Fiche explicative de la leçon: Hormones végétales Biologie • Troisième secondaire

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire l’importance des auxines dans la croissance et le développement des plantes et à expliquer leur action dans le phototropisme.

Lorsque nous pensons aux plantes, nous savons qu’elles poussent vers la lumière du soleil et qu’elles ont des racines qui poussent dans le sol pour les aider à absorber l’eau et les nutriments. Nous savons également que certaines plantes produisent des fruits et que ces fruits mûrissent et tombent au sol. Mais vous êtes-vous déjà demandé comment une plante remplit toutes ces fonctions ? Comment les plantes coordonnent-elles leurs différents systèmes d’organes pour croître, se développer et répondre aux stimuli ? Ces fonctions sont toutes contrôlées par des hormones végétales.

Les hormones sont des molécules, souvent appelées messagers chimiques, qui stimulent une certaine forme de changement dans un organisme. Chez les plantes, il existe plusieurs classes différentes d’hormones, qui remplissent un large éventail de fonctions, allant du changement de couleur des feuilles en automne au contrôle de l’ouverture et de la fermeture des stomates.

Contrairement aux hormones animales qui sont produites par des glandes spécifiques, les hormones végétales peuvent être produites par des cellules dans la plupart des parties de la plante, souvent dans les cellules en croissance. Pour atteindre les cellules cibles, les hormones peuvent diffuser localement, par gravité ou en circulant à travers les tissus de transport de la plante. Comme nous le verrons, certaines hormones ont des mécanismes de transport influencés par la lumière. Dans cette fiche explicative, nous examinerons un de ces groupes d’hormones végétales : les auxines.

Les auxines sont un groupe d’hormones qui ont de très nombreuses fonctions chez les plantes, y compris l’élongation cellulaire et le maintien de la dominance apicale, dont nous parlerons plus loin dans cette fiche explicative. Ces hormones sont généralement produites par les cellules aux extrémités des racines et des pousses.

Les auxines sont ainsi nommées d’après le mot grec auxein, qui signifie « grandir » ou « croître ». Les auxines jouent un rôle important dans la stimulation de la croissance directionnelle, qui correspond à la croissance d’une plante en direction ou à l’opposé d’un stimulus spécifique dans son environnement. Ce type de réponse de croissance est appelé tropisme.

Avez-vous déjà remarqué que si vous placez une plante en pot à côté d’une fenêtre, elle se penche naturellement vers la fenêtre pour absorber davantage de lumière solaire ? Ce type de réponse de la croissance est un exemple de phototropisme, et il aide les plantes à recevoir la lumière du soleil dont elles ont besoin pour effectuer la photosynthèse. Sur la figure 1, vous pouvez voir un bac de semis (jeunes pousses ou plantules) de tomates placé à côté d’une fenêtre. Vous pouvez voir que toutes les plantules sont penchées vers la fenêtre, et présentent donc un phototropisme.

Différentes parties d’une plante peuvent présenter un phototropisme différent. La figure 2 montre comment les racines et la tige d’une plante réagissent différemment à la lumière. Découvrons comment ces différentes réponses aident la plante à croître et à survivre.

Chez la plupart des plantes, les auxines permettent à la pousse qui se trouve dans l’air au-dessus du sol, de se pencher vers la lumière du soleil. C’est ce qu’on appelle le phototropisme positif. Comme vous pouvez le voir sur la figure 2, la lumière se projette d’un côté de la pousse, tandis que l’autre côté reste à l’ombre. Les auxines sont libérées de l’extrémité de la pousse. Au fur et à mesure qu’elles diffusent, elles passent du côté ensoleillé vers le côté ombragé de la pousse. Ceci est dû à des protéines spéciales (appelées phototropines) contenues dans le côté ensoleillé, qui sont activées par la lumière et stimulent le transport des auxines à l’opposé de cette zone. En conséquence, les cellules du côté ensoleillé ont moins d’auxines. Les cellules du côté ensoleillé sont beaucoup moins stimulées à s’allonger que les cellules du côté ombragé. Cette croissance asymétrique amène la pousse à se pencher vers la lumière.

