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Les sèves des plantes à fleurs

Sujet spécimen 2021 n° 2 • Exercice 1

Les sèves des plantes à fleurs

1 h 30

7 points

Intérêt du sujet • Ce sujet implique de mobiliser l'ensemble de vos connaissances sur la nutrition des plantes. Vous montrerez comment leur organisation fonctionnelle (racines, tige, feuilles) leur permet de se nourrir dans le cadre d'une vie fixée entre sol et air.

 

Les végétaux présentent une organisation fonctionnelle adaptée à un mode de vie fixée. Ils sont dotés de structures d'échanges et de transport.

 Expliquer les mécanismes permettant la production des sèves.

Vous rédigerez un texte argumenté qui s'appuiera sur le document proposé, complété si besoin d'expériences et/ou d'observations et/ou d'exemples judicieusement choisis.

DOCUMENTComposition moyenne comparée de quelques éléments de la sève brute et de la sève élaborée

Tableau de 4 lignes, 3 colonnes ;Tetière de 1 lignes ;Ligne 1 : ;Sève brute;Sève élaborée;Corps du tableau de 3 lignes ;Ligne 1 : H2O (en %); 99; 80; Ligne 2 : Glucides : saccharose et autres glucides solubles (en g/L); Traces; 100 à 300; Ligne 3 : Ions minéraux (en g/L); 0,2 à 4; 1 à 5;

D'après R. Jones et al, 2013 et S. Satoh, 2006

 

Les clés du sujet

Étape 1. Comprendre le sujet

Les termes clés sont « échanges », « transport » et « sèves ». Pour commencer, il faut définir les termes « sève brute » et « sève élaborée », caractéristiques des plantes terrestres.

La question posée se rapporte à leur production, laquelle découle du prélèvement de molécules et d'ions dans l'environnement de la plante. Comme suggéré en introduction, il faut exposer les structures d'échanges qui permettent ces prélèvements.

La production de sève élaborée implique la synthèse des molécules qu'elle transporte, il faut donc exposer les mécanismes fondamentaux de la photosynthèse.

Étape 2. Exploiter le document

Le document d'aide, sur la composition chimique des deux types de sèves, peut être utilisé pour introduire leurs lieux de production et le sens de leur transport.

Étape 3. Construire la réponse

On aurait pu choisir un plan en deux parties, une pour chaque type de sève. Ici, nous ajoutons une première partie pour situer l'importance des sèves dans le contexte de nutrition de la plante.

Tableau de 4 lignes, 2 colonnes ;Corps du tableau de 4 lignes ;Ligne 1 : I. Les sèves et la nutrition des plantes; Présentez le rôle des sèves dans la nutrition de la plante en vous aidant du document.Présentez les structures caractéristiques du transport de chaque type de sève.; Ligne 2 : II. La production de la sève brute; Décrivez les surfaces racinaires d'absorption d'eau et d'ions minéraux (système racinaire).Présentez les associations avec d'autres êtres vivants (mycorhizes) qui augmentent l'efficacité de ce système.; Ligne 3 : III. La production de la sève élaborée; Montrez que la photosynthèse nécessite la capture de l'énergie lumineuse, et un apport d'eau et de dioxyde de carbone aux cellules chlorophylliennes.Décrivez l'organisation anatomique et cellulaire des feuilles qui permet la capture de la lumière et l'apport de CO2 et d'eau aux cellules chlorophylliennes.; Ligne 4 : Conclusion; Résumez les grandes idées : la nécessité de surfaces d'échanges étendues pour produire les sèves.Précisez comment leurs productions respectives dépendent l'une de l'autre.;

Introduction

Pour se nourrir, les plantes chlorophylliennes prélèvent leurs nutriments dans le sol, par leur appareil racinaire, et dans l'atmosphère, par leur tige feuillée. Des transferts de matières entre ces deux appareils sont indispensables à la nutrition de tous les organes. Ils sont assurés grâce à la production et à la circulation des sèves brute et élaborée.

