Les plantes étant incapables de se déplacer, elles ont dû s'adapter à ce mode de vie fixé pour satisfaire leurs besoins fondamentaux :
- Créer de la matière organique grâce aux surfaces d'échanges et aux tissus conducteurs
- Se défendre contre le climat et les prédateurs
- Se reproduire par dissémination du pollen puis des graines
Généralités sur la vie fixée et les plantes
Les besoins vitaux pour un être vivant sont au nombre de trois :
- Se nourrir et de ce fait pouvoir créer de la matière organique
- Se défendre
- Se reproduire
Chez l'Homme, par exemple, la satisfaction de ces trois besoins passe par un déplacement. Or, les plantes sont ancrées dans le sol, et donc incapables de se déplacer. Avec le temps, leur organisme a mis en place des processus évolutifs adaptés à la vie fixée, leur permettant sans déplacement la satisfaction de ces trois besoins fondamentaux.
Depuis l'apparition des plantes sur Terre, il y a environ 500 millions d'années, les plantes, au départ aquatiques, ont évolué jusqu'à avoir aujourd'hui la même organisation :
- Tige : pour les échanges entre les racines et les feuilles
- Feuilles : pour la photosynthèse, leur permettant l'autotrophie, à l'aide des chloroplastes dans le cas de végétaux chlorophylliens
- Racines : qui permettent à la fois l'ancrage dans le sol et l'absorption de nutriments d'origine minérale
Adaptations des plantes pour créer de la matière organique sans se déplacer
Les besoins des plantes pour la création de matière organique
Les plantes sont autotrophes, elles sont donc capables de créer leur propre matière organique à partir de matière minérale, grâce à la photosynthèse. La photosynthèse nécessite :
- De l'énergie solaire
- Des éléments minéraux (dont l'eau)
- Du dioxyde de carbone
Les plantes récupèrent ces éléments dans leur environnement par le biais des racines et des feuilles. Des échanges ont ensuite lieu entre ces divers organes, par l'intermédiaire de la tige.
Les feuilles
Les feuilles représentent la surface d'échange entre l'atmosphère et la plante. Les feuilles sont une bonne surface d'échange parce que leur épaisseur est très réduite et que leur surface est très développée.
Chaque feuille est organisée en fonction des échanges qu'elle doit réaliser avec l'atmosphère. Une feuille est donc constituée :
- D'un épiderme supérieur et un épiderme inférieur. L'épiderme supérieur peut être formé d'une cuticule cireuse qui protège de la dessiccation.
- De deux parenchymes chlorophylliens différents qui permettent la récupération et la transformation de l'énergie solaire en énergie chimique.
- Des stomates, situés majoritairement sur la face inférieure de la feuille, qui permettent les échanges gazeux avec l'atmosphère : récupération de \ce{CO2} et rejet d' \ce{O2}. Les stomates sont composés de deux cellules qui peuvent se gorger d'eau (turgescentes), se gonfler et ainsi fermer l'ostiole par laquelle les échanges gazeux entre la plante et l'atmosphère se font. Cela permet à la plante de contrôler sa transpiration.
Parenchyme chlorophyllien
Un parenchyme chlorophyllien est un tissu de la feuille qui réalise la photosynthèse.
Les parenchymes palissadiques et lacuneux sont des parenchymes chlorophylliens.
Stomate
Un stomate est une structure permettant l'échange entre l'atmosphère et la plante. Il est composé de deux cellules de garde et d'un ostiole (formant l'orifice capable de laisser passer les gaz atmosphériques).
Coupe transversale d'une feuille
Schéma d'un stomate ouvert et fermé
Les racines
Les racines sont les organes de la plante qui récupèrent dans le sol l'eau et les sels minéraux nécessaires à la croissance et au développement de la plante. Cette absorption se fait par l'intermédiaire de cellules spécialisées appelées poils absorbants, dans la zone pilifère de la racine. Ces poils permettent d'augmenter la surface de contact entre la plante et le sol, de façon à avoir une récupération optimisée de la faible concentration dans le sol des ions nécessaires.
