Introduction

L’autotrophie des plantes, liée à leur capacité à produire des molécules organiques à partir uniquement de matières minérales, est assurée par leurs organes chlorophylliens, essentiellement les feuilles. Toutefois, au cours de leur cycle de développement, elles passent par des stades durant lesquels elles sont dépourvues de feuilles, mais qui par la suite vont permettre la croissance de la plante. Ce sont les graines et les tubercules caulinaires ou racinaires. Ces organes contiennent des substances organiques qualifiées de molécules de réserve.

Les plantes domestiquées par l’homme possèdent des organes de sto­ckage de matières organiques beaucoup plus développés que chez les plantes sauvages dont elles sont issues.

Dans un premier temps, nous envisagerons les mécanismes physiologiques qui contribuent à l’accumulation de matières organiques dans les tissus ou organes de réserve. Dans un second temps, nous exposerons les processus par lesquels les êtres humains ont contribué à l’évolution des organes de réserve des plantes domestiquées afin de satisfaire leurs besoins alimentaires.

I. La production de matières organiques de réserve

A. Synthèse de matières organiques par les cellules chlorophylliennes

Les cellules chlorophylliennes de la plante sont seules capables de produire des molécules organiques à partir d’eau, de dioxyde de carbone et d’ions par la photosynthèse. Celle-ci a lieu dans les chloroplastes des cellules (figure 1).

La photosynthèse est un processus complexe. L’équation-bilan relative à la synthèse d’une molécule de glucose peut s’écrire :

${\text{6CO}}_{\text{2}}+{\text{12H}}_{\text{2}}\text{O}\stackrel{\text{Énergie lumineuse}}{\to }\underset{(\text{glucose)}}{{\displaystyle {\text{C}}_6{\text{H}}_{12}{\text{O}}_6}}+{\text{6O}}_{\text{2}}+6{\text{H}}_2\text{O}$

Cette équation traduit une réaction d’oxydoréduction : réduction du CO₂ et oxydation de H₂O. Elle traduit aussi le fait que les atomes des molécules de dioxygène produites proviennent des molécules d’eau.

La photosynthèse n’a lieu qu’à la suite de l’absorption d’énergie lumineuse par les pigments chlorophylliens des chloroplastes. Elle débute d’ailleurs par la photolyse de l’eau déclenchée par l’énergie des radiations absorbées.

Les chloroplastes comportent deux compartiments : le stroma et les thylakoïdes. Ces derniers, où sont localisés les pigments chlorophylliens, sont le siège de la conversion de l’énergie lumineuse en énergie chimique (ATP notamment). Celle-ci est utilisée pour permettre la synthèse de molécules organiques, notamment de glucose, dans le stroma.

Durant une journée ensoleillée, le glucose peut être mis en réserve sous forme d’amidon dans le stroma.

B. Transport des molécules organiques des cellules chlorophylliennes vers les cellules des organes de réserve

L’amidon n’est que transitoirement stocké dans les chloroplastes. Il est converti en saccharose, glucide qui va entrer dans la composition de la sève élaborée. Celle-ci est une solution qui, outre le saccharose, contient du glucose et des acides aminés.

Cette sève élaborée circule dans des tubes criblés. Ces derniers sont formés par des files de cellules vivantes allongées dont les parois transversales sont criblées d’orifices.

Formée au niveau des feuilles, elle circule dans toute la plante vers tous les organes non chlorophylliens et notamment vers les organes de réserve : cotylédons, albumen des graines, tubercules caulinaires (pomme de terre), tubercules racinaires (betterave).

C. Synthèse de matières organiques dans les organes de réserve

Les molécules organiques stockées dans les organes de réserve sont élaborées à partir de celles livrées par la sève élaborée. L’amidon, polymère du glucose, est la molécule organique de réserve que possèdent un grand nombre de graines et de tubercules. L’observation microscopique de cellules de ces organes révèle la présence de nombreux organites, les amyloplastes, bourrés d’amidon. Normalement­ incolores, ils deviennent bleu violacé après coloration avec le réactif de Lugol.

Ces amyloplastes ont synthétisé leur amidon à partir du glucose ou du saccharose à la suite de réactions chimiques catalysées par des enzymes. La racine de la betterave sucrière stocke le saccharose synthétisé dans les feuilles de la plante.

II. Les processus de la domestication des plantes

A. Évolution du phénotype des plantes cultivées

Le document d’aide indique que, par rapport à la betterave sauvage ancestrale, la racine tubéreuse de la betterave sucrière a un diamètre 4 à 5 fois plus grand ainsi qu’une teneur en saccharose 4 à 5 fois plus élevée. Ces différences traduisent une évolution phénotypique sous l’action de la domestication. Le même constat peut être fait pour de nombreuses plantes domestiquées, notamment le maïs.

