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).

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

Chapitre - La plante, productrice de matière organique

I – Le rôle des pigments lors de la photosynthèse

A – Le chloroplaste, siège 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.

B – Les pigments photosynthétiques et leur localisation

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.

C – Les différents pigments identifiés

La chromatographie permet de distinguer les pigments suivants : chlorophylles a et b, xanthophylles et carotènes.

D – Relation entre absorption et activité photosynthétique

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

A – La réaction globale

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

B – Le devenir des réactifs

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.

C – La photolyse de l’eau et la réduction du CO₂

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.

D – La production d’amidon et la diversité moléculaire

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

1. Composition et rôle de la lignine

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.

2. Origine et synthèse de la lignine

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

1. Composition et formation de la paroi

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.

2. Transport de la sève élaborée

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.

3. Distribution et croissance

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

1. Localisation du stockage

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.

2. Nature des réserves et transformations

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.

3. Rôle des réserves

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

1. Les interactions mutualistes

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.

2. Les interactions compétitives

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.

3. Le stockage des molécules

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…).

Chapitre - La plante, productrice de matière organique

I – Le rôle des pigments lors de la photosynthèse

A – Le chloroplaste, siège de la photosynthèse

• Le chloroplaste est un organite des cellules végétales.

• Il réalise la photosynthèse et produit de l’amidon à la lumière.

B – Pigments photosynthétiques et localisation

• L’énergie lumineuse est absorbée par des pigments.

• Chaque pigment absorbe des longueurs d’onde différentes.

• Les pigments sont localisés dans les thylakoïdes du chloroplaste.

C – Différents pigments identifiés

• Par chromatographie, on distingue :

• → Chlorophylle a et b, xanthophylles, carotènes.

D – Absorption et activité photosynthétique

• La courbe d’absorption de la lumière et celle de l’activité photosynthétique sont corrélées.

• Les pigments absorbent la lumière et la transforment en énergie chimique utilisée pour produire des molécules organiques.

II – Les réactions chimiques lors de la photosynthèse

A – Réaction globale

6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

CO₂ + eau → glucose + dioxygène (en présence de lumière).

B – Devenir des réactifs

• L’oxygène produit provient de l’eau oxydée.

• Cette réaction nécessite de la lumière.

C – Photolyse de l’eau et réduction du CO₂

• Photolyse de l’eau : l’énergie lumineuse libère des électrons.

• Ces électrons servent à réduire le CO₂ en glucose.

• La réduction du CO₂ ne nécessite pas directement la lumière.

D – Production d’amidon et diversité moléculaire

• Les enzymes du chloroplaste transforment le glucose en amidon.

• Le carbone du CO₂ entre dans diverses molécules organiques.

→ La photosynthèse crée une grande diversité moléculaire.

III – Fonctions biologiques des métabolites produits

A – La lignine et le xylème

1 - Composition et rôle

• Paroi du xylème riche en lignine, molécule rigide et imperméable.

• Permet le transport de l’eau et le soutien de la plante.

2 - Origine et synthèse

• Lignine synthétisée à partir de la phénylalanine (produit de la photosynthèse).

• Formation grâce à des enzymes spécifiques.

B – La cellulose et le phloème

1 - Composition et rôle

• Paroi du phloème composée de cellulose, formée à partir du glucose.

• Assure le transport de la sève élaborée, riche en produits de la photosynthèse (saccharose, glucose).

• Ces produits sont distribués à toutes les cellules, permettant la croissance et le fonctionnement de la plante.

2 - Origine et synthèse

• Cellulose synthétisée grâce à l’enzyme cellulose synthase (dans la membrane cellulaire).

• Le saccharose de la sève élaborée est transformé en glucose par la saccharase.

C – Les molécules de réserve

1 - Localisation du stockage

• Réserves dans tiges, racines, feuilles, fruits, graines.

2 - Nature des réserves

• Production de saccharose, amidon, protéines, lipides.

• Synthèse grâce à des enzymes spécifiques.

3 - Rôle

• Permet de résister aux conditions défavorables

• ou d’assurer la reproduction (graines, embryon).

D – Les molécules d’interaction

1 - Interactions mutualistes

• Anthocyanes : attirent les insectes pollinisateurs ou les animaux disséminateurs.

→ Bénéfice pour les deux espèces (plante + animal).

2 - Interactions compétitives

• Tanins : goût amer, effet digestif → repoussent les phytophages.

• Physiologiste végétal / Chercheur·e en biologie végétale (Bac+8 minimum) : il étudie le fonctionnement interne des plantes, notamment les processus de photosynthèse, de production et de transport des molécules organiques. En observant le rôle des pigments, des enzymes et des vaisseaux conducteurs, il cherche à comprendre comment les végétaux transforment l’énergie lumineuse en matière et comment optimiser leur croissance face aux changements environnementaux.

• Ingénieur·e agronome spécialisé·e en biotechnologies végétales (Bac+5 minimum) : il met à profit la connaissance des mécanismes de la photosynthèse et de la production de métabolites pour améliorer les rendements agricoles, créer de nouvelles variétés de plantes ou produire des substances d’intérêt (molécules aromatiques, huiles, protéines). Il peut aussi travailler sur la résistance des cultures à la sécheresse ou sur la réduction de l’usage d’intrants chimiques.

• Technicien·ne en production et valorisation des plantes (Bac à Bac+3 minimum) : il participe à la culture, à la sélection et à la transformation des végétaux pour des usages agricoles, alimentaires, pharmaceutiques ou cosmétiques. En maîtrisant les notions de photosynthèse, de transport de la sève et de production de réserves, il contribue à exploiter durablement les ressources végétales tout en respectant l’environnement.

Quiz de révision

• Peut-on “booster” la photosynthèse grâce au génie génétique pour nourrir la planète ?

• Pourquoi les plantes ne sont-elles pas toutes vertes ?

• Peut-on utiliser les pigments végétaux comme source d’énergie ou de matériaux (colorants naturels, capteurs solaires biologiques) ?

• Les produits de la photosynthèse sont-ils la base de toutes les chaînes alimentaires ?

• Peut-on exploiter la lignine ou la cellulose comme alternative durable au plastique ?

• Les molécules de défense des plantes peuvent-elles inspirer de nouveaux médicaments ?