Schéma d'une racine
La tige
La communication entre les différentes parties de la plante se fait par le transport de deux types de sève :
- La sève brute (l'eau et les sels minéraux) est transportée par les vaisseaux de xylème des racines vers les feuilles pour la photosynthèse.
- La sève élaborée (les produits de la photosynthèse) est transportée par les vaisseaux du phloème depuis les feuilles jusqu'à l'ensemble de la plante.
Trajet des deux types de sève dans la plante
Les adaptations des plantes pour se défendre
La défense contre les aléas du climat
À l'échelle d'une journée
Pour se développer correctement, une plante doit subvenir à ses besoins tout au long de la journée. Or, les éléments essentiels ne sont pas disponibles en permanence. Les quantités d'eau et de lumière sont variables au cours de la journée : rosée le matin, pluies plus ou moins fréquentes, forte lumière et chaleur le midi, etc.
Les plantes ont donc développé différents systèmes leur permettant de réguler ces paramètres (manque ou excès) au cours de la journée.
Pour les variations d'eau, les plantes disposent :
- De poils à la surface des tiges ou feuilles permettant à la plante de récupérer l'eau du matin et de la conserver pour le reste de la journée.
- De la capacité à stopper l'assimilation d'eau pour éviter que leurs cellules éclatent lorsqu'il y a trop d'eau.
Pour les variations de température, les plantes peuvent :
- Fermer leurs stomates pour éviter la perte d'eau lors des heures les plus chaudes de la journée. À l'inverse, si la température est idéale la plante garde des stomates ouverts.
- Libérer des molécules odorantes, comme le font les plantes aromatiques, afin de rafraîchir leur environnement immédiat lorsque la température est trop importante.
- Enrouler leurs feuilles lorsqu'il fait trop chaud pour éviter qu'elles ne perdent trop d'eau et les dérouler quand la température redevient clémente (c'est le cas de l'oyat).
Les plantes sont aussi sensibles aux variations de lumière puisqu'un manque de lumière empêche la plante de faire de la photosynthèse. Inversement, un excès de lumière peut aussi leur être fatal puisque cela entraîne la libération de radicaux libres toxiques pour les plantes. Pour s'en protéger, certaines plantes sont capables de transformer et stocker l'excès de lumière ou bien de le dissiper sous forme de chaleur.
À l'échelle d'une année
Certaines zones du globe sont marquées par de fortes variations des conditions du milieu à l'échelle d'une année, avec des saisons très marquées (comme en Europe). Les plantes vivant dans ces régions doivent s'adapter pour survivre l'année suivante. Parmi les contraintes, on note principalement : le froid durant l'hiver, la chaleur durant l'été.
Les plantes annuelles ne vivent qu'une année et ce sont les graines qui passent l'hiver (c'est le cas du myosotis).
Les plantes vivaces s'adaptent :
- En perdant leurs feuilles, comme c'est le cas pour les plantes caduques qui perdent leurs feuilles à l'automne (chêne).
- En passant l'hiver grâce à des organes de réserve (il s'agit de la dormance). C'est le cas des bulbes (tulipes), des rhizomes (lys) ou des tubercules (pomme de terre).
À l'échelle d'un milieu
Dans des conditions extrêmes telles que les déserts (chauds et secs) et ou les climats glaciaires ou tropicaux, les plantes développent des stratégies d'adaptation élaborées. Dans ce cas, ce n'est plus une adaptation que l'individu adopte durant une journée mais une espèce qui, au cours de l'évolution, s'est adaptée aux conditions du milieu dans lequel elle vit en permanence.
Dans les milieux arides, le principal problème est de prélever et conserver au maximum le peu d'eau qui tombe dans la région. Les plantes de ces milieux se sont spécialisées dans :
- Le stockage d'eau par les tiges, les racines ou les feuilles qui sont transformées en organes de réserve comme on peut le voir chez les plantes succulentes.
