Fiche explicative de la leçon: Cellules végétales spécialisées Biologie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire la structure et la fonction des structures végétales spécialisées.

De nombreuses espèces de plantes sont des organismes complexes et multicellulaires. Avec plus de 390‎ ‎000 espèces de plantes dans le monde, elles sont incroyablement diverses et intéressantes ! Toutes les plantes sont composées de cellules spécialisées qui jouent un rôle particulier et agissent ensemble pour que la plante reste en vie et soit fonctionnelle. Elles nous sont essentielles, car sans les plantes et leur capacité à produire de l’oxygène, nous ne pourrions pas survivre ! 

Le règne Végétal comprend un large éventail d'organismes, notamment des plantes à fleurs comme le plant de tomate illustré à la figure 1, des arbres comme les séquoias géants et même de petites plantes non florifères comme la mousse ! Comme les animaux, les plantes contiennent aussi des organes. Les organes sont définis comme des structures qui sont constituées de plusieurs tissus spécialisés. Les principaux organes d’une plante à fleurs, comme le plant de tomate, sont les racines, la tige et les feuilles, comme le montre la figure 1.

Outre les cellules spécialisées présentes dans les plantes, celles-ci contiennent également des zones de cellules souches non spécialisées appelées cellules du méristème. Les plantes sont des organismes particulièrement intéressants, car elles ont tendance à conserver ces cellules non spécialisées pendant toute leur vie, ce qui leur permet de continuer à croître tant qu’elles sont dans des conditions favorables ! Cette croissance est due aux cellules du méristème pouvant se diviser rapidement, qui sont capables de se spécialiser en n’importe quel type de cellule végétale. Les cellules du méristème sont situées à l’extrémité des racines et des pousses, car ce sont les régions où la croissance des plantes est la plus importante.

Regardons quelques-unes des cellules spécialisées présentes dans les plantes, en commençant par le bas.

Les racines d’une plante sont cruciales pour l’approvisionnement des substances capitales à la plante, telles que des minéraux essentiels et de l’eau. Les racines elles-mêmes sont de longs organes ramifiés de la plante qui se répandent dans le sol environnant. Les racines possèdent des poils racinaires, des cellules hautement spécialisées qui absorbent l’eau et les minéraux. La figure 2 montre la structure générale d'une racine ramifiée et d'une cellule de poil racinaire.

Regardons de plus près les adaptations des poils racinaires.

Les cellules de poil racinaire, comme nous le voyons sur la figure 2, ont de longs prolongements qui s’étalent dans le sol. C’est une adaptation qui permet d’augmenter la surface de la cellule, ce qui augmente la quantité d’eau et de minéraux que la cellule peut absorber du sol. Les poils racinaires aident également à ancrer la plante dans le sol, en fixant la plante au sol par une plus grande pénétration des racines.

Certains des minéraux dont la plante a besoin devront être activement transportés dans la cellule. Ainsi, la cellule de poil racinaire contient de nombreuses mitochondries, qui fournissent l’énergie nécessaire à cette opération. Il est intéressant de noter que les poils racinaires sont continuellement remplacés par la plante et ne survivent pas plus de quelques jours ou semaines ! 

Par rapport aux autres cellules végétales, les poils racinaires ont une paroi mince. Cela signifie que l’eau se déplace plus facilement du sol vers la cellule, comme indiqué sur la figure 2. L’un des principaux composants de ces parois cellulaires, la cellulose, permet le mouvement de l’eau et des minéraux. Les autres polymères qui composent les parois cellulaires, comme la lignine ou la cutine, ne le permettent pas. L’eau est absorbée par la cellule de poil racinaire grâce à un processus appelé imbibition. Une imbibition se produit lorsque les particules solides de la paroi du poil racinaire absorbent l’eau, gonflent et augmentent leur volume. Les poils racinaires sont recouverts d’une fine couche qui possède une forte attraction sur les molécules d’eau, ce qui incite l’eau à pénétrer dans les parois cellulaires des cellules de poil racinaire par imbibition. Les molécules d’eau sont capables de passer à travers les espaces de la membrane semi-perméable par osmose.

