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Dans cette vidéo, nous explorerons les différences entre le soutien physiologique et le soutien structurel chez les plantes. Nous allons voir quelques exemples de ces différents types de soutien et en quoi ils peuvent être bénéfiques à la survie d’une plante.
Avez-vous déjà remarqué que si un petit pois roule sous le réfrigérateur de la cuisine et que vous le trouvez des mois plus tard, il sera ridé, rétréci et sec? Si vous essayez de mettre le même petit pois dans un verre d’eau, il reprendra rapidement sa taille initiale, bien qu’à ce stade le manger ne soit pas une bonne idée. Le rétrécissement et le gonflement du pois sont dus à la perte ou à l’apport d’eau dans ses cellules. Et c’est un exemple typique de méthode de soutien dans les cellules végétales. Alors que les humains, comme de nombreux animaux, ont un squelette pour les soutenir, les plantes n’en ont pas. Par conséquent, les plantes ont besoin d’autres mécanismes de soutien pour maintenir la forme de leurs cellules et leur forme générale, ainsi que pour se protéger.
Une plante utilise deux méthodes pour maintenir sa forme et sa structure: le soutien physiologique et le soutien structurel. Le soutien physiologique est temporaire et dépend du maintien d’un grand volume d’eau dans les cellules végétales pour conserver leur forme. Le soutien structurel, quant à lui, est permanent. Il implique le dépôt de polymères puissants dans certaines parois cellulaires de parties spécifiques de la plante. Cela maintient la forme de ces cellules et de la plante dans son ensemble. Le petit pois qui se rétrécit et gonfle est un exemple de mécanisme de soutien physiologique, et nous intéresserons tout d’abord à cette méthode de soutien.
Cette figure montre une cellule végétale typique. Quelles structures pouvez-vous y reconnaître? Nous pouvons voir le noyau, certains chloroplastes, une couche structurelle rigide appelée paroi cellulaire entourant l’extérieur de la cellule, et à l’intérieur une membrane cellulaire plus mince. Nous pouvons également voir une grande vacuole permanente, qui a été représentée ici en bleu. Comme le noyau et les chloroplastes ne sont pas particulièrement importants pour le soutien physiologique, effaçons-les de notre schéma. La vacuole d’une cellule végétale est généralement une grande structure, remplie d’un liquide appelé le suc vacuolaire.
Le suc vacuolaire contient des molécules d’eau, représentées en bleu sur notre schéma, et des solutés dissous comme des sucres et des enzymes, qui ont été représentés dans notre vacuole en rose. Beaucoup d’eau peut être stockée dans cette vacuole. Et à mesure que le volume d’eau augmente, la vacuole exerce une pression plus importante sur la membrane cellulaire. Voyons comment cela se produit et pourquoi c'est important. Lorsque les plantes ont peu d’eau dans l’environnement entourant leurs cellules, le potentiel hydrique est plus faible à l’extérieur des cellules qu’à l’intérieur des cellules. Cela provoque la sortie des molécules d’eau de la vacuole de la cellule végétale vers l’espace extracellulaire, par un processus appelé osmose.
Vous vous rappelez peut-être que l’osmose est le mouvement des molécules d’eau d’une zone à fort potentiel hydrique vers une zone à faible potentiel hydrique à travers la membrane plasmique. Cela provoque le flétrissement et le rétrécissement des cellules végétales. Comme la vacuole de la cellule perd beaucoup d'eau lorsqu'elle est placée dans un environnement pauvre en eau, la membrane plasmique s'éloigne de la paroi cellulaire en raison de la diminution de la pression de turgescence exercée sur elle par l'eau de la vacuole. Cela réduit la turgescence de la cellule, ce qui la fait paraître rétrécie et ridée. Lorsque plusieurs cellules végétales se contractent de cette manière, cela mène finalement la plante, en particulier ses feuilles, à un flétrissement visible.
Cependant, ce processus est temporaire. Si la disponibilité hydrique à l’extérieur des cellules augmente à nouveau, l’eau peut passer dans la vacuole de la cellule végétale par osmose d’une zone à fort potentiel hydrique à une zone à faible potentiel hydrique, ramenant la cellule à sa taille normale. Mais que se passe-t-il si le potentiel hydrique continue à augmenter dans l’environnement extracellulaire? Eh bien, encore plus de molécules d'eau vont passer de l'environnement extracellulaire à la vacuole de la plante par osmose, d'une zone à potentiel hydrique relativement élevé à une zone à potentiel hydrique relativement faible.