Nous allons étudier où et comment ces deux types de sèves sont produits dans un environnement, sol comme atmosphère, où les nutriments sont en faible concentration.

I. Les sèves et la nutrition des plantes

A. Spécificités de la nutrition des plantes chlorophylliennes

Les plantes chlorophylliennes sont autotrophes : elles se développent en produisant leurs matières organiques à partir de nutriments minéraux : eau, ions (nitrates par exemple) et dioxyde de carbone (CO2).

Cependant seuls les organes aériens, et en particulier les feuilles, sont autotrophes, grâce à leur capacité à réaliser la photosynthèse.

Appareils aérien et souterrain jouent donc un rôle différent dans la nutrition de la plante. L'appareil souterrain prélève l'eau et les ions minéraux dans le sol alors que l'appareil aérien est le siège de la synthèse de matières organiques par photosynthèse.

Toutes les cellules des organes de la plante ont besoin d'être alimentées en eau, ions et matières organiques. Cela implique des transferts de matières entre organes aériens et souterrains. Ils sont assurés par une double circulation, celle de la sève brute et celle de la sève élaborée.

B. Caractéristiques de la sève brute et de la sève élaborée

Le conseil de méthode

Utilisez le document d'aide pour introduire les données sur les sèves.

Le document indique que l'eau est le principal constituant des deux types de sèves. Les autres substances sont dissoutes dans l'eau : les sèves sont donc des solutions.

La sève brute est une solution très diluée puisque le pourcentage de l'eau est de 99 %. Les solutés sont quasi uniquement des ions minéraux car les glucides, seules matières organiques, sont à l'état de traces. Elle se forme au niveau des racines par prélèvement dans la solution du sol.

Par rapport à la sève brute, la sève élaborée est une solution beaucoup plus concentrée (pourcentage de l'eau : 80 %). Les solutés sont surtout des glucides, en particulier le saccharose. Cette richesse en matières organiques traduit sa formation dans les feuilles, par photosynthèse.

à noter

La sève élaborée n'est pas plus riche en ions minéraux que la sève brute. Elle est simplement moins riche en eau, ce qui concentre les ions.

C. La circulation des sèves et la nutrition des organes de la plante

À partir de leur lieu de formation, les sèves circulent dans toute la plante.

La sève brute atteint tous les organes aériens de la plante, c'est pourquoi on la qualifie de sève ascendante. La sève élaborée est véhiculée jusqu'à tous les organes incapables de photosynthèse : les racines, mais aussi les bourgeons en croissance, les fleurs et les fruits avec leurs graines (figure 1).

La double circulation des sèves est assurée par des tissus conducteurs ayant des caractéristiques différentes :

les vaisseaux, constitués par des files de cellules cylindriques mortes, réduites à leur paroi lignifiée, et dont les cloisons transversales ont disparu, qui sont de véritables « pipelines » à sève brute ;

les tubes criblés, constitués de files de cellules vivantes, allongées, dont les parois transversales sont criblées d'orifices, qui véhiculent la sève élaborée.

Les vaisseaux et les tubes criblés forment deux systèmes continus, parallèles, associés dans tous les organes de la plante. Au niveau des feuilles, ils sont situés dans les nervures. Les sèves sont donc caractérisées par les structures qui les véhiculent.

Le secret de fabrication

La formulation du sujet étant assez vague, cette première partie permet de démontrer votre appropriation de la problématique avant d'entrer davantage dans le détail de la production des sèves.

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Figure 1. La double circulation des sèves dans la plante

II. La production de la sève brute

A. L'absorption de la solution du sol par le système racinaire

L'appareil racinaire est extrêmement ramifié. Ce sont les racines les plus fines, jeunes, très nombreuses, qui assurent l'essentiel du prélèvement d'eau et d'ions minéraux dans la solution du sol. Leur croissance permanente, liée aux mitoses de leur méristème, suivies de l'élongation des cellules nouvellement produites, leur permet d'explorer des surfaces nouvelles.

À proximité de l'extrémité d'une racine se trouve la zone pilifère. Elle est constituée par des poils absorbants de quelques millimètres de long. Constamment renouvelée, elle suit l'allongement de la racine dans le sol.

