Exercices Reproduction de la plante entre vie fixée et mobilité

Rappelez les différents verticilles d’une fleur.

Les aracées sont une famille de plantes monocotylédones. Chaque « fleur » est en réalité une inflorescence, c’est-à-dire un ensemble de fleurs. Cette inflorescence a l’apparence d’une seule fleur.

Expliquez l’avantage que représente une telle inflorescence dans le processus de pollinisation.

Caractérisez la reproduction du fraisier en milieu naturel ?
En quoi diffère-t-elle de celle du pommier ?

Introduction de l’activité :

On compte aujourd’hui plus de 250 000 espèces d’angiospermes c’est-à-dire de plantes dites « à fleurs ». Apparues bien après d’autres plantes dans l’histoire de l’évolution, il y a environ 120 millions d’années, elles sont devenues progressivement majoritaires dans la diversité de la flore. La fleur, nouvel organe de reproduction, doit donc constituer un avantage certain dans la reproduction.

🧪 Démarche expérimentale : Dissection d’une fleur, exemple d’une fleur de cerisier 📝

Il existe une très grande diversité dans l’organisation des fleurs. Ainsi, décrire l’organisation « d’une fleur » ne conviendra qu’à un certain nombre d’espèces. Il y a cependant un certain nombre de caractères qui reviennent régulièrement.

Démarche :
Cette expérience va nous permettre de connaître l’organisation modèle d’une fleur.

Protocole :
1. Réaliser une coupe longitudinale à l’aide d’une lame de rasoir afin de passer le plus précisément possible au milieu de la fleur pour obtenir une répartition équitable des structures dans les deux moitiés.
2. Observer à l’œil nu et à la loupe à main l’une des moitiés obtenues.

Document 1 : Les éléments anatomiques d’une fleur

La fleur est composée de l’ensemble des organes impliqués dans la reproduction et des « enveloppes » qui les entourent. La plupart des fleurs sont hermaphrodites, ce qui signifie qu’elles possèdent à la fois des organes mâles et femelles : un pistil et des étamines.

Les étamines sont la partie mâle qui libère le pollen, généralement jaune ou orangée, disposées en plusieurs exemplaires autour de la partie femelle. Le filet de l’étamine porte la partie terminale contenant le pollen, c’est l’anthère. Le pistil, quant à lui, correspond à la partie femelle qui reçoit le pollen. Il est situé au centre de la fleur et se compose d’un axe portant la structure terminale, c’est le stigmate, il reçoit le pollen. La base du pistil est formée par l’ovaire contenant les ovules.

La fleur hermaphrodite est constituée de pièces florales disposées en cercles autour de l’axe central, ce sont les verticilles. De l’extérieur vers l’intérieur, on trouve généralement :

• le calice, composé par l’ensemble des sépales ;
• la corolle, formée par l’ensemble des pétales pouvant être soudés en un tube.

Il convient de noter que ce plan théorique de la fleur peut présenter de nombreuses variations dans la réalité.

🧪 Démarche expérimentale : Les cellules impliquées dans la reproduction 📝

Matériel :

• microscope
• lames
• lamelles
• pince fine
• eau distillée
• scalpel

Protocole pour l’observation des cellules sexuelles mâles : le pollen
1. Prélever les étamines de la fleur précédente ou d’une fleur de votre choix.
2. Les tapoter sur une lame.
3. Observer le prélèvement dans une goutte d’eau au microscope.

Protocole pour l’observation des cellules sexuelles femelles : les ovules
1. Ouvrir l’ovaire de la fleur précédente ou de la fleur de votre choix à l’aide du scalpel.
2. Observer les ovules contenus dans les ovaires à la loupe binoculaire.

Document  2 : Le modèle génétique de développement de la fleur : le modèle ABC

Afin de comprendre l’origine de l’organisation d’une fleur, les chercheurs ont isolé de nombreuses fleurs mutantes de l’espèce Arabidopsis thaliana présentant une organisation modifiée.

Les gènes mutés sont désignés de gènes du développement. Ils peuvent être regroupés en trois catégories, chacune associée aux pièces florales qu’ils contribuent à former. Le groupe A contribue à la formation des sépales et des pétales, le groupe B aux pétales et étamines ; le groupe C, quant à lui, intervient dans la formation des étamines et du pistil (carpelles).

