Exercices: La reproduction des plantes

Nommer les quatre verticilles d'une fleur complète (calice, corolle, androcée et gynécée) et indiquer les pièces et la fonction de chacun.

Distinguer pollinisation et fécondation, en indiquant ce qui voyage dans chaque processus, par où et quelles structures florales interviennent.

De quelle structure florale provient le fruit et de laquelle provient la graine ? Donner un exemple de fruit charnu et un de fruit sec, en indiquant quelle partie on mange dans chaque cas.

Distinguer fleur et inflorescence, et donner un exemple d'inflorescence (capitule du tournesol, épi du blé, ombelle de la carotte), en expliquant quel avantage peut présenter le regroupement de nombreuses petites fleurs.

Expliquer ce que sont les fleurs hermaphrodites et les fleurs unisexuées, et ce que sont les plantes monoïques et dioïques, avec un exemple pour chaque cas (maïs ; kiwi ou houx).

Qu'est-ce que le nectar et quelles structures florales le produisent (nectaires) ? Expliquer le « contrat » qu'il établit entre la plante et le pollinisateur (nourriture en échange du transport du pollen).

Nommer les parties du péricarpe d'un fruit charnu (exocarpe, mésocarpe et endocarpe) en prenant la cerise comme exemple, et expliquer la différence entre vrai fruit et faux fruit (pseudofruit : la pomme, la fraise).

Expliquer ce qu'est la germination et quelles trois conditions externes nécessite une graine (eau, dioxygène et température adéquate), en justifiant pourquoi les graines conservées dans un bocal sec ne germent pas.

Décrire le cycle reproducteur d'une angiosperme depuis l'arrivée d'un grain de pollen sur le stigmate jusqu'à la formation de la graine : germination du pollen, tube pollinique et double fécondation (de façon simplifiée).

Comparer les adaptations florales des plantes anémophiles (pollinisées par le vent, comme les graminées) et des plantes entomophiles (pollinisées par les insectes) : fleurs, pollen, nectar et efficacité du processus.

Observer la fleur en coupe de l'image. a) Indiquer quels numéros correspondent à l'androcée et au gynécée, et quelles pièces forment chacun. b) Expliquer la fonction des structures 4 et 5 pendant la reproduction. c) Décrire ce qui arrive à la structure 6 et aux ovules qu'elle contient après la fécondation.

Beaucoup de plantes à fleurs hermaphrodites ne peuvent pas s'autoféconder. Expliquer deux mécanismes qui l'empêchent (maturation échelonnée des étamines et du stigmate, auto-incompatibilité génétique) et justifier quel avantage évolutif il y a à empêcher l'autofécondation même au risque de ne pas produire de graines.

L'orchidée Ophrys imite une abeille femelle et attire les mâles, qui pollinisent en tentant de s'accoupler. Expliquer ce qu'est la coévolution entre fleur et pollinisateur, quels traits de la fleur (forme, couleur, odeur) participent à la tromperie et pourquoi une spécialisation aussi extrême est à la fois un avantage et un risque.

Relier la structure de chaque diaspore à son agent de dissémination : l'aigrette du pissenlit et les ailes du fruit de l'érable au vent, et la noix de coco à l'eau. Expliquer quels traits (légèreté, surface, flottabilité) sont sélectionnés par chaque milieu et pourquoi se disséminer loin de la plante mère réduit la compétition.

La dormance synchronise la germination avec la saison favorable. Expliquer trois mécanismes qui la maintiennent (tégument dur imperméable, inhibiteurs chimiques, besoin d'une période de froid — stratification) et quel signal lève chacun, en donnant un exemple de plante pour chaque mécanisme.

Certains pins méditerranéens gardent leurs cônes fermés jusqu'au passage d'un incendie (sérotinie) et certaines graines ne germent qu'avec la fumée. Expliquer en quoi consistent ces adaptations au feu et quel avantage il y a à germer juste après un incendie (sol libre, lumière, cendres riches en nutriments).

Dans un parc naturel ibérique, on analyse les diaspores de trois espèces végétales non identifiées (A, B et C) :

• La diaspore A possède un péricarpe spongieux de faible densité avec de grandes lacunes aérifères et une cuticule externe cireuse et hydrophobe.

