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France métropolitaine, mars 2023 • Jour 2
SPRINT FINAL
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France métropolitaine, mars 2023 • Jour 2
exercice 1
Molécules organiques et germination des graines
Intérêt du sujet • Ce sujet met en lumière un parallèle intéressant : la synthèse des réserves des graines repose sur un duo plante mère-graine qui évoque une situation de viviparité dans le règne animal.
La graine mature contient une plantule issue du développement d’un embryon, ainsi que des molécules de réserve. Des conditions favorables permettent la germination et donc la naissance d’une nouvelle plante.
Expliquer comment les molécules organiques contenues dans la graine ont été produites, stockées puis utilisées lors de la germination.
Vous rédigerez un texte argumenté. On attend des expériences, des observations, des exemples pour appuyer votre exposé et argumenter votre propos.
Les documents sont conçus comme des aides : ils peuvent vous permettre d’illustrer votre exposé mais leur analyse n’est pas attendue.
DocumentPlant de haricot, détail du fruit et de la graine
D’après Larousse
Les clés du sujet
Étape 1. Comprendre le sujet
Les mécanismes à expliciter sont donnés par le sujet :
la production de molécules organiques à partir de matières minérales dans les parties chlorophylliennes de la plante par photosynthèse ;
l’acheminement puis le stockage de ces molécules dans les organes de réserve des graines ;
le développement de la plantule à partir des réserves accumulées dans la graine.
Sur ce dernier point, moins présent dans les programmes que la photosynthèse, vous montrerez votre maîtrise du sujet en détaillant les mécanismes qui permettent à la plantule d’exploiter les réserves, et en citant des expériences.
Étape 2. Exploiter le document
Une référence au document du sujet peut être faite quand, dans la réponse, on parle de notions qu’il illustre : organes chlorophylliens, gousse (fruit), plantule, cotylédon, etc.
Étape 3. Construire la réponse
Le libellé du sujet suggère une chronologie, que vous pouvez suivre pour construire vos parties. Nous avons ajouté une première partie afin de présenter les matières organiques des graines, référence indispensable pour toutes les autres parties.
Introduction
La genèse de nouvelles plantes par la reproduction sexuée s’effectue à partir des graines produites par la plante mère. Toutes les graines, aussi diverses soient-elles, possèdent une plantule et des matières organiques, indispensables au développement de la plantule (comme l’illustre le document d’aide).
Nous allons envisager la photosynthèse à l’origine des réserves des graines, le transport de molécules organiques dans les graines et la synthèse de leurs réserves. Nous montrerons enfin comment ces réserves sont utilisées pour la croissance de la plantule.
I. Les matières organiques de réserve dans les graines
Les graines ont des formes et des dimensions variables, mais toutes possèdent un tégument protecteur et un embryon de plante, la plantule, avec un cotylédon (par exemple, une graine de blé) ou deux (par exemple, une graine de haricot). Les cotylédons sont des feuilles embryonnaires primitives, peu différenciées.
Toutes les graines contiennent des matières organiques de réserve, soit dans les cotylédons (cas des légumineuses) ou dans un tissu, l’albumen, qui occupe une grande partie du volume de la graine (cas des céréales).
Ces organes de réserve sont remplis d’amidon, une macromolécule polymère du glucose. Cette structure moléculaire est en rapport avec sa fonction de réserve. Les graines sont donc très riches en glucides.
Les cellules à la périphérie de l’albumen des graines des céréales, comme le blé ou le maïs, forment une enveloppe, sous le tégument, appelée couche à aleurone, pleine de grains riches en protéines (figure 1).
Figure 1. Schémas de coupes de graines
II. La production de matières organiques dans les feuilles
La formation de la graine à partir de l’ovule s’effectue à l’intérieur de la plante mère, dans le ou les ovaires du pistil, lequel devient un fruit (cf. la graine de haricot dans sa gousse).
Les plantes chlorophylliennes sont autotrophes, c’est-à-dire capables de réaliser la synthèse de leurs matières organiques à partir de substances minérales : eau (H2O), dioxyde de carbone (CO2), ions minéraux dont les nitrates. Seuls les organes chlorophylliens sont autotrophes, de par leur capacité à réaliser la photosynthèse : les graines en sont donc incapables.
La photosynthèse est un processus complexe qui a lieu dans les chloroplastes. En prenant comme exemple la synthèse d’une molécule de glucose, l’équation-bilan peut s’écrire :
Cette équation-bilan traduit une réaction d’oxydo-réduction : réduction du CO2, oxydation d’H2O. Cette réaction nécessite de l’énergie lumineuse, captée par les pigments chlorophylliens des chloroplastes, d’où le terme de « photosynthèse ».
L’équation-bilan traduit aussi le fait que les atomes du dioxygène produit (O2) proviennent des molécules d’eau. La photosynthèse commence d’ailleurs par la photolyse de l’eau (2H2O → 4H+ + O2 + 4e–), permise par l’énergie lumineuse absorbée par les pigments chlorophylliens.
Le glucose n’est pas le seul produit de la photosynthèse. Sont également produits des acides aminés, des acides gras et des vitamines.
Le saccharose, formé par l’union d’une molécule de glucose et d’une molécule de fructose, est la forme de transport des glucides dans la plante.