Comme la vacuole contient maintenant plus de molécules d’eau, sa taille augmente encore davantage. Et ainsi, elle exerce beaucoup plus de pression de turgescence sur le cytoplasme, poussant la membrane plasmique contre la paroi cellulaire et augmentant la turgescence de la cellule. Cela rend la cellule gonflée. Vous pouvez voir ici les effets de cette très forte turgescence sur de nombreuses cellules végétales de la plante entière. Cependant, comme nous l’avons mentionné, ce processus est temporaire. Ainsi, si la disponibilité hydrique diminue une fois de plus, la plante pourrait encore se flétrir à nouveau. Maintenant que nous avons appris plus d’informations sur le soutien physiologique chez les plantes, découvrons certains mécanismes de soutien structurel.
Comme nous l’avons mentionné précédemment, le soutien structurel implique que des composés durs spécifiques soient incorporés de manière permanente dans une paroi de cellule végétale. Différents composés seront déposés dans les parois de différentes cellules selon leur fonction. Ces composés peuvent aider à maintenir la forme des cellules végétales et donc de la plante elle-même, en la maintenant droite et forte. Les parois des cellules végétales sont composées principalement d’un glucide appelé cellulose. Les fibres de cellulose s’accumulent pour former un maillage à l’intérieur des parois cellulaires des plantes. Cela crée une barrière physique pour soutenir la cellule. Si nous nous nous penchions sur une de ces fibres de cellulose, nous verrions qu’elle est composée de nombreuses chaînes de cellulose, qui sont individuellement composées de nombreux monomères de glucose liés.
Le fait que chaque brin de cellulose soit composé de milliers de molécules de glucose réunies en une chaîne, qui sont ensuite assemblées en des fibres de cellulose formées en une maille, rend la cellulose très forte. La cellulose est également décrite comme un polymère insoluble, et elle peut aider à maintenir la turgescence cellulaire dans la réponse physiologique que nous venons d’examiner. Les cellules sans paroi cellulaire, comme cette cellule animale typique, absorberont également beaucoup de molécules d’eau par osmose si elles sont placées dans un environnement qui a un potentiel hydrique plus élevé que la cellule elle-même. Cependant, sans la paroi cellulaire, lorsqu’une cellule animale typique gagne trop d’eau, la cellule éclatera. Dans le même cas, les cellules végétales deviendront simplement plus enflées et plus fermes, car leur paroi rigide les empêchera d’éclater. Voyons quelques régions spécifiques de la plante où les parois cellulaires de la cellulose pourraient être utiles pour d’autres raisons.
Ce schéma est celui d’une feuille. En coupant cette feuille en deux et en la grossissant, nous pouvons voir certains tissus. Et en l’agrandissant encore, nous pourrions voir quelques cellules. Les cellules de l’épiderme des plantes, qui tapissent le haut et le bas de ses feuilles, ainsi que d’autres structures comme la tige de la plante, ont des parois cellulaires particulièrement riches en cellulose. Les feuilles des plantes ont à la fois un épiderme supérieur et un épiderme inférieur. En particulier dans les tissus externes d'une plante, comme l'épiderme, les parois cellulaires en cellulose forment une barrière qui empêche les agents pathogènes responsables de maladies, comme ceux représentés ici en rouge, de pénétrer dans les tissus internes. Cette protection est d’autant plus renforcée que l’épiderme produit parfois une cuticule cireuse pour l’enrober.
Les cellules qui composent cette cuticule ont un polymère appelé cutine déposé dans leurs parois cellulaires. La cutine est imperméable à l’eau. Cela empêche la perte excessive d’eau de la surface des feuilles, et aide à empêcher les agents pathogènes d’origine hydrique de s’installer à la surface des feuilles. La cutine augmente l’efficacité de cette barrière physique en épaississant les parois cellulaires. Jetons un coup d’œil à différentes cellules de cette feuille.
Les cellules surlignées en bleu dans notre figure constituent un tissu appelé le xylème. Nous pouvons voir ici la structure agrandie d’une partie d’un vaisseau xylème. Le xylème fait partie du système de transport vasculaire de la plante, responsable du transport de l’eau et des minéraux des racines au reste de la plante. Les parois cellulaires des vaisseaux du xylème contiennent un polymère appelé lignine. La lignine est un polymère très fort, et elle fournit un soutien supplémentaire au xylème en rendant ses vaisseaux plus rigides et en les aidant à rester debout pour former une colonne continue d’eau. La lignine est imperméable à l’eau, ce qui est vraiment utile dans le xylème car elle réduit les risques de fuite d’eau des vaisseaux, augmentant ainsi l’efficacité du transport de l’eau.
