Nutrition Minérale des Plantes et Photosynthèse des Eucaryotes - Sciences 1 PDF

LICENCE EDUCATION SPECIALITE ENSEIGNEMENT PRIMAIRE MODULE: SCIENCES 1 Nutrition minérale des plantes et Photosynthèse des eucaryotes Pr. Mziwira Mohamed Année universitaire : 2023 -...

LICENCE EDUCATION SPECIALITE ENSEIGNEMENT PRIMAIRE MODULE: SCIENCES 1 Nutrition minérale des plantes et Photosynthèse des eucaryotes Pr. Mziwira Mohamed Année universitaire : 2023 - 2024 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 1  Plan du cour Nutrition minérale des plantes et Photosynthèse des eucaryotes STRUCTURES ET FONCTIONS DES PARTIES DE LA PLANTE ABSORPTION DE L’EAU TRANSPORT DE L’EAU ABSORPTION DES SUBSTANCES DISSOUTES DEVENIR DE L’EAU ET DES IONS CIRCULATION DE LA SEVE BRUTE La Photosynthèse des eucaryotes Mise en évidence de la photosynthèse Le chloroplaste, l’organite clé de la photosynthèse La structure du chloroplaste Le rôle de la chlorophylle Le déroulement de la photosynthèse La phase photochimique La phase chimique La réaction globale 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 2  Introduction Les végétaux sont des êtres vivants car ils sont composés d’une ou plusieurs cellules. Les végétaux font partie des Eucaryotes car ils possèdent des organites dans leurs cellules. Un organite est une structure entourée d’une membrane dans une cellule. Les végétaux verts (chlorophylliens) sont des organismes autotrophes. Ils sont capables de synthétiser de la matière organique grâce à la photosynthèse. Question : Comment se déroule la photosynthèse ? 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 3  I. STRUCTURES ET FONCTIONS DES PARTIES DE LA PLANTE : ANATOMIE VÉGÉTALE Objectif : Découvrir les relations entre les cellules spécialisées, les tissus, les organes et les systèmes des plantes. 1. L’organisation biologique (Des cellules aux systèmes) Les cellules spécialisées qui travaillent ensemble, ayant la même structure et la même fonction, forment les tissus. Dans un organe il y a une combinaison de plusieurs types de tissus travaillant ensemble pour accomplir une fonction particulière. Plusieurs organes qui accomplissent des fonctions spécifiques se regroupent ensemble pour former un système. cellule  tissu  organe  système  organisme 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 4  L’organisation d’une plante épiderme xylème phloème stomate palissadique support parenchyme lacuneux 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 5  2. La spécialisation cellulaire Cette cellule végétale est spécialisée dans le stockage de l’énergie, ayant une grande vacuole de réserve. Ces cellules végétales sont spécialisées dans la photosynthèse, étant pleines de chloroplastes. 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 6  Les chloroplastes Organite trouver dans la plante La photosynthèse se produit dans chaque cellule avec un chloroplaste Les grandes feuilles plates sont pleines des chloroplastes pour recueillir la lumière du soleil et pour faire des sucres. L’oxygène et le CO2 entrent et sortent de la feuille par des ouvertures appelées les stomates sur le dessous de la feuille. 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 7  3. La réparation et le remplacement des cellules spécialisées Les cellules, tissus, organes et systèmes des animaux se forment pendant le développement de l’embryon. Chez les animaux, certaines cellules et des parties de tissus peuvent être réparées et remplacées pour que les organes durent toute la vie de l’animal. Chez les végétaux, les plantes fabriquent périodiquement de nouveaux organes grâce au bourgeonnement. 4. Les tissus (et cellules) des plantes Tissu dermique  enveloppe, protège, contrôle les échanges (cellules de l’épiderme, ex. l’écorce) Tissu vasculaire  transport d’eau, nutriments, sucres et fournit support physique (cellules du xylème et cellules du phloème) Tissu de base  plusieurs fonctions dont photosynthèse et le support de la plante (cellules Chaque système est continuel photosynthétiques et cellules de support rigides) dans tout le corps de la cellule  tissu  organe  système  organisme plante. 