• La diaspore B est constituée d'une cypsèle avec une aigrette plumeuse de grande surface spécifique par rapport à sa masse (0,02 g).

• La diaspore C a un mésocarpe charnu et sucré de couleur rouge vif, et un endocarpe pierreux contenant de la lignine résistante aux pH acides et aux protéases.

1. a) Déduire le syndrome de dissémination (anémochorie, endozoochorie ou hydrochorie) de chaque espèce, en justifiant quel avantage fonctionnel apporte chaque adaptation anatomique décrite.
2. b) Proposer une espèce représentative de la flore ibérique pour chacune des trois stratégies décrites.
3. c) Si l'on construit un barrage qui interrompt le débit saisonnier et fragmente la ripisylve, prévoir de façon argumentée laquelle des trois populations subira le plus fort isolement génétique et la plus faible distance de recrutement des plantules par rapport à la plante mère.

Pour étudier l'adaptation à l'aridité d'une plante annuelle du sud-est de la péninsule Ibérique, on répartit 400 graines mûres fraîchement récoltées en quatre lots égaux soumis à différentes conditions expérimentales en boîte de Petri à 22 °C :

• Lot 1 (arrosage standard) : humectées avec 5 mL d'eau distillée en continu. Résultat : 0 % de germination.

• Lot 2 (scarification) : friction mécanique du tégument de la graine + 5 mL d'eau distillée. Résultat : 4 % de germination.

• Lot 3 (pluie torrentielle simulée) : lavage continu à l'eau courante pendant 48 h (équivalent à 75 mm de précipitations), puis repos humide. Résultat : 88 % de germination.

• Lot 4 (faible pluie simulée) : lavage bref avec 5 mL pendant 15 minutes (équivalent à 4 mm de précipitations). Résultat : 2 % de germination.

1. a) Interpréter les résultats : quel type de dormance (physique, due aux téguments, ou physiologique, due à des inhibiteurs chimiques solubles) l'espèce présente-t-elle ? Justifier la réponse en la reliant à l'équilibre hormonal entre l'acide abscissique (ABA) et les gibbérellines.
2. b) Dans une perspective évolutive, expliquer pourquoi une mutation qui supprimerait la dormance et permettrait la germination de 100 % des graines après une pluie de seulement 4 mm serait contre-sélectionnée (stratégie létale) dans ce milieu.
3. c) Expliquer le concept de « banque de graines persistante du sol » et justifier pourquoi la germination fractionnée ou échelonnée sur plusieurs années constitue une adaptation essentielle face à un régime de précipitations très imprévisible.

Dans un laboratoire de botanique, on cultive trois organismes végétaux (X, Y et Z) dans des enceintes climatiques isolées où l'humidité relative de l'air est fixée à 45 % et où l'arrosage se fait exclusivement par voie souterraine capillaire, sans jamais mouiller la surface des plantes :

• Chez l'espèce X, l'individu vert dominant est haploïde. Il développe des organes reproducteurs mâles et femelles matures, mais après plusieurs mois, on n'observe aucun embryon ni aucune structure diploïde.

• Chez l'espèce Y, la plante photosynthétique dominante est un cormus diploïde producteur de méiospores. Les spores germent dans le sol en formant une structure laminaire verte indépendante, mais la formation d'un nouveau sporophyte n'aboutit jamais dans ces conditions de culture.

• Chez l'espèce Z, la plante dominante est un arbre diploïde à feuilles aciculaires et à cônes ; elle produit des grains de pollen qui germent avec succès sur les écailles des cônes femelles, fécondent les oosphères et produisent des graines viables tout à fait normalement.

1. a) Déduire à quel groupe végétal (bryophytes, ptéridophytes ou gymnospermes) appartient chaque organisme et indiquer quelle est la phase dominante du cycle (gamétophyte ou sporophyte) chez chacun.
2. b) Expliquer, aux niveaux anatomique et physiologique, quel processus échoue chez les espèces X et Y dans les conditions de l'essai, et quelle innovation évolutive permet à l'espèce Z d'achever la fécondation en l'absence totale d'eau libre en surface.
3. c) Si une sécheresse persistante entraînait la disparition des microhabitats humides de surface, prédire quelle génération (sporophyte ou gamétophyte) de l'espèce Y constituerait le goulot d'étranglement provoquant son extinction locale. Justifier la déduction.

