cm de long sur 8 cm de large. On modélise chaque limbe par un rectangle et on estime le volume de ses parties aériennes à environ 1,5 L. Comparez la surface foliaire ainsi obtenue à celle d'une sphère compacte de même volume, puis concluez sur l'organisation de la plante. (Les dimensions sont choisies pour raisonner en ordre de grandeur ; elles ne sont pas des mesures faites sur une plante réelle.)

1. 01Calculer la surface foliaire

   Chaque limbe modélisé par un rectangle mesure 0,60 m sur 0,08 m, soit 0,048 m². Pour douze feuilles, on obtient environ 0,58 m² de limbe, en ne comptant qu'une seule face.

2. 02Calculer la surface de la sphère de même volume

   Le volume vaut 1,5 L, soit 1,5 × 10⁻³ m³. Une sphère de ce volume a un rayon d'environ 7,1 cm, et donc une surface d'environ 0,063 m². C'est la forme qui, à volume donné, offre la plus petite surface.

3. 03Former le rapport

   0,58 m² contre 0,063 m² : la plante feuillue offre environ neuf fois plus de surface d'échange qu'une forme compacte de même volume. Rapporté au volume, on passe d'environ 42 m⁻¹ à environ 380 m⁻¹.

4. 04Conclure et transposer au sous-sol

   L'étalement en lames minces est ce qui permet à un organisme fixé de capter assez de lumière et d'échanger assez de gaz. Le même raisonnement vaut sous terre : ramification, poils absorbants et mycorhizes portent la surface racinaire très au-delà de celle du volume occupé — l'étude classique de H. J. Dittmer sur un plant de seigle d'hiver (American Journal of Botany, 1937) en avait mesuré plusieurs centaines de mètres carrés.

Résultat : Environ 0,58 m² de limbe contre 0,063 m² pour une sphère de même volume, soit un facteur voisin de neuf. Ce qu'il faut retenir n'est pas la valeur mais le RAPPORT : l'organisation de la plante maximise la surface par unité de volume, condition même de la vie fixée.

Theodor Engelmann dispose sur une lame un filament d'algue verte (spirogyre) éclairé par un fin spectre lumineux, de sorte que chaque portion du filament reçoive une couleur différente. Il ajoute des bactéries aérobies mobiles, qui se déplacent vers les zones les plus riches en dioxygène. Après quelques minutes, les bactéries se rassemblent massivement en face des régions éclairées en BLEU et en ROUGE, et très peu en face du vert. Exploitez cette expérience pour établir le lien entre les pigments chlorophylliens et la production de dioxygène.

1. 01Identifier ce que révèlent les bactéries

   Les bactéries aérobies servent d'INDICATEUR : leur rassemblement signale un dégagement local de dioxygène. Là où elles s'accumulent, l'algue en produit beaucoup ; là où elles restent rares, elle en produit peu. On ne mesure donc pas le dioxygène directement, on lit un comportement qui en dépend.

2. 02Lire le résultat

   Le dégagement de dioxygène est maximal sous l'éclairement bleu et sous l'éclairement rouge, minimal sous l'éclairement vert. L'intensité de la photosynthèse dépend donc de la LONGUEUR D'ONDE reçue, et pas seulement de la quantité de lumière — c'est le point que l'expérience établit à elle seule.

3. 03Relier aux pigments

   Le spectre d'absorption des pigments chlorophylliens présente précisément ses maximums dans le bleu et dans le rouge, et un minimum dans le vert, que la feuille réfléchit. La lumière efficace pour la photosynthèse est donc la lumière ABSORBÉE par les pigments : les deux courbes se superposent.

4. 04Conclure sur la chaîne causale

   Les pigments du chloroplaste absorbent l'énergie lumineuse ; cette énergie permet la photolyse de l'eau, dont le dioxygène est le sous-produit rejeté. Une couleur peu absorbée alimente peu cette chaîne : peu de dioxygène, donc peu de bactéries en face de cette portion du filament.

Résultat : La superposition du spectre d'action (le dégagement de dioxygène) et du spectre d'absorption des pigments établit que ce sont bien les pigments chlorophylliens qui captent l'énergie lumineuse à l'origine de la photosynthèse. L'expérience est ancienne et purement qualitative, et elle suffit : c'est cet enchaînement — indicateur, variable testée, conclusion bornée — que l'exercice 2 attend.

Des plants de tabac sains contiennent peu de nicotine. 24 h après que des chenilles ont commencé à brouter leurs feuilles, la teneur en nicotine des feuilles attaquées augmente fortement, et les chenilles nourries sur ces feuilles se développent moins bien que sur des feuilles non attaquées. Montrez qu'il s'agit d'une défense chimique induite et précisez l'intérêt sélectif de son caractère induit.

1. 01Caractériser le type de défense

   La nicotine est une molécule (un alcaloïde) toxique et répulsive : la défense est CHIMIQUE, et non mécanique.

2. 02Montrer le caractère induit

   Avant attaque, la teneur en nicotine est faible ; elle n'augmente fortement qu'APRÈS le début du broutage. La synthèse est donc déclenchée par l'agression : la défense est INDUITE, pas constitutive.

3. 03Établir l'efficacité

   Les chenilles se développent moins bien sur les feuilles riches en nicotine : la molécule réduit effectivement la consommation et la survie de l'herbivore. La défense est donc fonctionnelle.

4. 04Discuter l'intérêt sélectif

   Synthétiser de la nicotine coûte de l'énergie et des ressources. Ne la produire qu'en cas d'attaque (défense induite) évite ce coût lorsqu'il n'y a pas d'herbivore : c'est un compromis avantageux entre croissance et protection, favorisé par la sélection naturelle.