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 8  Tissu Dermique (épiderme) Fine couche de cellules couvrant et protégeant toutes les surfaces de la plante. Couvre la surface de l’écorce, tige, et feuilles. Fonction:  Protection et prévention de perte de l’eau Tissu Vasculaire Le xylème transporte l'eau et les minerais dissous des racines jusqu’aux tiges, feuilles, et pousses (shoots). Le Phloème transporte des nutriments dissous et des hormones dans toutes les parties de la plantes. Fonction:  Transport de l'eau, des minerais, et de nourriture 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 9  Xylème et Phloème 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 10  Tissu Fondamentaux (Ground tissue) C'est le tissu qui n'est ni tissu dermiques ni tissu vasculaire. Fonctions: photosynthèses, stockage, et support. 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 11  Lieux des cellules:  Les cellules de méristématiques sont des cellules non spécialisées qui peuvent se diviser et différencier pour former les cellules spécialisées dans la structure de la plante.  Les Cellules palissadiques: Dans la feuille d’une plante, la couche de cellules remplies de chloroplastes  Les Stomates: sur le dessous d’une feuille d’une plante petits orifices qui laissent entrer et sortir l’eau, l’oxygène et le gaz carbonique  Les Cellules de garde: dans la feuille, les cellules qui entourent un stomate peuvent se dilater pour enfermer la stomate 12 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 13  5. Les organes des plantes cellule  tissu  organe  système  organisme 5.1. La feuille La feuille fournit une grande surface pour la photosynthèse (production de glucose)  excès de glucose est transformé en amidon et stocké. 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 14  Parties de la feuille A. cuticule : pellicule superficielle de la feuille. B. épiderme : protège la feuille, sécrète une cuticule cireuse qui réduit l’évaporation de l’eau à la surface de la feuille  cellules de l’épiderme ne réalisent pas la photosynthèse. C. parenchyme palissadique : cellules spécialisées pour effectuer la photosynthèse et la respiration cellulaire. D. parenchyme lacuneux : espace qui contient les gaz utilisés et produits par ces processus (vapeur d’eau, O2, CO2). E. faisceau vasculaire : formé du xylème et du phloème. F. Stomate : pore qui s’ouvre ou qui se ferme pour permettre la transpiration. 12/11/2023 15  5.2. La tige La tige supporte la plante et transporte l’eau, les nutriments et les sucres. Parties de la tige A. épiderme : couche externe de la tige. B. phloème : tubes qui transportent les sucres fabriqués dans les feuilles vers les autres cellules. Le mouvement dans le phloème est bidirectionnel; la direction dépend du besoin. C. cambium : méristème qui assure la croissance du diamètre de la tige. D. xylème : tubes qui transportent l’eau et les nutriments des racines vers la plante. Le xylème n’est pas vivant à maturité et est renforcé par la lignine, une substance qui permet à la plante de rester droite. E. moelle : partie centrale de la tige. F. écorce : partie qui protège la tige. 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 16  5.3. Les racines  ancrage de la plante dans le sol  absorption de l’eau et de minéraux  stockage d’amidon (ex. carotte, patate) – racine pivot  la racine principale qui est plus grosse que les autres, longue et épaisse, va chercher l’eau profondément dans le sol. – racines fibreuses  elles sont toutes à peu près la même taille, s’étendent horizontalement près de la surface du sol, stabilisent le sol et aident à prévenir l’érosion. 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 17  5.4. La fleur La fleur est l’organe reproducteur. Pistil : organe femelle Étamine : organe mâle 6. Les systèmes des plantes cellule  tissu  organe  système  organisme a. système foliacé : organes situés au-dessus du sol, cette partie inclut la tige, les feuilles et les fleurs. – transporte l’eau, les nutriments et les sucres – réalise la photosynthèse – supporte la plante 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 18 b. système racinaire (radiculaire): l’ensemble des racines d’une plante, généralement sous le sol. – absorbe l’eau et les minéraux du sol et les transporte vers la tige Les deux systèmes sont reliés par les faisceaux vasculaires de xylème et de phloème. 