Maintenant, comment les auxines fonctionnent-elles dans les racines ? Il est intéressant de noter que différentes concentrations d’auxine peuvent avoir des effets différents selon la partie de la plante. Par exemple, alors qu’une concentration élevée d’auxine dans les pousses des plantes peut favoriser l’élongation cellulaire, il se produit l’opposé dans les racines de certaines plantes. Une forte concentration en auxines dans les racines des plantes peut, en fait, inhiber la croissance des cellules radiculaires (racinaires).

Dans les racines, les auxines s’accumulent sur la face inférieure de la racine et à l’extrémité. À cette concentration élevée, les auxines inhibent la croissance de la face inférieure des racines, comme vous pouvez le voir sur la figure 2. En revanche, les cellules de la face supérieure de la racine peuvent se développer normalement. Il est à noter que la lumière n’est pas le seul stimulus qui influence la croissance des racines. La gravité est un deuxième stimulus qui affecte largement la direction de la croissance des racines, car elle aide les racines des plantes à pousser vers le bas, dans la direction de l’attraction gravitationnelle. Ce type de tropisme est appelé géotropisme ou gravitropisme.

Cependant, la gravité n’est pas essentielle pour l’orientation des racines. Vous vous demandez peut-être ce qui arrive aux plantes dans l’espace ? Eh bien, les astronautes ont observé que même dans l’espace, en l’absence de gravité, les racines des plantes présentent une croissance directionnelle. Leurs racines croissent en s’éloignant de la source lumineuse. C’est ce qu’on appelle le phototropisme négatif.

Voyons à quoi il sert. Comme les racines n’effectuent pas la photosynthèse, elles n’ont pas besoin de croître vers une source de lumière. En fait, comme la fonction première des racines est de s’enfouir dans le sol pour absorber l’eau et les minéraux, elles poussent toujours loin de la source lumineuse pour s’enfoncer plus profondément dans le sol.

Exemple 1: Comprendre les effets de différentes concentrations d’auxine sur différents organes végétaux

À des concentrations élevées, quel effet les auxines ont-elles sur les cellules radiculaires ? 

1. Les auxines inhibent l’élongation cellulaire et la croissance de la racine.
2. Les auxines stimulent l’élongation cellulaire et la croissance de la racine.
3. Les auxines n’ont aucun effet sur la croissance des cellules radiculaires.

Réponse

Les auxines sont un type d’hormones végétales impliquées dans plusieurs fonctions de la plante, y compris la croissance, le développement et la production de fruits et de fleurs. Les auxines sont également responsables du tropisme, qui est une réponse de croissance à un stimulus. Un type de tropisme communément observé est le phototropisme, dans lequel une plante réagit à la lumière en se développant vers ou loin de la source lumineuse.

Au-dessus du sol, la pousse d’une plante répond à la lumière en poussant en direction de la source lumineuse. Les auxines jouent un rôle majeur dans la croissance. Dans les pousses, des concentrations élevées d’auxine provoquent une croissance accélérée. En réponse à la lumière du soleil, les auxines stimulent la pousse d’une plante à croître de manière asymétrique, lui permettant de se pencher vers la lumière du soleil afin qu’elle obtienne davantage de lumière pour la photosynthèse.

Les racines d’une plante, cependant, ne nécessitent pas de lumière solaire, car elles ne réalisent pas la photosynthèse. Dans les racines, les auxines ont l’effet opposé : une concentration élevée d’auxine inhibe l’élongation cellulaire et la croissance des cellules. En réponse à la lumière du soleil, les auxines s’accumulent de manière asymétrique dans les racines. Cela inhibe la croissance et l’élongation cellulaire d’un côté de la racine, comme vous pouvez le voir sur la figure ci-dessous. En raison de cette croissance asymétrique, la racine s’éloigne de la lumière du soleil et s’enfonce plus profondément dans le sol, où elle peut absorber l’eau et les nutriments dont la plante a besoin.

La bonne option est, par conséquent, que les auxines inhibent la croissance et l’élongation cellulaire des racines.

Maintenant que nous avons examiné certaines fonctions générales des auxines, examinons un exemple spécifique d’auxine. L’acide indole-3-acétique, ou AIA, est un type d’auxine produite principalement dans les cellules du bourgeon apical d’une plante. Le bourgeon apical est le bourgeon supérieur de la plante situé à l’extrémité de la tige, qui entraine la croissance des pousses vers le haut, comme vous pouvez le voir sur la figure 4. L’AIA est responsable de la régulation de la division et de l’élongation cellulaire nécessaires à la croissance de la plante.