L’étude des mutants a conduit à la formulation d’un modèle de contrôle génétique de l’organisation florale, appelé modèle ABC. Selon ce modèle, l’attribution de l’identité acquise par chaque verticille, au sein d’une fleur en développement, est dictée par la combinaison des trois gènes.
De plus, les chercheurs ont compris que lorsqu’un gène est absent, les autres gènes prennent sa place, et que les gènes A et C s’excluent mutuellement et ne peuvent donc pas occuper le même verticille.

Exemple de mutant
Pour la fleur apetala, le gène du groupe A est muté et ne s’exprime pas. Elle ne possède que des verticilles d’étamines ou de carpelle (pistil).

Astuce

La fleur sauvage présente 4 sépales, 4 pétales, 6 étamines et 2 carpelles soudés.

🧪 Démarche expérimentale : Exemple d’un mutant génétique 📝

Démarche :
Nous allons étudier ici un mutant de fleur d’Arabette des Dames appelé agamous.
Identifier les verticilles présents/absents et le gène muté.

Matériel :

• alleles_gene-classe A
• alleles_gene-classe B
• alleles_gene-classe C

Protocole :
1. Utiliser la photo (ou préparation de fleurs) fournie ci-dessus afin d’identifier les pièces florales présentes et/ou non présentes. Comparer cette fleur à la fleur sauvage présente dans l’astuce.
2. Aller sur le site Géniegen2 (proposé par l’académie de Nice) et utiliser les séquences fournies des gènes A, B et C afin d’identifier quel gène est muté en les comparant un à un.
3. Reproduire le tableau suivant et placer des croix dans les cases où le gène correspondant s’exprime.

À l’aide de la démarche expérimentale de la dissection d’une fleur de cerisier, réalisez la dissection florale demandée. Réalisez une photographie (à l’œil nu et/ou à la loupe) afin de la légender à l’aide des informations fournies dans le document 1 du document.
Précisez ensuite, les parties directement impliquées dans la reproduction et les parties indirectement impliquées dans la reproduction.

Introduction de l’activité :

La reproduction sexuée implique la rencontre physique entre deux cellules sexuelles : une cellule mâle, le spermatozoïde et une cellule femelle, l’ovule. Quand on est mobile, comme un grand nombre d’animaux, la rencontre se conçoit aisément. Mais lorsqu’on est immobile comme ce coquelicot, comment assurer la rencontre des cellules sexuelles ? Ce paradoxe d’un mode de vie fixé et de la reproduction sexuée a provoqué de nombreuses adaptations des fleurs.

Document 1 : La fécondation d’une plante à fleur

Document 2 : Assurer la dispersion des cellules sexuelles : deux stratégies principales

La pollinisation désigne le transport des cellules sexuelles mâles, le pollen, vers les cellules sexuelles femelles, les ovules via le pistil. Le mode de vie fixé des angiospermes interdit une pollinisation par contact direct. Deux grandes stratégies ont été sélectionnées par l’évolution :

• la pollinisation par l’intermédiaire d’animaux : la pollinisation zoogame ;
• la pollinisation par le vent : la pollinisation anémophile.

Document 3 : Des exemples de stratégie de pollinisation zoogame

Fleur de Rudbeckia fulgida observée en lumière visible et sous ultra-violet

Certains insectes, comme les abeilles, perçoivent les UV, invisibles pour les humains. De nombreuses fleurs de plantes entomogames présentent des sortes de « marques » visibles uniquement sous UV.

Fleur de Parnassie et d’Hellébore

Certaines plantes entomogames produisent du nectar localisé dans des écailles nectarifères ou dans le nectaire. Lorsqu’ils butinent, les abeilles et autres insectes recherchent un nectar très sucré, riche en énergie et en saveur, tout en se recouvrant de pollen simultanément.

Fleur de Stapelia variegata

Des plantes entomogames émettent des odeurs. Ainsi, la fleur de cette plante, pollinisée par des insectes se nourrissant de matières fécales, dégage un parfum nauséabond. Trompé par l’odeur, l’insecte cherche la source de cette odeur et se couvre de pollen par la même occasion.

Orchidée Zaluzianskya microsiphon

Dans l’est de l’Afrique du Sud, l’orchidée Zaluzianskya microsiphon est majoritairement pollinisée par la mouche P. ganglbaueri.
Cette dernière, grâce à un proboscis (organe de succion), accède au nectar situé au fond d’une profonde corolle, dans un éperon nectarifère.
Des chercheurs ont étudié la correspondance entre la longueur du proboscis des mouches et la profondeur des orchidées dans 16 régions isolées les unes des autres.