Le nombre de poils absorbants d'une plante est estimé à plusieurs milliards pour une plante herbacée comme un pied de seigle ou de blé. Cela représente une surface de contact avec la solution du sol de 400 m2 pour un pied de blé.

De nombreuses espèces d'arbres, dont les racines ne présentent pas de zone pilifère, assurent leur prélèvement d'eau et d'ions grâce à une association symbiotique de leurs racines avec des filaments de champignons. Cette association est appelée mycorhize. Les filaments forment un feutrage autour des jeunes racines et pénètrent même à l'intérieur. Ils s'étendent dans le sol autour des racines, explorant pour le compte de la plante une surface de sol beaucoup plus importante que la surface racinaire. Ainsi, sous 1 m2 de sol arboré, la surface des mycorhizes représente environ 100 m2.

L'importance de cette association pour la plante a été confirmée par des expériences montrant que la croissance de plants mycorhizés était, notamment sur des sols pauvres, nettement supérieure à celle de plants non mycorhizés de la même espèce.

D'autres associations intervenant dans la nutrition minérale des plantes existent.

à noter

Certaines plantes ont de petites excroissances, les nodosités, contenant des bactéries capables d'assimiler l'azote atmosphérique présent dans les pores du sol. La sève brute est ainsi enrichie en ions azotés.

B. la formation de la sève brute des vaisseaux

L'eau et les ions minéraux prélevés gagnent ensuite les vaisseaux situés à l'intérieur des racines, en circulant dans les parois des cellules et en passant de cellule en cellule.

Plus de 90 % de l'eau de la sève brute arrivant aux feuilles s'évapore dans l'atmosphère : c'est la transpiration foliaire qui est le principal moteur de l'ascension de la sève brute. L'intensité de la transpiration foliaire affecte l'absorption racinaire. En période chaude, l'évaporation, et donc l'absorption racinaire, sont réduites.

III. La production de la sève élaborée

A. L'optimisation de l'exposition à la lumière des feuilles

Contrairement à la production de la sève brute, celle de la sève élaborée ne se limite pas au prélèvement des nutriments dans l'environnement. Les glucides de la sève élaborée sont synthétisés dans les chloroplastes, de gros organites cellulaires, par photosynthèse.

En prenant comme exemple la synthèse du glucose (à partir duquel se forme le saccharose), l'équation-bilan de la photosynthèse est :

énergie lumineuse

6CO2 + 12H2O → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

Les molécules d'eau, au même titre que celles du CO2, sont des nutriments utilisés par les cellules chlorophylliennes des feuilles pour la synthèse des glucides de la sève élaborée.

Les atomes d'oxygène des molécules de dioxygène produites proviennent des molécules d'eau. Globalement, la photosynthèse est une réaction d'oxydo-réduction où l'eau est oxydée (photolyse) et le CO2 réduit.

La photosynthèse est une réaction d'oxydo-réduction non spontanée, qui se réalise grâce à l'énergie lumineuse captée par les pigments chlorophylliens contenus dans les chloroplastes.

à noter

Au cours de la photosynthèse, l'eau est oxydée grâce à l'énergie lumineuse. C'est une « photolyse » : H2O → ½O2 + 2H+ + 2e. En parallèle, le CO2 accepte les e et les H+ : il est réduit (CHO).

Voyons les caractéristiques des feuilles qui optimisent la photosynthèse.

Les feuilles sont plates, peu épaisses, elles développent une grande surface par rapport à leur volume. La surface de l'ensemble des feuilles d'un grand arbre est supérieure à celle d'un terrain de football. Les feuilles sont parallèles au sol et présentent donc une grande surface d'exposition aux rayons solaires.

Le tissu foliaire, ou parenchyme, est situé entre les épidermes supérieur (face tournée vers le soleil) et inférieur (face tournée vers le sol). Chez beaucoup d'espèces, il est divisé en un parenchyme palissadique, situé sous l'épiderme supérieur et en un parenchyme lacuneux, constitué par des cellules irrégulières, laissant de grands espaces entre elles.