Une fonction intéressante de l’AIA est de maintenir la dominance apicale. Voyons ce que ce terme signifie. Avez-vous déjà remarqué que la plupart des plantes ont tendance à croître plus vers le haut que sur les côtés ou en latéral ? Cela les aide à devenir plus hautes et à être plus exposées à la lumière du soleil, dont elles ont besoin pour la photosynthèse. C’est ce qu’on appelle la dominance apicale. Le bourgeon apical (ou bourgeon terminal) au sommet de la tige pousse verticalement vers le haut, tandis que les bourgeons latéraux (ou bourgeons axillaires) sur les côtés de la tige sont indirectement réprimés. Sur la figure 3, on peut voir un pin à dominance apicale : sa hauteur est supérieure à sa largeur. Dans les forêts denses, les arbres rivalisent pour l’accès à la lumière du soleil en devenant plus grand. C’est ainsi que la dominance apicale peut être bénéfique pour la survie d’une plante.

Comme nous l’avons appris, les cellules du bourgeon apical d’une plante produisent de grandes quantités d’AIA. Cet AIA diffuse ensuite le long de la pousse et s’accumule dans les nœuds entre les bourgeons latéraux, comme vous pouvez le voir sur la figure 4. On pense que cela inhibe la croissance latérale en déviant les sucres ou les glucides nécessaires à la croissance, depuis les bourgeons latéraux et vers le bourgeon apical. Il en résulte une dominance apicale, car les bourgeons latéraux ne reçoivent pas suffisamment de sucre pour se développer, alors que le bourgeon apical est incité à croître avec l’apport de sucres essentiels.

Une simple expérience peut prouver que le bourgeon apical est responsable de la production de cette hormone. Lorsque l’extrémité de la pousse est retirée, comme indiqué sur la figure, et que nous laissons la plante grandir, la croissance latérale n’est plus inhibée, et ses bougeons commencent à pousser, comme vous pouvez le voir sur la figure 5.

En plus de leur rôle dans le contrôle de la croissance et du tropisme, ainsi que dans le maintien de la dominance apicale, les auxines ont une grande variété d’autres fonctions. Ces hormones sont essentielles à la croissance et au développement des fruits et des fleurs, et elles agissent même avec d’autres hormones végétales pour favoriser la chute des feuilles à l’automne et la maturation des fruits.

Exemple 2: Identifier la zone de production des auxines dans une plante

Où trouve-t-on dans une plante les concentrations d’auxine les plus élevées ? 

1. dans les cellules de garde des stomates
2. dans la paroi du xylème
3. au bout de la tige
4. dans le pollen des fleurs

Réponse

Les auxines sont un type d’hormones végétales impliquées dans plusieurs fonctions végétales, notamment la croissance, le développement et la formation des fruits et des fleurs. L’une des fonctions principales des auxines, en particulier de l’acide indole-3-acétique (AIA), est de maintenir la dominance apicale.

L’AIA est principalement produite par le bourgeon apical, c’est à dire le bourgeon à l’extrémité de la tige d’une pousse. Cette hormone favorise la croissance ascendante de la plante tout en supprimant la croissance latérale. L’AIA produite par le bourgeon apical diffuse le long de la tige et inhibe la croissance des bourgeons latéraux. Pour ce faire, il est communément admis que l’AIA détourne les glucides (hydrates de carbone) des bourgeons latéraux vers le bourgeon apical de la plante.

Par conséquent, la bonne réponse est, que les concentrations les plus élevées d’auxine se trouvent dans le bout de la tige.

De nombreuses expériences ont été menées pour étudier les effets des hormones sur les réponses des plantes. En fait, la majorité de ces expériences sont tellement simples que vous pouvez les réaliser vous-même. En 1880, Charles Darwin et son fils, Francis Darwin, ont mené des expériences sur le phototropisme dans les coléoptiles. Un coléoptile est une gaine protégeant l’extrémité d’une jeune pousse d’une plante herbacée, comme vous pouvez le voir sur la figure 6.