La lignine et la cellulose peuvent également être incorporées dans les parois cellulaires dans diverses autres parties de la plante. Jetons un coup d'œil rapide aux types de tissus simples typiques qui pourraient inclure certains de ces polymères dans leurs parois cellulaires. Il existe trois principaux types de tissus simples chez les plantes: le parenchyme, le collenchyme et le sclérenchyme. Vous vous souvenez peut-être qu’un tissu simple est composé de cellules structurellement et fonctionnellement très semblables les unes aux autres.
Les cellules du parenchyme ont généralement des parois minces constituées de cellulose. Elles ont également tendance à contenir de nombreux chloroplastes pour réaliser la photosynthèse. Les cellules du sclérenchyme, présentes dans les tissus du sclérenchyme, ont des parois cellulaires plus épaisses et sont renforcées avec de la lignine et de la cellulose supplémentaire. Les cellules sclérenchymateuses se trouvent généralement dans les parties de la plante qui ne poussent pas, afin d'apporter un soutien structurel. Par exemple, les parois des vaisseaux du xylème que nous avons examinées plus tôt seront remplies de cellules du sclérenchyme. Les parois des cellules du collenchyme sont renforcées avec de la cellulose supplémentaire et parfois des substances additionnelles comme la pectine pour fournir un soutien supplémentaire, généralement chez les jeunes tiges, car le collenchyme est beaucoup plus flexible que le sclérenchyme. Les cellules du collenchyme contiennent aussi généralement des chloroplastes pour effectuer la photosynthèse.
Cette tige de céleri nous fournit un bel exemple de l'endroit où l'on peut trouver les tissus du collenchyme et du sclérenchyme. Bien que la majorité de la tige soit constituée de tissus sclérenchymateux résistants qui la rendent croquante et lui donnent un claquement caractéristique lorsqu'on la casse, les tissus collenchymes constituent la plupart des veines qui courent le long de la tige. Ces brins extensibles sont très flexibles, ce qui est une caractéristique clé du tissu du collenchyme.
Voyons un dernier mécanisme de soutien structurel chez les plantes. Certaines plantes ont une couche de liège qui entoure les organes comme la tige, comme on peut le voir sur le liège qui constitue une partie de l'écorce de cet arbre mature. Le liège est formé par le dépôt d’une substance cireuse et imperméable, appelée la subérine, dans ses parois cellulaires. Dans certaines cellules, comme celles du tubercule de pomme de terre illustrée ici, une infection par un pathogène peut entraîner la formation de liège. Si le pathogène parvient à passer les cellules externes du tubercule de pomme de terre, une couche de liège peut se former. Une subérine est déposée dans les parois cellulaires, protégeant les cellules les plus internes de l’infection.
Lorsque certains arbres commencent à perdre leurs feuilles en prévision de l’hiver, cela forme une région vulnérable à travers laquelle les agents pathogènes pourraient accéder à la plante et à ses tissus. Mais ne vous inquiétez pas car une cicatrice de liège se forme généralement sur cette région, formant une couche protectrice qui empêche l’entrée des agents pathogènes. Étant donné qu'il est imperméable à l'eau, et donc étanche, le liège fournit une autre couche de soutien, à la fois contre la perte d'eau et contre l'entrée de pathogènes.
Les plantes dépendent de ces méthodes de soutien pour leur survie, alors explorons certains des avantages qu’elles peuvent offrir aux plantes. Le soutien des plantes aide les plantes à conserver l’eau. La conservation de l'eau est avantageuse pour les plantes, c’est un des réactifs de la photosynthèse, le processus biologique par lequel elles fabriquent leur propre nourriture sous forme de glucose. L'eau est donc vitale pour les plantes afin qu'elles puissent produire leur propre nourriture. Ce glucose peut ensuite être utilisé, parfois accompagné de l’oxygène, également produit lors de la photosynthèse, dans un processus appelé respiration cellulaire pour produire de l’énergie. L’eau est également un moyen de transport utile, parmi ses nombreuses autres fonctions. Le soutien des plantes aide les plantes à rester debout, ce qui leur permet d’accéder à davantage de lumière du soleil.