Une commune rurale compte deux exploitations agricoles contiguës de 50 ha chacune : l'exploitation A cultive des amandiers (Prunus dulcis) et l'exploitation B cultive de l'orge (Hordeum vulgare). Au cours de la dernière décennie, l'usage intensif d'insecticides à large spectre dans la région a provoqué une chute de 75 % des populations de pollinisateurs sauvages (abeilles solitaires, bourdons et diptères syrphides).

1. a) Prédire en le justifiant comment seront affectés le rendement économique et la production (en kg/ha) de chacune des deux exploitations, en argumentant à partir de la morphologie florale et du mécanisme de transport du pollen de chaque culture.
2. b) Le propriétaire de l'exploitation A envisage d'acheter et d'installer des ruches d'abeilles domestiques (Apis mellifera) comme unique solution. Évaluer de façon critique cette proposition : expliquer deux limites écologiques ou biologiques du fait de dépendre uniquement d'une espèce de pollinisateur domestique plutôt que de la communauté sauvage.
3. c) Concevoir trois mesures agroécologiques concrètes à mettre en place sur les bordures de l'exploitation A afin de restaurer et de maintenir à long terme les pollinisateurs sauvages, en évaluant le coût ou l'emprise spatiale que chacune exigerait de l'agriculteur.

Sur un site archéologique du Néolithique, on analyse des échantillons de blé datés de deux époques :

• Échantillon 1 (il y a 10 500 ans) : 82 % des restes d'épis correspondent à des nœuds de rachis présentant des cicatrices de désarticulation spontanée lisse (rachis fragile) et à des caryopses dont les glumes sont fermement adhérentes.

• Échantillon 2 (il y a 7 000 ans) : 96 % des épis présentent un rachis à cassure irrégulière provoquée par un choc mécanique et des grains nus qui se détachent facilement de la balle.

1. a) Interpréter le changement observé entre les deux échantillons en termes de sélection artificielle : pourquoi les premiers agriculteurs ont-ils sélectionné inconsciemment des mutants à rachis non fragile et à grain libre ?
2. b) Justifier pourquoi le phénotype de l'échantillon 2 représenterait une mutation nettement désavantageuse (suicidaire) pour la plante dans un écosystème naturel, en argumentant la dépendance absolue du blé actuel vis-à-vis du semis par l'être humain pour éviter la compétition intraspécifique et assurer sa dispersion.
3. c) Contrairement aux céréales annuelles domestiquées par graines, de nombreux arbres fruitiers domestiqués dans l'Antiquité (comme le figuier, l'olivier ou la vigne) se sont multipliés par boutures et greffes. Justifier l'avantage génétique qu'offrait la propagation asexuée pour conserver les caractères recherchés, par rapport à la reproduction par graines chez des espèces allogames et hétérozygotes.

Une équipe de conservation du littoral tente d'éradiquer deux espèces invasives dans un système dunaire :

• Cas 1 : la griffe de sorcière (Carpobrotus edulis), plante grasse rampante, est broyée et débroussaillée mécaniquement avec des engins lourds « in situ ». Quatre mois plus tard, la densité de couverture de la plante a été multipliée par trois sur toute la zone traitée.

• Cas 2 : l'herbe de la pampa (Cortaderia selloana), graminée cespiteuse géante dioïque, est coupée au ras du sol juste à la fin de l'été, et les individus adultes sont retirés. Au printemps suivant, des dizaines de milliers de plantules naissent dans un rayon de plus de 2 km sous le vent.

1. a) Justifier l'échec des deux interventions en expliquant quelle stratégie reproductive (sexuée ou asexuée) et quel type de propagule ou de diaspore chaque espèce a exploité pour réagir avec une telle vigueur.
2. b) Concevoir une modification de méthode pour l'éradication de la griffe de sorcière qui évite la dispersion des propagules végétatives et assure l'élimination définitive du stock de biomasse sans éroder la dune.
3. c) Proposer trois critères biologiques strictement reproductifs (relatifs au type de pollinisation, au taux de fécondité, à la dispersion ou à la persistance des graines) qui justifient d'interdire par la loi la vente d'une plante ornementale en jardinerie avant qu'elle n'ait démontré son potentiel invasif.