Lorsque la plante est exposée à la lumière provenant d’une seule direction, les Darwin ont observé que la tige de la plante se penchait vers la lumière, comme vous pouvez le voir dans l’expérience contrôle illustrée à la figure 7. Ils ont ensuite couvert l’extrémité de la tige avec du papier d’aluminium et ont constaté que les pousses ne présentaient aucune réponse de croissance à la lumière. Cependant, quand ils ont couvert le reste de la plante avec du papier d’aluminium en laissant l’extrémité exposée, ils ont observé que la tige se penchait toujours vers la lumière. Cette expérience, qui est résumée sur la figure 7, a clairement démontré que l’extrémité du coléoptile est responsable du contrôle de la croissance en réponse à un stimulus lumineux.

Un autre scientifique, Boysen-Jensen, s’est appuyé sur les conclusions de Darwin pour mener des études plus poussées en 1913. Regardons ses expériences et analysons ses conclusions.

Dans son expérience, Boysen-Jensen a coupé l’extrémité d’une pousse et a placé une fine couche d’agar ou de gélatine sur la pousse coupée. Il a ensuite replacé l’extrémité de la pousse au-dessus de cette couche, créant une séparation entre l’extrémité et le reste de la plante. Les substances hydrosolubles sont capables de diffuser à travers l’agar et la gélatine.

Dans une autre plante, Boysen-Jensen a créé une séparation similaire entre l’extrémité et le reste de la plante, mais cette fois, en utilisant du beurre de cacao à la place de l’agar ou de la gélatine. Le beurre de cacao ne permet la diffusion que de substances liposolubles.

Lorsque ces deux plantes ont été exposées à la lumière du soleil, Boysen-Jensen a observé que la plante avec le bloc d’agar ou de gélatine poussait vers la lumière, tandis que la plante avec la couche de beurre de cacao ne montrait aucune réponse de croissance, comme le montre la figure 8. Il n’a également observé aucune croissance quand il a utilisé une feuille de mica au lieu d’une couche de beurre de cacao.

Savez-vous ce que cela signifie ? Cette expérience a montré que la substance responsable du contrôle de la réponse de croissance directionnelle d’une plante vers lumière du soleil est une molécule hydrosoluble produite par l’extrémité de la pousse qui doit diffuser le long de la plante.

En 1928, un autre biologiste appelé Went a approfondi les expériences de Boysen-Jensen avec l’agar. Vous pouvez voir une représentation de sa première expérience sur la figure 9.

Went a préparé un bloc d’agar et y a placé l’extrémité coupée d’un coléoptile. Il a laissé l’échantillon sans y toucher pendant une heure. Il a ensuite retiré l’extrémité et a placé seulement l’agar sur le dessus de la pousse coupée et a laissé ce montage dans une chambre noire. Il a observé que, même en l’absence de l’extrémité de la pousse, la plante poussait directement vers le haut.

Voyons ce qui explique ce phénomène. En plaçant l’extrémité de la pousse dans l’agar pendant une heure, Went a permis à une substance de diffuser hors de l’extrémité et dans l’agar. Lorsque cet agar enrichi est ensuite placé au-dessus de la pousse coupée, cette substance passe de l’agar à la pousse, ce qui la fait croître.

Went a ensuite pris un autre morceau de cet agar enrichi et l’a placé de telle manière qu’il ne couvre que le côté de la tige, comme le montre la figure 10. Dans ce cas, il a remarqué que la plante se courbait en direction opposée au côté sur lequel l’agar était placé, même s’il n’y avait pas de lumière ou tout autre type de stimulus qui aurait pu provoquer cette réponse. Une fois encore, ceci a démontré qu’un produit chimique venant de l’agar provoquait une réponse de croissance plus importante là où il était plus fortement concentré. Cette expérience, ainsi que celles menées par les Darwin et Boysen-Jensen, ont fourni les preuves irréfutables qu’une hormone végétale hydrosoluble produite par la l’extrémité de la pousse, une auxine, est responsable du contrôle de la croissance ascendante et de la croissance en réponse aux stimuli lumineux.

Passons en revue certains des points importants que nous avons abordés dans cette fiche explicative.