Les poils racinaires ont une grande vacuole ; un « sac » rempli de liquide qui aide à maintenir la forme et la structure. La vacuole a également une grande concentration de solutés, ce qui favorise le mouvement de l’eau depuis les parois cellulaires vers la vacuole par osmose. En raison de la présence d’une grande concentration de solutés dissous, la vacuole a un potentiel hydrique faible. Le mouvement de l’eau du sol vers la cellule de poil racinaire est illustré à la figure 3.

La figure 3 montre comment l'eau passe du sol à la vacuole d'une cellule de poil racinaire par osmose. L’osmose est le mouvement de l’eau d’une faible concentration de solutés (où il y a une forte concentration d’eau) vers une forte concentration de solutés (où il y a une faible concentration d’eau). L’osmose est un processus passif, ce qui signifie qu’elle ne nécessite pas d’énergie. Lorsque la concentration de solutés augmente, la « pression osmotique » qui provoque le mouvement de l’eau augmente également.

Généralement, des molécules plus petites, comme l’eau et les sels, peuvent passer à travers les membranes, mais les grandes substances, comme les sucres et les protéines, ne le peuvent pas. En permettant à certaines molécules de traverser et en empêchant d’autres de le faire, les membranes cellulaires sont dites semi-perméables ou à perméabilité sélective.

Exemple 1: Rappeler les adaptations d’une cellule de poil racinaire

Lequel des éléments suivants n’est pas une adaptation pour la fonction des poils racinaires ? 

1. Ils ont des parois minces pour permettre à l’eau et aux minéraux de pénétrer dans la cellule.
2. Ils sont nombreux pour augmenter l’absorption d’eau et de minéraux.
3. Ils contiennent de nombreux chloroplastes qui réalisent la photosynthèse et fournissent du glucose à la racine.
4. Ils ont un faible potentiel hydrique à l'intérieur de leur vacuole pour favoriser l’entrée d'eau.

Réponse

Les poils racinaires sont des cellules hautement spécialisées présentes dans la racine d’une plante. Ils ont de multiples adaptations pour les aider à remplir leur fonction principale, à savoir absorber l’eau et les minéraux du sol environnant pour maintenir la plante en vie et en bonne santé.

Par rapport aux autres cellules végétales, les parois cellulaires du poil racinaire sont relativement minces. Cela permet à l’eau et aux minéraux de se déplacer facilement à travers la paroi cellulaire puis la membrane semi-perméable. Sur l’image, nous avons agrandi une cellule de poil racinaire individuelle. Les racines contiennent de très nombreuses cellules de poil racinaire pour leur permettre d'absorber le maximum d'eau possible.

La vacuole dans le poil racinaire est un sac rempli de liquide. Ce liquide contient une forte concentration de solutés, tels que des sels et des sucres, dissous dans celui-ci. Comme il a une concentration élevée de solutés par rapport à sa concentration en eau, on dit qu'il a un faible potentiel hydrique. Autrement dit, cela facilitera l’entrée d’eau dans la vacuole.

Les cellules de poil racinaire contiennent de nombreuses mitochondries, qui sont le site de la respiration cellulaire. La respiration cellulaire décompose les composés contenant du carbone tels que le glucose pour produire l’énergie que les poils racinaires peuvent utiliser (par exemple, pour transporter des ions et des molécules du sol vers les racines).

Cependant, contrairement à beaucoup d’autres cellules végétales, les cellules de poil racinaire ne contiennent pas de chloroplastes. Les chloroplastes sont le site de la photosynthèse, qui est le processus qui utilise l’énergie lumineuse pour produire du glucose dans la plante. Comme ils sont sous terre, la lumière n’atteint pas les poils racinaires, les chloroplastes ne pourraient donc pas remplir leur fonction principale de photosynthèse.

Par conséquent, la seule réponse qui n’est pas une adaptation d’un poil racinaire est qu’il contient de nombreux chloroplastes qui réalisent la photosynthèse et fournissent du glucose à la racine.

Les cellules de poil racinaire absorbent l’eau et les minéraux du sol, mais qu’arrive-t-il ensuite à l’eau et aux minéraux ? Pour répondre à cette question, nous devons nous intéresser au haut de la plante et examiner les structures végétales spécialisées à l'intérieur de la tige.

La majorité des plantes que vous connaissez peut-être (par exemple, les roses, les jonquilles et toutes les espèces d’arbres) sont des plantes vasculaires. Cela signifie qu’elles contiennent un tissu vasculaire spécialisé, qui est principalement utilisé pour le transport de substances. Les deux tissus vasculaires que nous allons examiner ici sont le xylème et le phloème.