Résultat : L'augmentation de nicotine déclenchée par le broutage, associée à la baisse de performance des chenilles, démontre une défense chimique INDUITE ; son caractère induit économise les ressources de la plante hors période d'agression.

Une orchidée de Madagascar possède un éperon nectarifère d'environ 30 cm ; le nectar n'est accessible qu'au fond. On découvre ensuite un papillon nocturne dont la trompe mesure une trentaine de centimètres. À partir de cette correspondance, argumentez l'hypothèse d'une coévolution et expliquez l'avantage reproducteur pour la plante.

1. 01Constater la correspondance morphologique

   La longueur de l'éperon (~30 cm) et celle de la trompe du papillon (~30 cm) coïncident étroitement. Le nectar n'est atteignable que par un insecte muni d'une trompe assez longue.

2. 02Relier à une pression de sélection réciproque

   Une fleur à éperon plus long oblige le papillon à enfoncer la tête près des anthères/du stigmate : elle est mieux pollinisée. Symétriquement, un papillon à trompe plus longue accède mieux au nectar. Chaque partenaire exerce une sélection sur l'autre : c'est une coévolution.

3. 03Expliquer l'avantage pour la plante

   En contraignant le pollinisateur à un contact précis avec les organes reproducteurs, la fleur assure un dépôt et un prélèvement efficaces de pollen, et favorise la pollinisation CROISÉE entre individus distincts.

4. 04Conclure sur la diversité

   La pollinisation croisée garantit la rencontre de gamètes d'individus différents : elle entretient le brassage génétique et donc la diversité des descendants, atout pour l'adaptation de l'espèce.

Résultat : La correspondance éperon/trompe traduit des pressions de sélection réciproques (coévolution) ; la plante en retire une pollinisation croisée efficace, gage de diversité génétique de sa descendance.

On fait germer des graines de haricot à l'obscurité. On mesure chaque jour, séparément, la masse sèche des cotylédons (les organes de réserve) et celle du reste de la plantule (tigelle, radicule, jeunes feuilles). Pendant les premiers jours, la masse sèche des cotylédons diminue régulièrement tandis que celle de la plantule augmente ; la masse sèche TOTALE, elle, diminue légèrement. Que peut-on conclure sur l'origine de la matière de la plantule ?

1. 01Lire les deux courbes séparément

   La plantule gagne de la matière sèche : elle construit ses organes. Les cotylédons en perdent, dans le même temps et dans le même ordre de grandeur. Les deux évolutions sont donc liées, ce qui suggère un transfert de l'un vers l'autre.

2. 02Éliminer une source extérieure

   L'expérience est conduite à l'OBSCURITÉ : sans lumière, pas de photosynthèse, donc aucune matière organique nouvelle n'est produite par la plantule. La matière qu'elle gagne ne peut venir que de la graine elle-même.

3. 03Interpréter la baisse de la masse totale

   La masse sèche totale diminue légèrement : une partie des réserves n'est pas convertie en matière de la plantule, mais consommée par la RESPIRATION, qui libère du dioxyde de carbone. Le bilan est donc un transfert avec pertes, pas une conservation.

4. 04Conclure

   Les molécules de réserve accumulées dans les cotylédons sont mobilisées : elles fournissent à la fois la matière et l'énergie de la croissance initiale, jusqu'à ce que les premières feuilles vertes rendent la plantule capable de photosynthèse.

Résultat : La croissance initiale se fait aux dépens des réserves de la graine, avec une perte liée à la respiration ; l'autonomie n'est acquise qu'avec la photosynthèse des premières feuilles. C'est cette fonction nourricière qui fait de la graine la base de l'alimentation humaine — et l'objet privilégié de la domestication.

On compare un épi de téosinte (ancêtre sauvage : petit épi, grains durs enfermés dans une enveloppe, épi qui s'égraine seul) et un épi de maïs cultivé (gros épi, grains tendres et nus, ne s'égrainant pas seul). Ces différences reposent en grande partie sur quelques gènes (dont tga1 et tb1). Reliez ces différences à la domestication, puis expliquez en quoi le maïs cultivé présente une diversité génétique réduite et pourquoi cela constitue un enjeu.

1. 01Inventorier les différences

   Maïs vs téosinte : grains plus gros et plus nombreux (gigantisme), grains nus et tendres (perte de l'enveloppe dure, amertume/dureté réduites), épi qui NE s'égraine PLUS seul (perte de la dispersion naturelle). Toutes facilitent la consommation et la récolte.

2. 02Relier à la sélection artificielle

   Génération après génération, l'Homme a conservé et semé les individus aux grains plus gros, plus accessibles, et restant sur l'épi. Ces caractères, liés à quelques gènes (tga1 pour l'enveloppe du grain, tb1 pour l'architecture de la plante), ont été fixés : c'est la domestication, une sélection artificielle.

3. 03Expliquer la diversité réduite

   On n'a reproduit qu'un faible échantillon d'individus « performants » : beaucoup d'allèles présents chez la téosinte sauvage ont été perdus. La population cultivée est donc génétiquement moins diverse que l'ancêtre sauvage et que les variétés traditionnelles.

4. 04Dégager l'enjeu

   Une faible diversité rend la culture vulnérable : un même pathogène ou un changement de milieu peut frapper toutes les plantes, génétiquement semblables. D'où l'intérêt de conserver les variétés anciennes et les apparentés sauvages (biodiversité cultivée) comme réservoir d'allèles pour l'amélioration future.

Résultat : Les différences téosinte/maïs (gigantisme, grains nus, perte de la dispersion) résultent de la sélection artificielle agissant sur quelques gènes ; cette sélection a réduit la diversité génétique du maïs cultivé, ce qui fragilise la culture et justifie la conservation de la biodiversité cultivée.