III. La synthèse des matières organiques des graines
A. Transfert des matières photosynthétiques jusqu’à l’ovule
Les organes de la plante non chlorophylliens et les graines sont hétérotrophes. Ils synthétisent leurs matières organiques à partir de celles apportées par la sève élaborée.
Cette solution concentrée riche en glucides, essentiellement du saccharose, formée dans les feuilles, est transportée par les tubes criblés jusqu’aux fruits et graines (document d’aide).
B. Stockage des matières organiques par la graine
Suite à la fécondation, qui se déroule dans l’ovule, ce dernier se transforme en graine. Cela se traduit par la formation d’une plantule et par la synthèse de réserves glucidiques dans l’albumen ou les cotylédons, suivant l’espèce.
Ainsi, la synthèse d’amidon dans les amyloplastes des cellules de l’albumen ou des cotylédons s’effectue en utilisant le glucose résultant de l’hydrolyse du saccharose apporté par la sève élaborée.
à noter
La synthèse d’amidon dans les amyloplastes à partir du saccharose se distingue de celle qui se déroule dans les chloroplastes à partir du glucose produit par photosynthèse.
IV. L’utilisation des réserves au cours de la germination
A. Mise en évidence expérimentale de l’utilisation des réserves
Le conseil de méthode
Le sujet demande d’appuyer votre exposé sur des expériences. Celles sur la mobilisation des réserves, réalisées au lycée, sont à privilégier car elles sont au cœur du sujet.
Durant la germination, les matières organiques des réserves de la graine sont mobilisées, ce que montrent diverses observations et expériences.
L’observation microscopique des grains d’amidon d’une graine de blé germée révèle des grains corrodés, dont la dégradation augmente progressivement : l’amidon qu’ils contiennent disparaît peu à peu lors de la germination.
On broie des graines de blé germées dans de l’eau, on filtre le broyat et on teste le filtrat à la liqueur de Fehling à chaud : on observe un précipité rouge qui traduit la présence de sucres réducteurs (sucres simples). Un filtrat préparé à partir de graines non germées ne réduit pas la liqueur de Fehling.
Au cours de la germination, l’amidon, macromolécule de stockage, insoluble, est hydrolysé en sucres, maltose puis glucose, solubles. Ils peuvent alors diffuser jusqu’à la plantule.
B. Rôle de l’embryon au cours de la germination
L’hydrolyse de l’amidon en glucose n’est pas spontanée. Elle est catalysée par des enzymes, amylase et maltase, apparues dans l’albumen ou les cotylédons au cours de la germination.
L’expérience suivante (figure 2) illustre l’intervention de l’amylase : on dépose des graines de blé germées, coupées longitudinalement, sur la gélose d’une boîte de Petri imprégnée d’empois d’amidon. 48 heures après, on ajoute sur la gélose du réactif iodo-ioduré. Toute la boîte est colorée en bleu sauf autour des graines de blé germées.
Le conseil de méthode
Afin de montrer votre maîtrise de la démarche expérimentale, il est important de citer le témoin (graines non germées) dans les expériences décrites.
Ce protocole, réalisé avec des graines non germées, donne une boîte entièrement bleue. On en conclut que la disparition de l’amidon résulte de son hydrolyse, provoquée par une enzyme émise par les graines germées : l’amylase.
Figure 2. Mise en évidence de la production d’enzymes par la graine en germination
On a montré expérimentalement que l’embryon est à l’origine de la synthèse de l’amylase et de la maltase. Cela a été mis en évidence chez l’orge. En début de germination, l’embryon produit une hormone végétale, la gibbérelline, qui diffuse vers la couche à aleurone. Cette hormone active les gènes qui codent les enzymes maltase et amylase. Ainsi, l’embryon joue un rôle moteur en activant la synthèse des enzymes nécessaires à sa nutrition.
Amylase et maltase diffusent dans l’albumen et catalysent l’hydrolyse de l’amidon (en maltose puis glucose). Le glucose, à la fois source d’énergie et nutriment bâtisseur, permet la croissance de l’embryon (figure 3).
Figure 3. Déclenchement de l’hydrolyse de l’amidon par l’embryon
Conclusion
La synthèse des réserves des graines résulte d’un processus se déroulant en deux étapes : premièrement la synthèse de matières organiques à partir de matières minérales (H2O, CO2, ions minéraux) par photosynthèse, dans les organes chlorophylliens de la plante mère. La graine et son embryon, hétérotrophes, ne sont pas impliqués dans cette première étape. La deuxième étape consiste en la synthèse de réserves (amidon, protéines) par les cellules des cotylédons ou de l’albumen, à partir des nutriments (saccharose, acides aminés) apportés par la sève élaborée.
La phase d’utilisation des réserves au cours de la germination est propre à la graine. Chez les céréales, cette phase est remarquable par le caractère actif de l’embryon qui envoie un message hormonal vers une région de l’albumen, stimulant l’expression des gènes qui codent pour la maltase et l’amylase.
En catalysant l’hydrolyse de l’amidon, amylase et maltase assurent la production de glucose, nécessaire à la croissance de l’embryon. L’utilisation des réserves se termine lorsque la nouvelle plante acquiert l’autotrophie grâce à ses premières feuilles.