La lumière est une autre condition essentielle de la photosynthèse. Ainsi, en accédant à plus de lumière, une plante peut augmenter son taux de photosynthèse pour produire du glucose plus rapidement. Les plantes se disputent la lumière pour pouvoir produire leur nourriture. Le fait d'être grande et forte signifie qu'une plante peut avoir l'avantage sur ses voisines en matière d'accès à la lumière, ce qui signifie qu'elles peuvent être concurrencées pour leur survie. De plus, une tige forte permet aux plantes de résister aux pressions environnementales, par exemple, des vents violents. Cela peut être particulièrement utile si la plante a des branches, des fruits ou des fleurs lourds qui ont besoin d'être soutenus, car si ces fruits ou ces fleurs sont arrachés de la plante prématurément et tombent sur le sol, ils ne sont pas aussi protégés de certains insectes herbivores, de la pourriture, du pourrissement et des dommages. Et comme nous l'avons mentionné, des parois cellulaires épaisses et impénétrables peuvent être très utiles pour limiter l'entrée et le mouvement des agents pathogènes dans les tissus internes d'une plante.
Passons en revue ce que nous avons appris sur le soutien chez les plantes en appliquant nos connaissances à une question pratique.
Que va-t-il arriver à une plante si la turgescence cellulaire n’est pas maintenue? (A) La tige se développera à un rythme plus rapide. (B) La surface des feuilles s’étendra. (C) Les feuilles et la plante se flétriront. (D) Les feuilles deviendront jaunes. Ou (E) les fleurs tomberont.
Cette question nous interroge sur les effets d’une faible turgescence cellulaire sur l’ensemble de la plante. Alors, tout d’abord, explorons comment la turgescence influence les cellules de chaque plante. La turgescence est le point auquel la membrane de la cellule végétale pousse contre la paroi cellulaire, rendant la cellule gonflée et ferme, généralement parce qu'elle est remplie de liquide. Cette figure nous montre une cellule végétale turgescente typique, c'est ainsi qu'on l'appelle lorsqu'elle est pleine d'eau et qu'elle a une turgescence élevée. La vacuole dans les cellules végétales stocke les molécules d’eau et les solutés dissous.
Lorsqu'une cellule végétale se trouve dans un environnement à haut potentiel hydrique, représenté par ces nombreux points bleus représentant les molécules d'eau à l'extérieur de la cellule végétale, l'eau se déplace de l'extérieur de la cellule, où le potentiel hydrique est élevé, vers la vacuole de la cellule, où le potentiel hydrique est comparativement plus faible. La vacuole peut alors exercer une pression de turgescence sur le cytoplasme de la cellule, qui pousse contre la membrane cellulaire et contre la paroi cellulaire, rendant la cellule turgescente. Ceci est un exemple de soutien physiologique chez une plante. Et lorsque de nombreuses cellules deviennent turgescentes, la plante se tiendra debout et rigide.
Cependant, ce processus est temporaire. Et si le potentiel hydrique de l'espace extracellulaire diminue au point d'être inférieur au potentiel hydrique de la vacuole de la cellule, les molécules d'eau se déplaceront par osmose d'une zone à potentiel hydrique élevé dans la vacuole de la cellule vers une zone à potentiel hydrique comparativement plus faible dans l'espace extracellulaire. Cela signifie que la vacuole n’exerce plus tellement de pression sur la membrane plasmique. Ainsi, la membrane plasmique se détache de la paroi cellulaire, ce qui donne une cellule avec une faible turgescence.
Les cellules végétales dans cet état semblent rétrécies et ridées. Et si cela arrive à de nombreuses cellules végétales, alors la plante dans son ensemble, en particulier ses feuilles, se flétrira visiblement. Par conséquent, nous pouvons en déduire que les effets de la faible turgescence cellulaire sur la plante dans son ensemble sont que les feuilles et la plante se flétriront.
Il est maintenant temps pour nous de récapituler certains des points essentiels que nous avons abordés dans cette vidéo sur le soutien des plantes. Le soutien chez les plantes peut être divisé en un soutien physiologique ou un soutien structurel. Alors que le soutien physiologique est temporaire, le soutien structurel est généralement permanent. Le soutien physiologique fait référence à la capacité de la cellule végétale à augmenter leur turgescence par osmose. Le soutien structurel est le dépôt de composés solides comme la lignine dans des parois cellulaires végétales spécifiques qui ont besoin d'un soutien supplémentaire ou d'une imperméabilisation. Les mécanismes de soutien des plantes peuvent être avantageux car ils aident une plante à conserver de l’eau, à accéder à davantage de lumière du soleil, à protéger une plante contre les dommages, et même contre les agents pathogènes responsables de maladies.