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 19 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 20  II. L’ABSORPTION DE L’EAU L’eau est une des substances essentielles à la survie de la plante Chez de nombreuses plantes terrestres, particulièrement les plantes herbacées, l’entrée d’eau se fait au niveau des poils absorbants localisés dans la zone sub- terminale des jeunes racines appelée zone pilifère. 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 21  Ils augmentent considérablement la surface de contact entre la plante et le milieu extérieur. Poils absorbants sur la racine d’une plante, les prolongements de cellules épidermiques individuelles l’eau pénètre ces poils par osmose Les tissus vasculaires relient le système radiculaire au système foliacé 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 22  III.LE TRANSPORT DE L’EAU L’eau parvient à monter des racines jusqu’au sommet d’un arbre grâce à deux mécanismes : 1. Effet de la pression de sève Augmentation des minéraux dans le xylème des racines pour favoriser l’absorption de l’eau par osmose. S’opère surtout la nuit et en sol très humide. 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 23  2. La transpiration Mécanisme selon lequel l’eau est aspirée par les racines et conduite aux parties de plante dans le xylème grâce à l’évaporation de vapeur d’eau au niveau des stomates. La cohésion et l’adhésion des molécules d’eau sont essentielles au processus. 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 24  IV.ABSORPTION DES SUBSTANCES DISSOUTES a. ABSORPTION DE SUBSTANCES DISSOUTES Analyser les expériences suivantes LES PLANTES ONT BESOIN DE SELS MINÉRAUX POUR S’ACCROÎTRE 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 25  b. LES BESOINS EN SELS MINÉRAUX DES PLANTES VERTES 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 26 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 27  V. DEVENIR DE L’EAU ET DES IONS Une coupe transversale, effectuée au niveau de la zone pilifère d’une jeune racine, montre l’existence de deux zones concentriques nettement distinctes : - écorce ou cortex - cylindre central ou endoderme où se trouvent les xylèmes conducteurs de la sève brute = eau + sels mineraux VI.CIRCULATION DE LA SEVE Le transit horizontal 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 28  Le transit vertical La poussée racinaire et l’ aspiration foliaire régulent le flux hydrique de la plante. La circulation des sèves La sève brute gagne principalement la circulation ascendante dans le xylème ; par le phénomène de photosynthèse, à partir de l’eau, les ions et le CO2 absorbés, les feuilles vertes fabriquent des substances organiques qui vont former avec l’eau la sève élaborée. La sève élaborée suit la circulation descendante dans l’organisme végétal via un tissu conducteur, le phloème 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 29  Le transport des nutriments Production et utilisation de la sève dans un érable 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 30  Le transport des nutriments L’été et l’automne : Les feuilles produisent du glucose grâce à la photosynthèse et à la respiration cellulaire. Le glucose est transformé en saccharose et transporté aux parties de la plante par le phloème. Le saccharose en excès est stocké sous forme d’amidon dans les racines. Début du printemps : L’amidon dans les racines est reconverti en saccharose. Le saccharose est acheminé dans le phloème vers les tiges pour nourrir la croissance des bourgeons. 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 31 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 32  LA Photosynthèse des eucaryotes Introduction La lumière permet, dans les parties chlorophylliennes des végétaux verts, la synthèse de matière organique à partir d’eau, de sels minéraux et de dioxyde de carbone. Les végétaux chlorophylliens convertissent donc l’énergie lumineuse en énergie chimique permettent de nombreuses réactions.  Comment certaines cellules peuvent-elles produire de la matière organique à partir de matière minérale et de lumière ? 