Les tissus du xylème dans les plantes sont constitués majoritairement de cellules mortes. Il existe deux types de cellules qui composent les vaisseaux du xylème, appelées trachéides et les éléments / membres des vaisseaux. Ces cellules forment des tubes continus à parois épaisses qui longent la tige d’une plante. Le rôle du tissu xylème est de transporter l’eau et les minéraux à travers la plante. Cela se produit dans une seule direction ascendante, des racines aux feuilles.

Les tissus du phloème des plantes sont constitués principalement de cellules vivantes, notamment de tubes criblés qui se rejoignent bout à bout avec des pores entre eux pour permettre le mouvement des substances. Ces pores dans les parois des extrémités de chaque élément du tube criblé sont appelés parois criblées. Les éléments du tube criblé sont reliés aux cellules compagnes. Les cellules compagnes sont hautement spécialisées pour fournir aux tubes criblés l'énergie nécessaire au transport, grâce aux nombreuses mitochondries qu’elles contiennent.

Le rôle du tissu phloème est de transporter les produits de la photosynthèse (par exemple, les sucres dissous comme le saccharose, les acides aminés) à travers la plante. Généralement, le phloème transporte ces substances dissoutes vers toutes les parties de la plante à partir des zones qui réalisent la photosynthèse, comme les feuilles. Il est particulièrement important de transporter les sucres vers les parties non photosynthétiques de la plante, comme les racines, car elles ne pourront pas fabriquer leurs propres sucres mais en auront toujours besoin. Par conséquent, contrairement au transport dans le xylème, ce transport est bidirectionnel ; cela signifie qu’il se produit dans les deux sens, des feuilles au reste de la plante et du reste de la plante aux feuilles.

La structure des vaisseaux du xylème et du phloème est comparée dans la figure 4.

Exemple 2: Décrire la fonction des cellules du tissu phloème

Quelle est la fonction principale des cellules compagnes dans le phloème ? 

1. fournir des chloroplastes pour que le taux de photosynthèse soit maximal
2. maximiser la surface disponible pour la diffusion des gaz
3. connecter le xylème et le phloème pour l’échange de substances
4. fournir de l’énergie pour le transport des substances dans le phloème

Réponse

Le phloème est un tissu végétal spécialisé, et sa fonction principale est de transporter les sucres et les acides aminés à travers la plante. Le transport des sucres par le phloème est « bidirectionnel », ce qui signifie qu’il va dans les deux sens entre les feuilles et le reste de la plante. Le phloème est en grande partie composé d’éléments du tube criblé, qui sont des cellules vivantes allongées. Ces cellules présentent des pores ou des perforations dans les parois cellulaires terminales, qui permettent aux substances de les traverser lorsque les cellules sont jointes bout à bout. Elles sont également connectées aux cellules compagnes.

Le transport de sucres dans le phloème nécessite de l’énergie. Dans les cellules végétales et animales, l’énergie est fournie par un processus appelé respiration cellulaire. La respiration cellulaire a lieu dans des organites appelées mitochondries, qui décomposent des composés contenant du carbone tels que le glucose dans une série de réactions chimiques pour produire de l’énergie. Les éléments du tube criblé ne contiennent pas de mitochondries, contrairement aux cellules compagnes. Les cellules compagnes effectuent donc la respiration cellulaire et fournissent l’énergie nécessaire au phloème pour transporter les sucres aux parties de la plante qui en demandent.

Par conséquent, la fonction principale des cellules compagnes dans le phloème est de fournir de l’énergie pour le transport de substances dans le phloème.

Les tissus du xylème et du phloème se prolongent tous les deux dans la feuille, où l'on trouve de nombreuses autres cellules végétales spécialisées ! Examinons la coupe transversale d'une feuille, illustrée à la figure 5, pour mieux comprendre sa structure.

Les plantes sont bien adaptées pour effectuer la photosynthèse, car elles contiennent de nombreux chloroplastes. Les chloroplastes sont des organites qui contiennent le pigment vert chlorophylle et se trouvent dans la majorité des feuilles des plantes ; le pigment chlorophylle est responsable de la couleur verte de ces feuilles ! La chlorophylle dans chaque chloroplaste est spécifiquement adaptée pour capter et absorber la lumière du soleil. Cela permet au chloroplaste de remplir sa fonction principale, à savoir la photosynthèse.