Un agriculteur cultive dans des jardins voisins deux variétés commerciales achetées en pépinière : des courgettes hybrides F1 (obtenues par croisement de deux lignées pures homozygotes pour obtenir des fruits droits et très vigoureux) et des tomates traditionnelles d'une ancienne variété locale. À la fin de la saison, il récolte des graines des meilleurs fruits des deux cultures et les sème la campagne suivante :

1. a) En récoltant les courgettes de deuxième génération (F2), l'agriculteur découvre avec surprise une énorme hétérogénéité : des courgettes amères et rugueuses, d'autres déformées et des plantes aux rendements très inférieurs à ceux de l'année précédente. Justifier génétiquement ce phénomène en appliquant les lois de Mendel et les notions d'hétérosis (vigueur hybride) et de ségrégation allélique en F2.
2. b) En revanche, les plants de tomate issus de ses propres graines conservent fidèlement la qualité organoleptique et l'uniformité de la récolte précédente. Justifier cette différence à partir de la morphologie florale (cléistogamie ou stigmate inclus) et de la stratégie de pollinisation prédominante (autogamie ou allogamie) de chaque espèce.
3. c) Évaluer l'impact socio-économique et écologique du fait que l'agriculture commerciale dépende presque exclusivement de semences hybrides F1 : confronter la dépendance annuelle de l'agriculteur vis-à-vis des entreprises semencières à la perte d'agrobiodiversité face à des stress environnementaux imprévus.

Un centre international de ressources génétiques reçoit deux collections de matériel génétique végétal : le lot 1 contient des graines de lentille sauvage (Lens culinaris) et le lot 2 des graines d'avocatier (Persea americana). On applique aux deux lots le protocole standard des banques de graines comme celle du Svalbard : déshydratation forcée jusqu'à 5 % de teneur en eau, puis congélation à -18 °C.

1. a) Après un an de stockage, on teste la germination : le lot 1 montre 95 % de viabilité, tandis que dans le lot 2 la viabilité est de 0 % et les embryons présentent une lyse cellulaire généralisée. Justifier physiologiquement ce résultat en distinguant graines orthodoxes et graines récalcitrantes, et en expliquant quels dommages cellulaires le froid négatif provoque dans les tissus végétaux intolérants à la dessiccation.
2. b) Concevoir deux stratégies alternatives de conservation « ex situ » pour maintenir à long terme la diversité génétique du lot 2, sachant que ses graines ne tolèrent pas le stockage conventionnel.
3. c) Dans le contexte de l'urgence climatique actuelle, argumenter pourquoi la conservation, dans des banques de ressources génétiques, de variétés sauvages et traditionnelles aux rendements immédiats plus faibles est biologiquement plus précieuse pour l'avenir de l'humanité que la préservation exclusive des quelques variétés commerciales hyperproductives qui dominent le marché actuel.

Défi du thème. As-tu déjà réfléchi à la façon dont les plantes coordonnent la maturation de leurs fruits pour assurer leur dispersion ? Transforme ta cuisine en laboratoire de botanique pour l'analyser.

1. Inventaire reproductif : Sélectionner deux végétaux de votre garde-manger : l'un issu de la reproduction sexuée (avec des graines, comme une tomate ou un poivron) et l'autre de la multiplication végétative asexuée (un tubercule ou un bulbe). Décrire dans une fiche leurs structures reproductrices et la manière dont elles donnent un nouvel individu.

2. Bioessai sur les phytohormones : Se procurer deux échantillons immatures identiques (bananes vertes ou tomates). En introduire un dans un sac fermé avec un fruit mûr (grand émetteur d'éthylène) et laisser le témoin à l'air libre. Noter les changements de texture et de couleur toutes les $12,0$ heures pendant $48$ heures, en les évaluant sur une échelle de maturation de $1,0$ à $5,0$.

3. Compte rendu argumenté : Rédiger un bref compte rendu (tableau comparatif et conclusions) dans lequel vous expliquerez l'effet physiologique de l'éthylène par rapport aux auxines ou aux gibbérellines, et argumenterez l'avantage adaptatif d'alterner reproduction sexuée et asexuée chez les angiospermes.

Seront évalués :

• L'identification précise et anatomique des structures reproductrices étudiées.

• La rigueur méthodologique dans le relevé systématique des données du bioessai.

• La justification biologique du rôle des phytohormones et du succès adaptatif de la reproduction végétale.