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 33  I. Mise en évidence et conditions de la photosynthèse Ce protocole permet de localiser cellulairement la photosynthèse en repérant les lieux de stockage des molécules organiques sous forme d’amidon en décolorant les feuilles puis en les colorant à l’eau iodée. La coloration bleue-nuit qui révèle la présence d’amidon n’apparaît que dans les zones éclairées et dans les zones où la chlorophylle (qui donne la couleur verte) est présente 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 34  Conditions de la photosynthèse 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 35 En effet l’observation microscopique des feuilles d’élodées éclairées montre que cette synthèse d’amidon a lieu dans les chloroplastes, organites sièges de la photosynthèse. Ainsi l’équation bilan de la photosynthèse est : 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 36  II. Le chloroplaste, l’organite clé de la photosynthèse A. La structure du chloroplaste Thylakoïdes: sacs membranaires internes empilés en un granum (1) Espace intrathylakoïdien (2) (3) Membrane des thylakoïdes 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 37  Le chloroplaste est un organite vert qui se situe dans les cellules chlorophylliennes. Il y en a plusieurs par cellule, chaque chloroplaste mesure environ 10 micromètres. Un chloroplaste est délimité par une double membrane : une membrane externe et une membrane interne. L’intérieur de l’organite est rempli de stroma. Dans le stroma on peut observer des grains d’amidons et des sacs : les thylakoïdes qui peuvent être empilés et forment alors un granum. C’est dans les thylakoïdes que l’on retrouve la chlorophylle. C’est l’ensemble des pigments qui donnent la couleur verte aux végétaux. 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 38  B. Le rôle de la chlorophylle: Les pigments photosynthétiques 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 39  B. Le rôle de la chlorophylle: Les pigments photosynthétiques 1. Extraction des pigments chlorophylliens. 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 40 2. Mise en évidences des pigments chlorophylliens constituants la chlorophylle brute. 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 41 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 42 III.Le déroulement de la photosynthèse RAPPEL: LES SPECTRES. L’arc en ciel : spectre de la lumière blanche.  1. LA LUMIERE BLANCHE 1. 1. Spectre. Lumière = énergie électromagnétique ou rayonnement (ondes : perturbations des champs magnétiques et électriques) La lumière blanche est composée d’une infinité de couleurs dont les principales sont : rouge, orange, jaune, vert, bleu, violet. Photon = quantité d’énergie minimale transportée par ces ondes Spectre :  L’image de toutes les couleurs (radiations) constituant une lumière s’appelle un spectre.  1. 2. Longueur d’onde.  A chaque radiation, on associe une grandeur appelée longueur d’onde.  Longueur d’onde = distance qui sépare les crêtes des ondes électromagnétiques. L’ensemble forme le spectre électromagnétique La longueur d’onde est notée λ. Elle s’exprime en nm. VISIBLE 400nm 500nm 550nm 600nm 700nm 800nm ULTRA INFRA VIOLET ROUGE U.V. I.R.   LES RÉACTIONS PHOTOCHIMIQUES Les longueurs d’ondes comprises entre 380 et 720 nm forment la lumière visible: rayonnement qui alimente la photosynthèse 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED  2. LES SPECTRES D’ABSORPTION.  Le spectre d’absorption d’une substance est celui de la lumière obtenue après traversée de cette substance par la lumière blanche. 2.1 LES PIGMENTS CHLOROPHYLLIENS ET L’ABSORPTION DES RADIATIONS LUMINEUSES.  Les pigments absorbent beaucoup le bleu (450nm) et le rouge (650nm). Les pigments n’absorbent pas la longueur d’onde de 550nm, cela correspond au vert. C’est pourquoi les végétaux sont verts. 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED Spectre d’absorption = Graphique du % de lumière absorbée à différentes longueurs d’ondes 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 49 Spectre d’action = Graphique du rythme de photosynthèse à différentes longueurs d’ondes 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 50 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED  Le déroulement de la photosynthèse On distingue 2 phases dans le processus de la photosynthèse:  Une phase dite lumineuse qui est dépendante de la lumière: phase photochimique ou photodépendante  Une phase dite obscure pour laquelle la lumière n'est pas nécessaire: phase chimique 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED  A. Phase photochimique Étapes