L'organisation fonctionnelle des plantes à fleurs

a) Une surface d'échange est l'interface entre un organisme et son milieu à travers laquelle passent des matières (gaz, eau, ions minéraux) ou de l'énergie (lumière). Une plante fixée ne peut pas se déplacer vers ses ressources : elle doit prélever sur place la lumière, le CO₂, l'eau et les ions, qui sont dispersés ou peu concentrés dans l'air et dans le sol. Plus la surface de contact avec le milieu est grande, plus la quantité prélevée est importante. La vie fixée impose donc des surfaces d'échange très étendues, à la fois dans l'air et dans le sol.

b) Les feuilles (surface aérienne) captent la lumière et échangent des gaz avec l'atmosphère par les stomates : entrée du CO₂, échanges de dioxygène, sortie de vapeur d'eau (transpiration). Les racines, avec leurs poils absorbants et souvent leurs mycorhizes (surface souterraine), absorbent l'eau et les ions minéraux du sol.

c) Le xylème conduit la sève brute (eau et ions minéraux) des racines vers les feuilles : sa circulation est ascendante. Le phloème conduit la sève élaborée (eau et sucres, surtout du saccharose) des organes qui exportent des sucres (sources, comme les feuilles adultes) vers ceux qui les consomment ou les stockent (puits : racines, bourgeons, fruits) ; elle peut donc circuler vers le haut comme vers le bas.

a) Un stomate est formé de deux cellules de garde (cellules stomatiques), en forme de haricot, qui délimitent un orifice, l'ostiole, ouvert sur une lacune du tissu de la feuille. L'ouverture dépend de la teneur en eau des cellules de garde : gorgées d'eau (turgescentes), elles se courbent et l'ostiole s'ouvre ; si elles perdent de l'eau, l'ostiole se ferme.

b) Densité = nombre de stomates / aire du champ.
Face inférieure : 29 / 0,12 ≈ 241,7, soit environ 242 stomates/mm².
Face supérieure : 3 / 0,12 = 25 stomates/mm².

c) La face inférieure porte environ 9,7 fois plus de stomates que la face supérieure (241,7 / 25 ≈ 9,7). La face supérieure, directement exposée au soleil, est plus chaude : des stomates ouverts y feraient perdre beaucoup d'eau. La face inférieure, ombragée et plus fraîche, permet l'entrée du CO₂ avec des pertes d'eau plus faibles. Cette répartition permet les échanges gazeux tout en limitant la transpiration.

a) (1) xylème : ce sont les vaisseaux, cellules mortes lignifiées. (2) phloème : ce sont les tubes criblés, cellules vivantes aux parois percées de cribles. (3) xylème : il transporte la sève brute. (4) phloème : les fruits en croissance sont des puits alimentés en sève élaborée. (5) xylème : la transpiration aspire la sève brute.

b) Le liquide est très riche en saccharose : c'est de la sève élaborée, la sève brute ne contenant pratiquement pas de sucre. Le stylet était donc planté dans le phloème, plus précisément dans un tube criblé ; la sève, sous pression dans ces cellules vivantes, s'écoule d'elle-même par le stylet sectionné.

c) L'eau colorée est aspirée par la transpiration des feuilles et monte dans les vaisseaux du xylème. Les taches rouges disposées en cercle sur la coupe correspondent aux faisceaux conducteurs de la tige (leur partie xylème) ; les nervures rouges sont le prolongement de ces faisceaux dans les feuilles. La sève brute monte par le xylème jusqu'aux feuilles.

a) La zone pilifère est assimilée à un cylindre de diamètre d = 0,55 mm et de longueur L = 10 mm. Sa surface latérale vaut S₁ = π × d × L = π × 0,55 × 10 = 5,5π ≈ 17,3 mm².

b) Surface d'un poil : s = π × 0,012 × 0,8 = 0,0096π ≈ 0,0302 mm². Pour 2 300 poils : S₂ = 2 300 × 0,0096π = 22,08π ≈ 69,4 mm².

