La plante, productrice de matière organique

Les parties aériennes de la plante sont les lieux de production de matière organique par photosynthèse. Captée par les pigments chlorophylliens au niveau du chloroplaste, l’énergie lumineuse est convertie en énergie chimique par la photolyse de l’eau, avec libération d’O2 et réduction du CO2 aboutissant à la production de glucose et d’autres sucres solubles. Ceux-ci circulent dans tous les organes de la plante où ils sont métabolisés, grâce à des enzymes variées, en produits assurant les différentes fonctions biologiques dont :

• la croissance et le port de la plante (cellulose, lignine) ;

• le stockage de la matière organique (saccharose, amidon, protéines, lipides) sous forme de réserves dans différents organes, qui permet notamment de résister aux conditions défavorables ou d’assurer la reproduction ;

• les interactions mutualistes ou compétitives avec d’autres espèces (anthocyanes, tanins).

Diaporama du chapitre "La plante, productrice de matière organique"

Activité : expériences historiques sur la photosynthèse

Activité : produits de la photosynthèse et interactions entre espèces

TP : les pigments des feuilles

TP : localisation cellulaire des produits de la photosynthèse

TP : les organes de réserve des plantes à fleurs

TP : les tanins des plantes et la digestion des herbivores

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I – Le rôle des pigments lors de la photosynthèse

Le chloroplaste est un organite des cellules végétales qui réalise la photosynthèse. Il est le siège de la production d’amidon lorsqu’il est placé à la lumière.

L’énergie lumineuse est absorbée par des pigments photosynthétiques. Il existe différents pigments dont l’absorption des longueurs d’onde de la lumière blanche varie en fonction des longueurs d’onde. Ils sont contenus dans la membrane des thylakoïdes au sein du chloroplaste. La chromatographie permet de distinguer les pigments suivants : chlorophylles a et b, xanthophylles et carotènes.

La comparaison des courbes représentant la variation de l’absorption de la lumière et de l’intensité photosynthétique en fonction des longueurs d’onde montre une corrélation entre l’importance de l’absorption de la lumière et de l’activité photosynthétique. Cette corrélation s’explique par le rôle des pigments dans l’absorption de l’énergie lumineuse et sa conversion en énergie chimique utilisée ensuite pour la synthèse de molécules organiques (énergie chimique).

II – Les réactions chimiques lors de la photosynthèse

La photosynthèse utilise le dioxyde de carbone et l’eau pour produire, en présence de lumière, des molécules organiques (comme le glucose) et du dioxygène. La réaction globale de la photosynthèse peut donc s’écrire :

6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2

Dioxyde de carbone + Eau → Glucose + Dioxygène

L’étude des isotopes de l’oxygène et du carbone a permis d’établir le devenir des réactifs de la photosynthèse. Ainsi, le dioxygène produit provient de l’oxydation de la molécule d’eau. Cette réaction nécessite de la lumière.

On parle de photolyse de l’eau : cette réaction est possible grâce à l’absorption de l’énergie lumineuse par les pigments photosynthétiques. Les électrons libérés par cette réaction seront finalement cédés au dioxyde de carbone, qui est réduit en molécule organique comme le glucose. La réduction du dioxyde de carbone ne nécessite pas obligatoirement de lumière.

Les enzymes présentes dans le chloroplaste vont permettre la production d’amidon à partir de molécules de glucose. De nombreuses molécules différentes vont intégrer le carbone provenant du dioxyde de carbone réduit. La photosynthèse permet donc de produire une diversité de molécules au sein de la cellule végétale.

III – Exemples de fonctions biologiques des métabolites synthétisés

Chez les végétaux, les vaisseaux conducteurs peuvent être distingués en deux catégories : les vaisseaux du xylème et les vaisseaux du phloème.

A – La production de lignine dans les vaisseaux du xylème

Les vaisseaux du xylème ont une paroi essentiellement composée de lignine. Cette molécule imperméable assure une grande rigidité à l’organisme. Elle permet ainsi aux vaisseaux du xylème à la fois de transporter des molécules d’eau des racines jusqu’aux feuilles, notamment pour la photosynthèse, mais également d’assurer le port de l’organisme constituant une structure rigide.

