L’adaptation à l’aridité des plantes à métabolisme CAM

Merci !

Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Énergie et cellule vivante
Type : Pratique du raisonnement scientifique 2 | Année : 2015 | Académie : Pondichéry
Corpus Corpus 1
L’adaptation à l’aridité des plantes à métabolisme CAM

Énergie et cellule vivante

svtT_1504_12_02C

spécialité

39

Pondichéry • Avril 2015

pratique du raisonnement scientifique

Exercice 2 • 5 points

Dans les déserts chauds, la sécheresse du sol et de l’air en pleine journée est extrêmement élevée, de telle sorte que peu de plantes peuvent y survivre.

Il existe cependant une catégorie de plantes adaptées à ces milieux particuliers : les plantes grasses qui ont développé un métabolisme qualifié de CAM (Crassulacean Acid Metabolism, métabolisme acide crassuléen), qui diffère quelque peu du métabolisme qualifié de C3 des autres plantes chlorophylliennes.

Ce métabolisme leur permet de limiter leur dessèchement face aux contraintes journalières extrêmes.

> À partir de l’exploitation des documents mise en relation avec les connaissances, expliquez comment les particularités du métabolisme des plantes CAM leur permettent de résister à l’aridité de leur milieu de vie.

 DOCUMENT 1 Taux d’absorption nette de dioxyde de carbone (CO2) mesuré sur des feuilles de deux espèces

Pour chaque espèce, une feuille est placée pendant 36 h dans une enceinte de façon à pouvoir mesurer en continu le taux d’absorption du CO2. Deux espèces sont utilisées :

  • une espèce CAM : Kalanchoe daigremontiana ;
  • une espèce C3 : Peperomia obtusifolia.

 

D’après Maxwell et al., Plant Physiology, 1999, Vol. 121

 DOCUMENT 2 Degré d’ouverture des stomates selon l’heure de la journée

Un stomate est une structure présente dans l’épiderme des organes aériens des végétaux constituée de deux cellules stomatiques entourant un orifice appelé ostiole. Il permet, grâce à l’ouverture/fermeture de son ostiole, les échanges gazeux entre la plante et l’air ambiant : vapeur d’eau (H2O), dioxyde de carbone (CO2), dioxygène (O2).


 

D’après biologie.univ-mrs.fr

 DOCUMENT 3 Dégagement de dioxygène chez une plante CAM en fonction de la luminosité

On mesure les variations du taux de dioxygène dans une enceinte dans laquelle sont placés des fragments de cactus (plante CAM).


 

D’après svt.ac-dijon.fr

 DOCUMENT 4 Évolution de la teneur en malate et en amidon dans des feuilles de plante à métabolisme CAM

Le malate est une molécule qui intervient dans le métabolisme des plantes CAM.

Les taux de malate et d’amidon sont évalués à partir de feuilles de Mesembryanthemum crystallinum ayant un métabolisme CAM.


 

D’après Botanique, Traité fondamental, U. Lüttge, éditions Tecdoc Lavoisier

 DOCUMENT 5 Réactions métaboliques simplifiées spécifiques des plantes CAM

 
Les clés du sujet

Comprendre le sujet

  • Les particularités du métabolisme des plantes CAM ne sont pas des connaissances exigibles. En conséquence, vous devez les dégager à partir de l’exploitation des documents par comparaison avec le métabolisme C3 des autres plantes. Vous devez montrer comment ces particularités leur permettent de vivre dans un milieu aride, c’est-à-dire de limiter au maximum leur perte d’eau tout en assurant la synthèse des matières organiques nécessaires à leur croissance.
  • Le document 2, qui concerne le comportement des stomates le jour et la nuit, suffit pour expliquer comment les plantes CAM résistent à l’aridité de leur milieu de vie. Les autres documents, relatifs au métabolisme de ces plantes, permettent d’expliquer comment elles effectuent la photosynthèse malgré la fermeture de leurs stomates le jour.
  • Les documents peuvent être exploités dans leur ordre de présentation dans le sujet. Cependant, l’intérêt de débuter par l’étude du document 2 est de cibler tout de suite le problème fondamental posé par le sujet : comment les plantes CAM résistent-elles à l’aridité de leur milieu de vie ? La réponse à cette question débouche sur un nouveau problème : comment les plantes CAM peuvent-elles, dans ces conditions, réaliser la photosynthèse, étant donné que celle-ci nécessite à la fois lumière et dioxyde de carbone ?