c) Surface totale : S = S₁ + S₂ = 27,58π ≈ 86,6 mm². La base des poils occupe une aire négligeable (2 300 × π × 0,006² ≈ 0,26 mm²). Rapport : S / S₁ = 27,58π / 5,5π ≈ 5,0. Les poils multiplient la surface d'échange par environ 5, donc par plus de 4.

d) Pour un cylindre, S/V = 2/r = 4/d. Un hyphe de 0,003 mm de diamètre a un rapport S/V d'environ 4 / 0,003 ≈ 1 333 mm⁻¹, contre 4 / 0,012 ≈ 333 mm⁻¹ pour un poil : pour une même quantité de matière, il offre 4 fois plus de surface. De plus, les hyphes s'étendent loin au-delà de la zone pilifère et explorent un sol que les racines n'atteignent pas, où les ions peu mobiles (phosphates) ne sont pas encore épuisés. Le champignon cède eau et ions à la plante, qui lui fournit des sucres : c'est une symbiose qui augmente considérablement la surface et le volume de sol exploités.

a) La surface de la plaque comprend ses deux faces et sa tranche : S = 2A + P × e, où P est le périmètre. Son volume vaut V = A × e. Lorsque l'épaisseur est très petite devant la longueur et la largeur de la feuille, l'aire de la tranche P × e est négligeable devant 2A. On obtient alors S/V ≈ 2A / (A × e) = 2/e. Approximation : on néglige la surface de la tranche.

b) Hêtre : 2 / 0,18 ≈ 11,1 mm⁻¹. Aloès : 2 / 9 ≈ 0,22 mm⁻¹. Rapport : 9 / 0,18 = 50. La feuille de hêtre offre environ 50 fois plus de surface par unité de volume (pour l'aloès, l'approximation est plus grossière car la tranche n'est plus négligeable, mais l'ordre de grandeur est conservé).

c) Dans un milieu aride, la perte d'eau par transpiration est le principal danger. Un faible rapport surface/volume réduit la surface par laquelle l'eau s'échappe, rapportée à la quantité de tissu ; le grand volume de la feuille sert de réserve d'eau. La feuille charnue est une adaptation à la sécheresse, au prix d'échanges gazeux plus limités.

d) L'élève confond volume et surface d'échange. Les échanges se font à travers la surface, et ce qui compte pour approvisionner les cellules est la surface disponible par unité de volume. Rapportée à son volume, la feuille d'aloès a 50 fois moins de surface que celle du hêtre : elle échange relativement moins, ce qui est justement avantageux pour économiser l'eau.

a) L'eau absorbée par le rameau passe du tube dans la tige : elle reste dans le système pesé, sa masse ne change pas. Seule l'eau qui quitte le rameau sous forme de vapeur, c'est-à-dire la transpiration, fait diminuer la masse. La couche d'huile empêche l'évaporation directe de l'eau du tube : sans elle, la perte de masse ne serait pas due au seul rameau.

b) Lumière : 152,4 − 148,9 = 3,5 g en 3 h, soit 3,5 / 3 ≈ 1,17 g/h. Obscurité : 148,9 − 148,3 = 0,6 g en 3 h, soit 0,20 g/h. La transpiration est environ 5,8 fois plus rapide à la lumière.

c) À la lumière, les stomates sont ouverts : la vapeur d'eau sort librement, la transpiration est forte. À l'obscurité, ils se ferment en grande partie ; la faible perte qui subsiste passe par la cuticule et les stomates incomplètement fermés. La lumière agit sur la transpiration par l'intermédiaire de l'ouverture des stomates.