Les cellules du parenchyme palissadique contiennent 80 à 85 % des chloroplastes de la feuille. Elles sont les plus exposées au soleil, ce qui constitue une optimisation de l'exploitation de l'énergie lumineuse pour la photosynthèse.

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Figure 2. Schéma d'une coupe de feuille

Les chloroplastes contiennent deux compartiments : le stroma et les thylakoïdes. Les thylakoïdes, disques aplatis dans les membranes desquels sont insérées les molécules de pigments chlorophylliens, constituent une importante surface d'absorption des radiations lumineuses, qui optimise elle aussi la captation de l'énergie solaire.

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Figure 3. Organisation d'un chloroplaste

À toutes les échelles (organisme, organe, cellule, organite cellulaire), les caractéristiques de la feuille favorisent la capture de l'énergie lumineuse indispensable à la synthèse des glucides de la sève élaborée.

B. L'optimisation de l'apport du CO2 et de l'eau aux cellules

Les cellules épidermiques sont recouvertes par une cuticule imperméable à l'eau et aux gaz. La perte d'eau par évaporation est ainsi limitée. Les gaz ne peuvent diffuser qu'à travers des structures, les stomates, présentes dans les épidermes, particulièrement dans l'épiderme inférieur.

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Figure 4. Organisation d'un stomate dans l'épiderme foliaire

Les stomates sont en relation avec les cavités du parenchyme lacuneux, lesquelles constituent une atmosphère interne avec laquelle les cellules des parenchymes effectuent leurs échanges gazeux. Le CO2 se dissout dans l'eau qui imprègne les parois cellulaires, passe dans les cellules, et atteint les chloroplastes.

Cette surface d'échanges interne est très supérieure à la surface foliaire, ce qui favorise le prélèvement de CO2 et l'évaporation de l'eau. Celle-ci, en tant que moteur de l'ascension de la sève brute, est indispensable à la photosynthèse autant que l'apport de CO2.

à noter

Un grand arbre évapore des centaines de litres d'eau par jour, mais seuls quelques litres servent à la photosynthèse.

Les nervures des feuilles contiennent les vaisseaux et tubes criblés conducteurs des sèves en continuité avec ceux des tiges. Les nervures se ramifient de plus en plus, deviennent de plus en plus fines, de sorte que toutes les cellules des parenchymes sont situées à très faible distance des vaisseaux véhiculant la sève brute. Une faible partie de l'eau de la sève brute passe alors dans les cellules et sert à la photosynthèse. La majeure partie passe sous forme de vapeur dans l'atmosphère interne, puis diffuse dans le milieu extérieur. Une troisième partie, enrichie par les glucides issus de la photosynthèse, passe dans les tubes criblés. Ainsi se forme la sève élaborée.

Conclusion

Les grandes surfaces racinaires et les mycorhizes optimisent l'absorption d'eau et d'ions minéraux, constituants de la sève brute. Les grandes surfaces aériennes optimisent la capture de l'énergie lumineuse, mais également, à travers les stomates, les échanges gazeux (CO2, H2O) nécessaires à la synthèse des glucides, composants essentiels de la sève élaborée.

La circulation de la sève brute apporte l'eau nécessaire à la photosynthèse des cellules chlorophylliennes. La production de sève élaborée et sa circulation jusqu'au système racinaire sont nécessaires au fonctionnement de ce dernier. Les deux productions sont interdépendantes.

En cas de sécheresse, la transpiration foliaire peut causer la mort de la plante par déshydratation. Celle-ci possède un mécanisme de protection qui consiste en une fermeture des pores des stomates. Mais cela entraîne aussi l'arrêt de l'apport du CO2 et de l'eau aux cellules chlorophylliennes, donc l'arrêt de la production de la sève élaborée. Mourir de soif (apport de la sève brute) ou mourir de faim (arrêt de la production de sève élaborée), tel est le dilemme qui se pose à la plante en cas de sécheresse.

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