Document 4 : Des exemples de stratégie de pollinisation anémophile

Fleur et pollen de plantes de la famille des poacées

Le calice et la corolle sont réduits. À maturité, les anthères des fleurs anémogames peuvent produire des quantités considérables de pollen. Un épi de seigle libère jusqu’à un million de grains de pollen par jour. Celui-ci est souvent lisse, de faible dimension, et peut être percé d’un pore facilitant la prise au vent.

Fleur et pollen de bouleau

Au printemps de plus en plus de personnes se découvrent allergiques au pollen de bouleau. Ses fleurs libèrent par millions des grains de pollens que le vent dissémine.
Chaque grain de pollen est marqué par la présence de trois pores facilitant la prise au vent.

Document 5 : Les mécanismes empêchant l’autofécondation

Le mécanisme de dispersion du pollen implique forcément la possibilité que le pollen d’une fleur tombe sur le pistil de la même fleur : c’est l’autofécondation. Si elle est possible, voire obligatoire pour certaines espèces (blé, riz, avoine, haricot, etc.), celle-ci n’apporte aucune diversité génétique. C’est pourquoi, l’évolution a plutôt retenu des mécanismes évitant cette autofécondation. En effet, les individus chez qui ce mécanisme était possible donnaient des descendants moins adaptés.

Si une période décalée de maturation entre les étamines portant le pollen et le pistil est une stratégie possible, d’autres plantes ont développé des mécanismes d’auto-incompatibilité.
Ce mécanisme est déterminé génétiquement par plusieurs gènes dont le gène S dont il existe plusieurs allèles.
À l’issue de la méiose formant les cellules sexuelles, seul un allèle du gène S est présent : S1, S2, S3, etc.
La compatibilité est possible que si l’allèle porté par une cellule sexuelle est différent de l’allèle porté par l’autre cellule sexuelle, évitant ainsi une origine de la même fleur.

Lors de l’arrivée d’un grain de pollen sur le stigmate (extrémité du pistil), une des premières étapes de la germination du grain de pollen est la formation d’un tube pollinique qui permet de conduire le gamète mâle jusqu’à l’ovule. Ce tube doit être suffisamment long pour arriver jusqu’à l’ovaire contenant les ovules.
Des chercheurs ont analysé la longueur des tubes polliniques chez le pétunia dans deux cas différents :

• cas 1 : le pollen déposé sur le stigmate d’une fleur provient du même pétunia ;
• cas 2 : le pollen déposé sur le stigmate d’une fleur provient d’un autre pétunia.

Le nombre de tubes polliniques formé à différents niveaux du stigmate jusqu’au pistil ont été déterminés.

À l’aide de vos connaissances et des nouvelles informations apportées par le document 1, rappelez le mécanisme général de la reproduction des plantes à fleurs (angiospermes) et le paradoxe apparent de ce mécanisme avec le mode de vie fixée de ces plantes.

Introduction de l’activité :

Comment cette noix de cocotier a-t-elle pu arriver sur cette plage où il n’y a pourtant aucun cocotier ? Pour avoir une nouvelle plante, on sait qu’il faut qu’il y ait fécondation d’un gamète femelle par un gamète mâle pour qu’ensuite la graine formée germe. Toute aussi grosse soit-elle, la noix de cocotier flotte. Il a été observé depuis longtemps, qu’emportées par les courants, ces noix sont capables de parcourir de grandes distances puis de germer sur une plage. C’est d’ailleurs un très bon moyen de disperser sa descendance loin de soi.

🧪 Démarche expérimentale : Dissection d’un fruit : la tomate 📝

Le fruit de la tomate est une baie, ce qui signifie qu’elle est totalement charnue et renferme plusieurs graines appelées pépins.
La pulpe charnue de la baie peut présenter différentes couleurs, allant du rouge à l’orangé ou au jaune, en fonction de la variété de la tomate. Cette pulpe charnue est divisée en deux loges symétriques contenant les graines (pépins), maintenues dans une substance gélifiée. Ces graines sont reliées aux loges par un placenta. Enfin, à l’extérieur de la baie, on peut observer les sépales.