Les vaisseaux du xylème transportent habituellement peu de produits de la photosynthèse mais essentiellement de l’eau, principal élément de la sève brute. La lignine, qui constitue leur paroi, est synthétisée à partir de la phénylalanine, un acide aminé produit lors de la photosynthèse. La synthèse de lignine est possible grâce à un équipement enzymatique particulier.

B – La production de cellulose dans les vaisseaux du phloème

Les vaisseaux du phloème ont une paroi composée de cellulose. Cette molécule est produite à partir du glucose au moyen d’une enzyme, la cellulose synthase, présente au niveau de la membrane des cellules. 

Ces vaisseaux conducteurs transportent la sève élaborée qui contient les produits de la photosynthèse sous forme de saccharose. Du glucose peut être produit à partir du saccharose grâce à une enzyme, la saccharase.

Les vaisseaux du phloème distribuent les produits de la photosynthèse à toutes les cellules de l’organisme, permettant ainsi sa croissance.

C – La production de molécules de réserve

Les produits de la photosynthèse, transportés par les vaisseaux du phloème permettent de produire une diversité de molécules assurant des fonctions particulières.

Elles peuvent être stockées dans des éléments de la plante : tige, racines, feuilles, fruits ou graines. La transformation des produits de la photosynthèse est réalisée par un équipement enzymatique particulier permettant la production de molécules de réserve de différentes natures : saccharose, amidon, protéines ou lipides. L’accumulation de ces molécules sous forme de réserves permet soit de résister à des conditions défavorables (température, hygrométrie…), soit d’assurer la reproduction en contribuant à la dispersion des graines ou en permettant à l’embryon contenu dans la graine de se développer lorsque les conditions deviennent favorables.

D – La production de molécules permettant les interactions avec d’autres espèces

D’autres molécules, comme les anthocyanes, vont également favoriser la reproduction en contribuant à une interaction entre les plantes et les animaux, soit en attirant les insectes pollinisateurs avec des fleurs aux couleurs attractives, soit en attirant les animaux favorisant la dissémination des graines. Ces interactions apportent un bénéfice à chacun (plante et animal) : on parle d’interaction mutualiste.

Les tanins repoussent les phytophages en développant un goût désagréable et en perturbant la digestion. Ces interactions entraînent une compétition entre la survie de la plante et celle de l’animal : on parle d’interaction compétitive.

Ces molécules peuvent être stockées dans des structures internes aux cellules comme les amyloplastes (pour l’amidon) ou les vacuoles (pour les anthocyanes, les tanins…).

Les parties aériennes de la plante sont les lieux de production de matière organique par photosynthèse.

Plus précisément, la photosynthèse a lieu au niveau des chloroplastes qui contiennent des pigments capables d’absorber l’énergie lumineuse et de l’utiliser pour réaliser la photolyse de l’eau, apportée par la sève brute. Cette réaction s’accompagne de la libération d’O2.

Dans le chloroplaste, l’oxydation de l’eau est couplée à une réduction du CO2, aboutissant à la formation de molécules organiques comme le glucose et d’autres sucres solubles qui pourront sortir du chloroplaste vers le cytoplasme.

Les molécules organiques produites peuvent être exportées de la cellule chlorophyllienne et transportées par la sève élaborée, pour être utilisées dans tout l’organisme végétal.

Selon la composition enzymatique des cellules, ces métabolites seront transformés en différentes molécules permettant d’assurer des fonctions biologiques diverses : port et croissance de la plante (cellulose et lignine), stockage de réserves (saccharose, amidon, protéines, lipides) qui permettent de résister aux conditions défavorables ou d’assurer la reproduction.

Certaines substances comme les tanins (toxiques) ou les anthocyanes (pigments des pétales) peuvent participer aux interactions mutualistes ou compétitives avec d’autres espèces.

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