- Le prélèvement d'eau par le biais de racines profondes, de poils retenant l'eau (sur les tiges ou racines) ou bien de feuilles dont la forme permet de récupérer l'eau.
- La limitation de la transpiration, soit en réduisant les feuilles (les épines sont un exemple de feuilles réduites) ou en supprimant les feuilles (organe par lequel les plantes transpirent), soit en transformant la feuille avec une cuticule (couche imperméable qui recouvre l'épiderme) ou en enroulant la feuille (comme le fait l'oyat).
Dans les milieux polaires, les plantes doivent principalement faire face au froid. Elles doivent donc survivre au gel et capter la chaleur au maximum. Les adaptations sont nombreuses et consistent à :
- Résister au froid grâce, pour certaines plantes, à un mode de vie ralenti, des feuilles réduites et une pilosité ou un duvet qui protège de la neige et du froid. D'autres plantes sont capables de produire une sorte d'antigel qui protège les cellules ou même d'expulser l'eau contenue dans leurs organes.
- Conserver la chaleur grâce à une petite taille (qui protège aussi du vent et de la neige), à un développement en forme de coussin, de tapis, ou à un développement en groupe.
Dans les milieux aquatiques, les plantes vivent partiellement dans l'eau. Elles y subsistent par le biais :
- Des prélèvements d'eau et de gaz qui, en l'absence de racines ou de racines aériennes, se font grâce au filtrage de l'eau par les feuilles submergées dépourvues de cuticules. Les autres feuilles disposent d'un système de flottaison pour rester en surface.
- De l'ancrage, permis par l'air contenu dans les tiges en l'absence de racines. La flottaison est ainsi rendue possible. Pour les végétaux qui ont des racines (certains arbres), celles-ci sont modifiées (contrefort, pneumatophore).
La défense contre les facteurs biotiques
Facteurs biotiques
Les facteurs biotiques sont les facteurs liés aux relations entre les êtres vivants.
La prédation est un facteur biotique.
Les plantes sont l'aliment de base de nombreux êtres vivants. Pour s'adapter à la prédation, certaines plantes ont développé des moyens de défense parmi lesquels :
- La production de toxines qui rendent les feuilles indigestes voire mortelles, pour éviter leur consommation. Par exemple en Afrique, l'acacia produit des tanins (toxines) lorsque les koudous (grandes antilopes) commencent à les brouter. Il produit aussi de l'éthylène pour informer les autres plantes d'une agression.
- Les épines qui empêchent aussi la consommation de la plante (par exemple le rosier ou les ronces).
- L'élaboration d'associations mutualistes, dans lesquelles la plante est défendue par une espèce à qui elle apporte un bénéfice (par exemple le milieu de vie). La symbiose est une association mutualiste dans laquelle l'association est obligatoire car vitale pour les deux espèces.
Association mutualiste
Une association mutualiste est une association dont les deux espèces tirent des bénéfices. La relation peut être essentielle ou non.
Certains acacias fournissent le milieu de vie et l'alimentation à des fourmis qui les défendent contre les invasions d'autres insectes : c'est une association mutualiste.
Les adaptations des plantes à la nécessité de se reproduire
Généralités sur la reproduction des plantes
Les plantes sont capables de deux types de reproduction :
- Asexuée : cette reproduction est avantageuse pour produire beaucoup de descendants en peu de temps, mais désavantageuse car ce sont des clones, donc peu diversifiés génétiquement et vite décimés quand il y a nécessité d'adaptation.
- Sexuée : par fusion du gamète mâle (pollen) avec le gamète femelle (ovule).
Dans le cas de la reproduction sexuée, les plantes peuvent être :
- Monoïques : elles portent des fleurs mâles et des fleurs femelles sur le même individu.
- Dioïques : elles portent un seul type de fleur (mâle ou femelle) par individu.
- Hermaphrodites : tous les individus portent sur la même fleur l'organe mâle formé par les étamines et l'organe femelle porté par le pistil.
