Molécules organiques et germination des graines, sujet de métropole, mars 2023, exercice 1

Lors de la reproduction sexuée chez les plantes à fleurs, la fécondation de l'ovule par le spermatozoïde contenu dans les grains de pollen aboutit à la formation d'une graine, contenue dans le fruit. La graine mature contient une plantule issue du développement de l'embryon, ainsi que des molécules de réserve. Une fois la graine disséminée dans un milieu présentant des conditions favorables, notamment en présence d'eau, la germination de la graine peut commencer. Lors de la germination, les réserves de la graine sont utilisées pour permettre le développement de la plantule jusqu'à ce que celle-ci devienne une jeune plante capable de réaliser la photosynthèse. Comment les molécules organiques contenues dans la graine sont-elles produites, stockées puis utilisées lors de la germination ? Nous verrons d'abord comment la photosynthèse permet la production de matière organique dans les feuilles de la plante, puis comment cette matière organique est transportée dans la graine avant d'y être mise en réserve. Enfin, nous présenterons comment est utilisée la matière organique stockée dans la graine lors de la germination.

1. Production de matière organique par photosynthèse dans les feuilles

L'appareil racinaire des plantes permet l'absorption de l'eau et des ions minéraux du sol, qui constituent la sève brute. La sève brute est transportée par les vaisseaux conducteurs du xylème jusqu'aux parties aériennes chlorophylliennes de la plante, où a lieu la photosynthèse. La photosynthèse permet la production de matière organique à partir de matière minérale en présence d'énergie solaire. Elle a lieu dans les cellules chlorophylliennes, notamment des feuilles, et elle se déroule dans un organite intracellulaire spécialisé : le chloroplaste. Lors de la photosynthèse, l'énergie lumineuse est d'abord convertie en énergie chimique dans le chloroplaste. En effet, les pigments chlorophylliens des chaînes photosynthétiques de la membrane des thylakoïdes des chloroplastes absorbent l'énergie lumineuse, ce qui entraîne des transferts d'électrons le long de cette chaîne photosynthétique. Ces réactions s'accompagnent de l'oxydation de l'eau, ou photolyse de l'eau, qui libère de l'O₂. Le transfert d'électrons au niveau de la chaîne photosynthétique permet alors la production de différentes molécules dans le stroma du chloroplaste. Ces molécules sont utilisées pour réduire le CO₂ d'origine atmosphérique en molécules organiques. L'ensemble des réactions de réduction du CO₂, appelé cycle de Calvin, a lieu dans le stroma du chloroplaste et aboutit à la formation d'un premier glucide à trois atomes de carbone, une triose-phosphate, l'APG (3-phosphoglycérate). En effet, dans les années 1950, les scientifiques Calvin, Benson et Bassham ont montré que des algues unicellulaires étaient capables de synthétiser des glucides radioactifs lorsqu'elles étaient cultivées à la lumière dans un milieu riche en ¹⁴CO₂. La première molécule formée lors de cette expérience est l'APG, puis apparaissent dans les algues d'autres molécules organiques, notamment des glucides, dont le glucose. En effet, l'association de deux trioses-phosphates permet la synthèse d'un glucide à six atomes de carbone, le glucose (C₆H₁₂O₆).
Ainsi, la photosynthèse réalisée dans les feuilles des plantes chlorophylliennes permet de convertir l'énergie solaire en énergie chimique, qui permet la réduction du CO₂ atmosphérique en molécules organiques, dont le glucose, de formule chimique C₆H₁₂O₆.

3. Utilisation de la matière organique lors la germination de la graine

La germination est le début du développement d'une nouvelle plante à partir de la plantule contenue dans la graine. Ainsi, lors de la germination d'une graine, comme celle du haricot, se développent les racines et la tige, puis les deux premières feuilles. La mise en place de ces organes et la croissance de la jeune plante sont permises par l'utilisation des réserves d'amidon, contenues dans les cotylédons, qui s'atrophient au fur et à mesure de l'utilisation de leurs réserves. Plus tard, la jeune plante ainsi formée devient chlorophyllienne et est capable de produire sa propre matière organique par photosynthèse. Ainsi, la plantule est capable d'utiliser les réserves de matière organique présentes dans la graine pour assurer son développement et sa croissance. Par exemple, dans la graine de haricot en germination, une activité d'hydrolyse de l'amidon, assurée par une enzyme, l'amylase, peut être mise en évidence. L'amidon est donc hydrolysé en glucides directement utilisables par la plantule pour assurer son développement et sa croissance.
Ainsi, la photosynthèse permet la production de matière organique de nature glucidique au niveau des feuilles. Ces glucides sont transportés au sein de la sève élaborée jusqu'à la graine et sont transformés sous l'action d'enzymes en molécules de réserve. Puis, lors de la germination, les molécules de réserve sont utilisées pour permettre la croissance et le développement de la plantule jusqu'à ce que celle-ci, devenue chlorophyllienne, soit autotrophe. De par leur richesse en matière organique, les graines constituent une part importante de l'alimentation animale et humaine. Quelles sont alors les conditions optimales pour les conserver en évitant toute altération de leurs réserves destinées à être consommées ?