Mobiliser ses connaissances

Les cellules chlorophylliennes des végétaux verts effectuent la photosynthèse grâce à l’énergie lumineuse, au dioxyde de carbone et à l’eau puisés dans leur milieu de vie.

Corrigé
Corrigé

Introduction

Les échanges gazeux entre les parties aériennes de la plante et l’atmosphère se font par diffusion au niveau de l’orifice (ostiole) de stomates épidermiques.

L’atmosphère interne des organes aériens est toujours saturée en vapeur d’eau, qui tend alors à diffuser de l’intérieur de l’organe vers l’extérieur. Ces organes perdent donc de l’eau (transpiration), et ce d’autant plus que leur milieu de vie est aride.

I. Comportement des stomates des plantes CAM (exploitation du document 2)

  • Le document montre que, chez les plantes CAM, les stomates sont, globalement, ouverts la nuit et fermés le jour : c’est l’inverse de ce qui se produit chez les plantes C3.
  • Chez les plantes CAM, la fermeture des stomates durant la journée limite fortement les échanges gazeux, et en particulier les pertes d’eau par transpiration.
  • La nuit, les stomates sont ouverts, mais l’environnement est alors plus frais et plus humide, ce qui limite nettement les pertes d’eau.
  • Chez les plantes en C3, la transpiration a lieu le jour du fait de l’ouverture de leurs stomates et, ainsi, leur perte d’eau dans un milieu désertique serait considérable.

Le comportement de leurs stomates permet donc aux plantes CAM de limiter leur perte en eau et donc de résister à l’aridité de leur milieu de vie.

II. Les caractéristiques des échanges de CO2 des plantes CAM (exploitation du document 1)

La plante CAM, tout en limitant ses pertes en eau, doit assurer son approvisionnement en CO2 nécessaire à la photosynthèse.

  • Le document 1 montre que la plante CAM absorbe du CO2 durant la nuit et n’en prélève pas le jour.
  • Ces variations dans les échanges gazeux sont liées au comportement des stomates : le CO2est absorbé uniquement durant la nuit, lorsque les stomates sont ouverts.
  • Les plantes en C3, au contraire, absorbent le CO2 à la lumière, le jour, durant lequel les stomates sont ouverts. Un taux d’absorption de CO2 élevé la nuit est donc une caractéristique des plantes CAM.

III. Période de la photosynthèse chez les plantes CAM

  • CO2 et lumière sont tous les deux indispensables à la photosynthèse. Cela pose le problème du moment où a lieu la photosynthèse chez les plantes CAM, puisque l’absorption du CO2 se fait à l’obscurité.
  • Le document 3 indique que les plantes CAM rejettent du dioxygène lorsqu’elles reçoivent de l’énergie lumineuse et le document 4 précise que, le jour, elles synthétisent de l’amidon.
  • Dioxygène et amidon sont des produits de la photosynthèse, dont le bilan global est :

Le glucose est stocké sous forme d’amidon.

La photosynthèse a donc lieu de jour chez les plantes CAM, comme pour les plantes C3.

Le problème à résoudre est alors de savoir comment le CO2 absorbé la nuit peut être utilisé durant le jour.

IV. Stockage et utilisation du dioxyde de carbone

  • Le document 4 indique que, la nuit, la concentration en malate fait plus que tripler, ce qui implique une synthèse nocturne.

Notez bien

La baisse nocturne de la concentration en amidon est due au fait qu’il est en partie utilisé pour régénérer le phosphoénolpyruvate nécessaire à la fixation du CO2 sous forme de malate.

  • Le document 5 indique que la réaction chimique entre le CO2 et le phosphoénol­pyruvate aboutit à la synthèse de malate. De façon imagée, on peut dire que le CO2est stocké sous forme de malate.
  • Le document 4 montre que la concentration de malate diminue durant le jour.
  • Le document 5 indique que cette baisse provient de la décarboxylation du malate le jour.

Cela permet aux chloroplastes d’être approvisionnés en CO2durant la journée sans avoir à en prélever dans le milieu, et donc de réaliser la photosynthèse.

Bilan

En milieu désertique, aride, les plantes CAM ne meurent pas de soif car elles limitent leurs pertes d’eau par la fermeture de leurs stomates le jour.

Cependant, elles réalisent la photosynthèse le jour, à la lumière, même sans prélever de dioxyde de carbone dans l’atmosphère. En effet, leur métabolisme leur fournit du CO2 à partir du « réservoir de CO2 » que constitue le malate synthétisé la nuit.