Les scientifiques s’accordent pour dire que toutes les variétés de maïs proviennent de la domestication d’une plante sauvage, la téosinte, présente encore aujourd’hui dans certaines régions du Mexique. La téosinte et le maïs actuel sont des plantes différentes. L’épi de téosinte est formé par 5 à 12 grains répartis en 12 rangées alors que celui du maïs actuel comprend plus de 500 grains répartis en 12 à 20 rangées.

L’augmentation considérable du nombre de grains, organes de stockage, est due à la domestication. En outre, les grains de la téosinte sont enfermés dans une coque épaisse et résistante, et égrenés à leur maturité. Au contraire, les grains de l’épi de maïs sont nus et ne se désarticulent pas à maturité. Ce sont des caractères favorables à l’exploitation pour l’alimentation humaine.

Cette évolution phénotypique, qu’on retrouve pour toutes les plantes domestiquées, est la conséquence d’une évolution génétique pour laquelle l’homme est intervenu.

B. Une sélection massale pendant plusieurs siècles

Les humains, auparavant chasseurs-cueilleurs, ont commencé à se sédentariser et à pratiquer la culture et l’élevage il y a environ 10 000 ans. Si l’on reprend l’exemple du maïs, les premières cultures de téosinte marquent le début de la domestication.

Les populations de téosinte cultivées présentaient naturellement des variants dus à des mutations spontanées au cours de l’histoire de la plante. Certains d’entre eux offraient des caractères phénotypiques, notamment sur les épis, intéressants pour l’alimentation humaine. Les grains de ces plantes étaient alors choisis par les cultivateurs pour assurer la récolte suivante : c’est la sélection massale. C’est une sélection artificielle qui diffère de la sélection naturelle : elle n’a pas pour objet principal l’adaptation de la plante à son environnement, mais vise à créer des variétés satisfaisant les besoins humains.

L’introduction du maïs en Europe date du début du xvi^e siècle. Des siècles de sélection massale ont conduit à des variétés adaptées aux climats des différents pays, aux attentes des agriculteurs, toutes axées sur une production importante des molécules de réserve, mais aussi à des usages variés de cette production. La domestication a ainsi abouti à des « variétés populations » différentes d’une région à l’autre.

C. L’hybridation, un processus de création de nouvelles variétés

À partir du début du xx^e siècle, les chercheurs ont créé des maïs hybrides à partir de plantes présentant des phénotypes complémentaires. Pour cela, à partir des « variétés populations », ils ont créé des « variétés pures » formées d’individus génétiquement identiques, au moins pour les caractères recherchés. Ils ont croisé les plantes de lignée pure ayant des phénotypes différents mais complémentaires, et ainsi obtenu des hybrides.

Outre les caractères recherchés, ces hybrides ont un rendement nettement augmenté par rapport aux plantes résultant d’une sélection massale et à celles de lignée pure.

D. Création de nouvelles variétés par génie génétique : les plantes transgéniques

Il s’agit de la création de nouvelles variétés de plantes, résistantes à l’action néfaste qu’ont sur leurs organes des prédateurs ou des parasites. Ce nouveau processus repose sur une technologie qui modifie le génome de la plante par introduction d’un gène issu d’une autre espèce. La culture des plantes transgéniques obtenues a un meilleur rendement puisque ces dernières ne sont plus la cible des ravageurs des cultures.

Conclusion

De nombreuses plantes possèdent des organes non chlorophylliens qui stockent des matières organiques nécessaires à la réalisation de leur cycle de développement. Ces matières organiques sont synthétisées à partir de celles reçues des feuilles de la plante. Ces matières produites dans les feuilles, résultant de la photosynthèse, sont donc la source initiale des matières organiques des organes de stockage. Ces derniers ont représenté des sources alimentaires pour les humains qui ont commencé leur culture il y a environ 10 000 ans.

Par sélection massale, les humains ont fait évoluer le phénotype des plantes de façon à obtenir des plantes ayant des organes de stockage plus riches en matières organiques et souvent plus nombreux.

À partir du début du xx^e siècle, une nouvelle technologie, celle des hybrides, a permis la création de plantes ayant le même génotype à fort rendement, répondant aux souhaits des cultivateurs.

Avec la sélection massale, le cultivateur pouvait utiliser une partie de sa récolte pour assurer la génération suivante. Avec la technologie des hybrides, il doit chaque année acheter des semences chez le semencier. Cette dépendance se retrouve avec la technologie des plantes transgéniques, qui soulèvent en outre des interrogations sur leur action sur l’environnement.