Absorption de la lumière Photolyse (indirecte ) de l'eau : H2O → 2 H+ + ½ O2 + 2 é Chaîne de transport d’Électrons Synthèse du NADPH2. Phosphorylation : ADP + P → ATP 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 54  1. Absorption de lumière C’est dans les thylakoïdes que l’on retrouve la chlorophylle. C’est le pigment qui donne la couleur verte aux végétaux. Ils contiennent des photosystèmes nécessaire à la phase photodépendante. La très grande surface des thylakoïdes permet beaucoup d'absorption de lumière et plusieurs réactions simultanées Leur petite cavité permet l'entreposage de proton (H+) et par chimiosmose la formation d'ATP, molécule fortement énergétique. 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 55 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED  2. Photolyse (indirecte) de l'eau La chlorophylle piège, excitée par l’énergie du rayonnement lumineux, perd un électron au profit d’une chaîne d’oxydoréduction localisée dans la membrane des thylakoïdes : la chaîne photosynthétique H2O → 2 H+ + ½ O2 + 2 é 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 57  Deux types de photosystèmes: Deux photosystèmes travaillent de concert pour utiliser l’énergie lumineuse et fabriquer du NADPH + H+ et de l’ATP :  le photosystème II (chlorophylle a P680)  le photosystème I (chlorophylle a P700), 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 58  Photosystème II: P680 ou PSII Absorbe la lumière à 680nm (en moyenne) et contient du chlorophylle a Hydrolyse de l’eau avec l’énergie des photons: Photophosphorylation: Photosystème I: P700 ou PSI Absorbe la lumière à 700 nm (en moyenne) et contient du chlorophylle a plus efficace possèdent la même molécule de chlorophylle a mais entourée de protéines différentes ---> longueur d’onde efficace différente 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED  Hydrolyse de l’eau avec l’énergie des photons:  les électrons + un ion d’hydrogène sont envoyés à une chaîne de transport.  L’ion d’hydrogène est pompé vers le stroma et réduit une molécule de NADP+ (NADP+ +H en NADPH) Photophosphorylation:  les ions d’hydrogène quittent l’espace intratylakoïdien passent par l’ATPsynthase et entre dans le stroma (à l’extérieur du tylakoïde mais à l’intérieur du chloroplaste) 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED  Absorption de l’énergie lumineuse et synthèse de NADPH Le transfert d’électrons du PSII vers le PSI s’accompagne d’un transport de protons du stroma vers la lumière du thylakoïde La dissipation du gradient de H+ libère de l’énergie utilisée par l’ATP synthase pour produire de l’ATP. BILAN L’énergie lumineuse captée par le Photosystème (pigments) est convertie en énergie chimique :  Transfert d’électrons et synthèse de NADPH  Gradient de H+ et synthèse d’ATP 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 61  B. Phase chimique Étapes Lieu : stroma Réactifs : ATP + (NADPH + H) + CO2 Produits : C6H12O6 (produit organique) ATP fournit l' énergie, NADPH a le pouvoir réducteur (donne des électrons) nécessaire pour la transformation et l'union du CO2 pour former du glucose. 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 62 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 64  1ère étape = fixation du carbone : 1 CO2 est attaché à un sucre à 5C (RuDP) par une enzyme appelée (RuDP carboxylase/oxygénase = Rubisco) ---> un sucre à 6C instable qui se scinde en 2 sucres à 3C (=3P-glycérate) 2ème étape = réduction : le 3P-glycérate reçoit un groupement phosphate de l’ATP et est ensuite réduit en recevant 2 e- du NADPH (un groupement carboxylique est réduit en aldéhyde). Une molécule de PGAL sort du cycle pour ensuite être transformé en divers produits (glucose, acides gras, acide aminé, sucrose, amidon...) 3ème étape = régénération de l’accepteur du CO2 (RuDP) : 5 PGAL (à 3C) sont réarrangés pour donner 3 RuDP (à 5C), nécessite 3 ATP ---> il faut 3 CO2 + 9 ATP + 6 NADPH pour faire 1 PGAL Produit net de la photosynthèse: 6 CO2 + 6 H20 + énergie lumineuse  C6H12O6 + 6 O2 Utilisation du Glucose (C6H12O6) Les cellules végétales peuvent l’utiliser pour:  la respiration cellulaire  transformation en amidon  formation de la cellulose  transformation en saccharose 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 12/11/2023 Pr MZIWIRA MOHAMED 66