Lors de la photosynthèse, les plantes absorbent le dioxyde de carbone de l’environnement et l’eau du sol et les transforment en sucres, tels que le glucose, et en oxygène, par une série de réactions métaboliques. Le glucose est un glucide qui peut être décomposé lors de la respiration cellulaire pour fournir de l'énergie à la plante et constitue donc un élément majeur de la nutrition végétale. L’oxygène peut également être utilisé par la plante dans la respiration cellulaire ou libéré dans l’atmosphère.

La feuille est recouverte d’une couche imperméable appelée la cuticule cireuse. Cela minimise la perte d’eau de la plante par évaporation à travers la feuille. On l’appelle la cuticule car elle contient une substance hydrofuge appelée cutine.

Cette cutine qui forme la cuticule cireuse est produite et sécrétée par des cellules situées juste au-dessous de la cuticule dans une couche appelée l’épiderme. Vous avez peut-être déjà entendu parler du terme épiderme, car la couche superficielle de notre peau s’appelle aussi l’épiderme ! Tout comme notre peau, l’épiderme des plantes est une couche de cellules qui agit comme une barrière protectrice de la plante. Les feuilles des plantes ont un épiderme supérieur et un épiderme inférieur. Les cellules de l'épiderme sont dépourvues de chloroplastes et ne contiennent donc pas de chlorophylle. Cela signifie que l’épiderme est transparent. Cette transparence est particulièrement importante pour l’épiderme supérieur, car elle permet aux cellules situées en dessous d’accéder à davantage de lumière pour la photosynthèse.

Il y a à l’intérieur de la feuille deux couches de mésophylle : la couche du mésophylle palissadique et la couche du mésophylle spongieux. Ces couches sont un ensemble de cellules et de tissus spécialisés du parenchyme qui se situent entre les couches supérieure et inférieure de l’épiderme.

La couche palissadique est constituée de cellules longues et cylindriques. La principale fonction de ces cellules est d'effectuer la photosynthèse pour la plante, qui est la façon dont les plantes se nourrissent. De nombreuses cellules qui contiennent un grand nombre de chloroplastes sont situées près du sommet de la feuille, afin de capter le maximum de lumière solaire.

Les cellules du mésophylle spongieux peuvent contenir des chloroplastes, mais elles en auront moins que dans les cellules du mésophylle palissadique car la couche du mésophylle spongieux est située plus bas dans la feuille et est donc moins exposée à la lumière. La couche du mésophylle spongieux est également adaptée pour favoriser la photosynthèse de la feuille, mais d’une manière différente. Les cellules du mésophylle spongieux sont de forme plus irrégulière et sont largement espacées. Cette adaptation permet un transport et un échange gazeux efficaces (par exemple, de l’oxygène pour la respiration et du dioxyde de carbone pour la photosynthèse).

Les petites ouvertures que l'on voit sur la face inférieure de la feuille sont des stomates. La figure 6 fournit un schéma des stomates situés sous la feuille, lorsqu’ils sont ouverts ou fermés.

L’ouverture et la fermeture des stomates sont contrôlées par les cellules de garde voisines. Lorsque les cellules de garde sont « flasques », ce qui signifie qu’elles ne sont pas pleines d’eau de sorte que le contenu des cellules se rétrécit, les stomates s’ouvrent pour permettre l’échange gazeux avec l’environnement. Cela permet à la plante d’absorber du dioxyde de carbone pour la photosynthèse et de libérer l’oxygène qu’elle produit. Cependant, lorsque les stomates sont ouverts, ils permettent également à la vapeur d’eau de diffuser à partir de la feuille. Pour éviter de perdre trop d’eau, les stomates peuvent se fermer par les cellules de garde environnantes. Pour ce faire, les cellules de garde deviennent turgescentes en absorbant l’eau et « enflent », ce qui réduit l’écart entre elles. Cette réponse est particulièrement utile en période de pénurie d’eau, ou pendant la nuit lorsque la photosynthèse ne peut avoir lieu.

Résumons ce que nous avons appris dans cette fiche explicative.