d) Diminution : (3,5 − 1,05) / 3,5 = 2,45 / 3,5 = 0,70, soit 70 %. La vaseline obstrue les stomates de la face inférieure : si leur fermeture supprime 70 % de la transpiration, c'est que la majorité des stomates se trouve sur la face inférieure. Les 30 % restants passent par les stomates de la face supérieure et par la cuticule. Cette conclusion suppose que les deux rameaux sont comparables (même espèce, même surface foliaire, mêmes conditions).

a) Toute la radioactivité provient de la feuille marquée, qui n'en conserve que 38 % : elle a donc exporté 100 − 38 = 62 % du carbone incorporé vers le reste de la plante. C'est un organe source. Les organes qui ont reçu une part notable de ce carbone sont les puits : gousses en croissance (29 %), jeunes feuilles de l'apex (21 %), racines (11 %).

b) Les jeunes feuilles de l'apex et les gousses sont situées au-dessus de la feuille marquée : elles ont reçu 21 + 29 = 50 % de la radioactivité, par une circulation ascendante. Les racines, situées en dessous, en ont reçu 11 %, par une circulation descendante. La sève élaborée circule donc dans les deux sens, de la source vers chaque puits.

c) Les autres feuilles adultes, éclairées, produisent elles-mêmes des molécules organiques et les exportent : ce sont aussi des sources. Le flux de sève élaborée va des sources vers les puits, pas d'une source vers une autre source ; elles ne reçoivent donc presque rien (1 %).

d) La sève élaborée circule dans le phloème (tubes criblés), et le carbone y est transporté principalement sous forme de saccharose.

a) L'ouverture des ostioles diminue de 7,8 µm au jour 0 à 0,9 µm au jour 8, soit une baisse de (7,8 − 0,9) / 7,8 ≈ 88 %. La diminution est faible les deux premiers jours (7,8 → 7,1 µm), forte entre les jours 2 et 6 (7,1 → 1,6 µm), puis les stomates sont presque fermés.

b) Pendant que la teneur en eau du sol baisse (31 → 9 %), la teneur foliaire en ABA augmente : peu jusqu'au jour 2, puis fortement, pour être multipliée par près de 17 au jour 8 (710 / 42 ≈ 16,9). La fermeture des stomates s'accentue justement quand l'ABA augmente fortement (entre les jours 2 et 6). On observe donc : manque d'eau dans le sol → augmentation de l'ABA → fermeture des stomates. Ce document établit seulement une corrélation : il ne prouve pas que l'ABA cause la fermeture.

c) Les mutants, privés d'ABA, gardent des stomates largement ouverts au jour 6 (6,9 µm contre 1,6 µm chez les plants sauvages) malgré la sécheresse : ils continuent à transpirer et flétrissent dès le jour 7. Sans ABA, pas de fermeture : l'ABA est nécessaire. Si l'on apporte de l'ABA, l'ouverture tombe à 1,8 µm, valeur proche de celle des plants sauvages, et le flétrissement est évité : l'ABA suffit à déclencher la fermeture. Les cellules de garde des mutants sont donc capables de répondre : seule la production de l'hormone leur fait défaut.

d) Une plante fixée ne peut pas aller chercher l'eau ailleurs : elle doit réduire ses pertes. La fermeture des stomates limite fortement la transpiration et évite le flétrissement, ce qui lui permet de survivre à la sécheresse. Mais les stomates sont aussi la voie d'entrée du CO₂ : fermés, ils réduisent l'approvisionnement de la feuille en CO₂, donc la production de matière organique et la croissance. La baisse de la transpiration ralentit aussi la montée de la sève brute, donc l'apport d'ions minéraux, et réduit le refroidissement des feuilles. La plante sacrifie temporairement sa croissance pour préserver son eau : c'est un compromis entre survie et production.

a) Le flux est très faible à 6 h (0,3 L/h), augmente fortement pendant la matinée, atteint un maximum de 8,5 L/h à 15 h, soit environ 28 fois la valeur de 6 h, puis diminue jusqu'à 1,1 L/h à 21 h. Il suit l'éclairement et la température, maximaux en début d'après-midi : c'est à ce moment que les stomates sont ouverts et que l'évaporation est la plus forte. Le flux de sève brute suit l'intensité de la transpiration.