Protocole :
1. Couper une tomate dans le sens de la longueur pour faire une coupe longitudinale.
2. Couper une autre tomate perpendiculairement à la coupe longitudinale pour faire une coupe transversale.
3. Prendre une photo (ou schématiser) les deux coupes de tomates.
4. Placer les légendes nécessaires sur les photos (ou les schémas) à l’aide des informations fournies.

Document 1 : Formation du fruit de tomate

Réalisez le protocole de la dissection de la tomate et communiquez les observations sous la forme de photos légendées (ou de schémas légendés).

Introduction de l’activité :

Une fois tombée sur le sol, la graine ne peut plus compter que sur ses propres ressources pour germer et se développer en plante. En effet, pour bénéficier de la matière organique produite grâce à la photosynthèse réalisée par les feuilles, il est essentiel d’avoir des feuilles en premier lieu ! La graine est donc seule pour les premières étapes du développement de la plantule.

Document 1 : Structure de la graine de haricot

La germination désigne le développement de l’embryon contenue dans la graine. Cet embryon était jusque-là en dormance. L’embryon est formé d’un cotylédon, futures premières feuilles, d’une tigelle, première tige qui se formera, et d’une radicule, premières racines qui pousseront dans la terre.
Le reste de la graine est formé par l’albumen composé d’amidon, réserve énergétique de l’embryon. Autour, plusieurs épaisseurs de tégument forment l’enveloppe de la graine et assurent sa protection.

🧪 Démarche expérimentale : Dissection de la graine de haricot 📝

Matériel :

• graine de haricot
• scalpel
• pince
• loupe binoculaire
• eau iodée

Protocole :
1. Plonger dans l’eau la graine de haricot pendant une journée afin de ramollir le tégument.
2. Avec le scalpel ou la pince, retirer le tégument de la graine.
3. Ouvrir la graine en deux parties (chacune s’appelant le cotylédon) dans le sens de la longueur en suivant la ligne de séparation naturellement visible.
4. Mettre une goutte d’eau iodée sur la moitié de la graine.
5. Observer une des moitiés à la loupe binoculaire.

🧪 Démarche expérimentale : Mise en évidence des réserves des graines 📝

La nécessité de développer une plantule sans pouvoir recourir à la photosynthèse implique la présence de réserves énergétiques dans la graine. Des tests simples permettent de les identifier.

Tests de caractérisation :

Matériel :

• flacon d’eau iodée
• flacon de liqueur de Fehling
• feuille de papier simple ou de papier buvard
• flacon de réactif au biuret
• échantillons de noix, haricot et grain de blé
• verre de montre
• 2 tubes à essai
• dispositif de chauffage (bec électrique), pince en bois pour tenir le tube pendant chauffage

Échantillons à tester : noix, haricot, grain de blé

Tests à réaliser :
Eau iodée : placer quelques gouttes d’eau iodée sur l’échantillon placé dans un verre de montre.
Liqueur de Fehling : verser quelques millilitres de liqueur de Fehling dans un tube à essai contenant l’échantillon. Chauffer l’échantillon.
Présence de lipides : frotter l’échantillon sur un papier buvard ou une feuille de papier ordinaire.
Test du biuret : verser quelques gouttes de réactif au biuret dans un tube à essai contenant l’échantillon.

Document 2 : Composition moyenne des réserves contenues dans une graine des différentes plantes

Document 3 : La germination, un mécanisme sous contrôle enzymatique

Pour utiliser ses réserves de glucides stockés sous forme d’amidon, la graine doit utiliser une enzyme appelée amylase. L’enzyme perd ensuite de son activité lorsque la nouvelle plantule est capable de synthétiser sa propre matière organique.
Cette amylase, protéine enzymatique, n’est pas immédiatement présente dans la graine en germination.

L’acide gibbérellique appelé aussi gibbérelline est une hormone végétale synthétisée par l’embryon dès la germination.
Ici est mesurée la quantité d’amylase produite par une graine d’orge dans une solution à différentes concentrations d’acide gibbérellique :

Document 4 : Les étapes clés de la germination

La germination est déclenchée par une hydratation de la graine, étape indispensable au déclenchement de ce processus.

À partir du document 1 et de la démarche expérimentale de la dissection de la graine de haricot, montrez que cette graine possède tous les éléments nécessaires à un développement autonome au départ.