L'organisation générale d'une fleur
On présente ici le cas d'une plante hermaphrodite, c'est-à-dire portant à la fois les organes mâles et femelles. La fleur contient les organes reproducteurs de la plante, sa mise en place est contrôlée par l'influence de gènes de développement.
Les fleurs sont organisées en plusieurs couches concentriques appelées verticilles, parmi lesquels on distingue :
- Le calice, formé des sépales. C'est l'enveloppe florale externe, ils peuvent être verts ou colorés.
- La corolle, formée des pétales
- L'androcée, composé des étamines contenant les gamètes mâles, le pollen
- Le gynécée (aussi appelé pistil), composé des carpelles qui portent les gamètes femelles, les ovules
Organisation d'une fleur hermaphrodite
Verticilles
Les verticilles sont les couches des organes d'une fleur sur un même niveau.
On dessine l'organisation d'une fleur sous forme d'un diagramme floral.
Exemple d'un diagramme floral
Le contrôle génétique du développement floral
La mise en place des pièces florales est sous le contrôle de gènes du développement que l'on nomme gènes homéotiques. Afin de comprendre la mise en place des différents verticilles, nous allons nous intéresser au modèle ABC qui fait intervenir trois classes de gènes (A, B et C) responsables de la mise en place des sépales, pétales, étamines et carpelles.
- L'expression des gènes de classe A induit la formation des sépales.
- L'expression conjointe des gènes de classe A et B induit la formation des pétales.
- L'expression conjointe des gènes de classe B et C induit la formation des étamines.
- L'expression des gènes de classe C induit la formation des carpelles.
Le dysfonctionnement d'un de ces gènes homéotiques induit la formation d'un mutant.
Par commodité d'écriture, on parlera de gène A, gène B et gène C, pour les classes de gènes A, B et C.
Gènes du développement et formation de la fleur
La reproduction sexuée
Comme les plantes sont des êtres vivants fixés, il ne peut y avoir de rapprochement physique entre les individus. Le rapprochement doit donc se faire par dispersion des gamètes. Chez les plantes à fleurs, ce sont les grains de pollen qui voyagent pour rejoindre le pistil des plantes femelles : c'est la pollinisation par dispersion.
Le pollen peut se disperser de trois manières différentes :
- L'anémogamie : par le vent
- La zoogamie : par les animaux, les abeilles le plus souvent
- L'hydrogamie : par l'eau, dans le cas des plantes aquatiques
Anémogamie
L'anémogamie est le transport du pollen par le vent.
Les graminées dispersent leur pollen au printemps.
Zoogamie
La zoogamie est le transport du pollen par les animaux.
Les abeilles transportent sur leurs pattes le pollen de nombreuses espèces.
Hydrogamie
L'hydrogamie est le transport du pollen par l'eau.
Coévolution
La coévolution est l'évolution conjointe de deux espèces avec influence réciproque de l'une sur l'autre.
Dans le cas de la zoogamie, il n'existe parfois qu'un seul insecte capable de polliniser une espèce de plante : c'est une coévolution. Si cette coévolution est trop poussée, elle peut être risquée, car si l'une des espèces disparaît, l'autre aussi. C'est le cas par exemple du yucca glauque et de la teigne du yucca.
La dissémination des graines
La reproduction sexuée aboutit à la formation d'un fruit qui contient les graines. Les graines sont les embryons des plantes, elles doivent être dispersées au maximum pour une plus grande occupation de la plante dans son environnement.
Il existe plusieurs moyens de dispersion des graines :
- L'autochorie : les fruits éclatent à maturité.
- La barochorie : les fruits tombent par gravité.
- L'anémochorie : les fruits munis de plumes ou d'ailettes sont transportés par le vent.
- L'hydrochorie : les fruits sont transportés par flottaison dans l'eau.
- La zoochorie : les fruits sont transportés par accrochage dans le pelage des animaux ou disséminés par les excréments après leur consommation.