b) Si la sève était poussée depuis les racines, le liquide du xylème serait en surpression et le tronc aurait tendance à gonfler. Or le tronc se contracte, et d'autant plus que le flux est fort : contraction maximale de 0,21 mm à 15 h, au moment du flux maximal, puis retour presque complet à 21 h (−0,03 mm). La colonne d'eau est donc sous tension (pression inférieure à celle de l'atmosphère) : elle tire vers l'intérieur les parois des vaisseaux et les tissus voisins. La sève brute est aspirée depuis les feuilles.

c) Les rameaux sont coupés : ils n'ont plus de racines, qui ne peuvent donc pas être le moteur de l'absorption mesurée. Le rameau feuillé absorbe 5,3 mL, le rameau sans feuilles seulement 0,15 mL, soit environ 35 fois moins. Ce sont les feuilles, par leur transpiration, qui entraînent la montée de l'eau.

d) Les vaisseaux sont des cellules mortes, vides et placées bout à bout : ils forment des tubes continus, sans cytoplasme ni cloison qui freinerait l'écoulement ; l'eau y forme une colonne continue dont les molécules restent liées entre elles (cohésion), ce qui permet de la tirer depuis les feuilles. Leurs parois épaissies de lignine sont rigides : elles résistent à la tension sans que les vaisseaux s'écrasent. Structure et fonctionnement sont liés : la transpiration aspire une colonne d'eau continue dans des tubes rigides.

a) Chez la plante témoin, les feuilles contiennent peu d'inhibiteurs (12 µg/g). La feuille attaquée en contient 187 µg/g, soit environ 15,6 fois plus. La production n'est donc pas permanente à ce niveau : elle est déclenchée par l'attaque. C'est une défense chimique induite.

b) Une feuille non attaquée d'une plante attaquée contient 96 µg/g, soit 8 fois plus que chez le témoin. Cette feuille n'a pas été touchée : elle a donc reçu une information venue de la feuille attaquée. Un signal circule dans la plante et induit la défense à distance ; la réponse y est plus faible que dans la feuille attaquée (96 contre 187 µg/g).

c) Les inhibiteurs bloquent la digestion des protéines : les chenilles absorbent moins d'acides aminés et grandissent moins. Après 5 jours, leur masse est de 27 mg contre 64 mg, soit 27 / 64 ≈ 0,42 : une croissance réduite d'environ 58 %. Des chenilles plus petites, qui se développent plus lentement, consomment moins de feuillage et sont plus longtemps exposées à leurs prédateurs. Une plante fixée ne peut pas fuir : ses seules armes sont ses défenses sur place, et la réponse à distance protège d'avance les feuilles encore intactes. Produire ces molécules en permanence coûterait de la matière et de l'énergie, détournées de la croissance et de la reproduction : une défense induite n'est payée qu'en cas de besoin.

d) Protocole : sur un lot de plants, on tue les cellules vivantes du pétiole d'une feuille par un anneau de vapeur chaude, ce qui détruit le phloème (cellules vivantes) sans empêcher le fonctionnement du xylème (vaisseaux déjà morts). On fait ensuite attaquer cette feuille par des chenilles, puis on dose les inhibiteurs dans les autres feuilles 24 h plus tard. Témoins : plants attaqués sans traitement du pétiole (on attend environ 96 µg/g dans les feuilles non attaquées) ; plants au pétiole traité mais non attaqués (on vérifie que le traitement seul n'induit pas la défense, environ 12 µg/g). Résultats attendus : si le signal passe par le phloème, les feuilles non attaquées des plants traités restent proches de 12 µg/g ; si elles atteignent environ 96 µg/g, le signal emprunte une autre voie (xylème, ou signal volatil qu'on pourrait tester en isolant les feuilles dans des sacs).