Les pigments des plantes à fleurs, sujet de métropole, juin 2024, exercice 1

Énoncé

Exercice sur 7 points

En biologie, les pigments désignent des molécules produites par un être vivant et responsables de la coloration des tissus. Les végétaux chlorophylliens possèdent une grande variété de pigments présents dans différents organes, tels que les feuilles, les fleurs et les fruits.

QUESTION :

Montrer comment les pigments interviennent dans le métabolisme et la reproduction des plantes à fleurs.

Vous rédigerez un texte argumenté. On attend des expériences, des observations, des exemples pour appuyer votre exposé et argumenter votre propos.

Il s'agit d'un sujet précis, dont le plan est exposé dans l'énoncé. L'essentiel est de fournir une réponse structurée qui mettent en relation les connaissances du cours avec des observations, des expériences et des exemples, qui peuvent être variables selon les candidats.

Conseils

1- Identifiez le problème scientifique posé par l'énoncé ainsi que la structure générale de la réponse ; qui est clairement indiquée par l'énoncé.
2- Élaborez au brouillon un plan détaillé qui présente les connaissances issues du cours, mises en parallèle avec des observations, des expériences ou des exemples, issus soit du cours soit de vos connaissances personnelles. N'hésitez pas à prévoir, si besoin, la présence d'illustrations comme un schéma.
3- Vérifiez que le plan ainsi construit permet de répondre au problème posé. Vérifiez qu'il n'y a pas de hors-sujet ou qu'une partie de la réponse n'a pas été oubliée.
4- Rédigez directement sur la copie, en présentant la réponse sous forme d'une introduction (posant la problématique), d'un développement structuré en différents paragraphes et d'une conclusion (présentant la réponse au problème et une ouverture).
5- Ajoutez si besoin des schémas suffisamment grands, en couleur et accompagnés d'un titre (facultatif).
6- Relisez votre réponse pour corriger la rédaction et l'orthographe.
Exemple de plan détaillé à construire au brouillon

Titre de la grande partie	Connaissances	Arguments	Illustrations : schémas
Pigments et métabolisme : les pigments photosynthétiques	Les pigments photosynthétiques permettent la réalisation du métabolisme autotrophe : la photosynthèse. Importance de la molécule de chlorophylle.	Séparation par chromatographie de pigments photosynthétiques d'une feuille.	Schéma de la séparation des pigments photosynthétiques d'une feuille par chromatographie.
Pigments et reproduction sexuée : les fleurs, organes reproducteurs	Les pigments confèrent aux fleurs des couleurs, ce qui attirent les animaux qui réalisent ainsi la pollinisation.	Exemple de fleurs pollinisées par les animaux et ayant des couleurs vives.
Pigments et reproduction sexuée : les graines, organes de dissémination de l'espèce	Les pigments de la paroi des fruits leur confèrent des couleurs, ce qui attirent les animaux qui les consomment permettant ainsi la dissémination des graines.	Exemple de fruits dont la paroi colorée attire les animaux, ce qui favorise leur consommation et la dissémination des graines.

Corrigé

Le monde végétal présente une grande diversité de couleurs, dues à la présence de pigments, molécules produites par des êtres vivants et responsables de la coloration des tissus. Certains pigments, comme la chlorophylle, qui confère la couleur verte aux feuilles, sont très répandus chez les végétaux. Mais bien d'autres couleurs sont observables, comme la couleur orange des carottes, celle violette de certaines variétés de raisin, la couleur jaune de pétales des fleurs de renoncule… Chaque pigment se caractérise par un spectre d'absorption spécifique de la lumière blanche, expliquant que l'œil humain perçoive les couleurs associées aux radiations non absorbées. Comment les pigments des plantes à fleurs interviennent-ils dans le métabolisme et dans la reproduction des plantes à fleurs ? Nous présenterons d'abord le rôle des pigments qui participent au métabolisme photosynthétique de la plante puis nous étudierons comment les pigments des fleurs et des fruits interviennent dans la reproduction sexuée des plantes à fleurs.

1. Pigments et métabolisme : les pigments photosynthétiques

Comme le montre le schéma ci-dessous, la chromatographie sur papier permet de séparer les pigments photosynthétiques d'une feuille comme celle du lierre, par exemple. Des morceaux de feuilles sont écrasés en bas du papier de chromatographie, formant un dépôt de couleur verte. Puis le papier est placé dans un récipient tel que l'éluant situé en bas migre vers le haut, permettant de séparer les différents pigments foliaires. La chromatographie permet de mettre en évidence les pigments suivants, présents dans la feuille (du bas vers le haut de la chromatographie) : la chlorophylle b, la chlorophylle a (vertes toutes les deux), les xanthophylles (couleur jaune) et le b-carotène (couleur orange).


Séparation des pigments photosynthétiques d'une feuille par chromatographie

Ainsi, les cellules des feuilles, mais aussi celles d'autres organes aériens chlorophylliens, comme les tiges ou les sépales des fleurs, contiennent des pigments photosynthétiques. Ces pigments sont localisés dans les chloroplastes, organites spécialisés dans la photosynthèse. La photosynthèse est un métabolisme autotrophe permettant la synthèse, en présence d'énergie lumineuse, de matière organique à partir de matière minérale. L'équation-bilan de la photosynthèse est la suivante : 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂
Les pigments photosynthétiques, et en particulier la chlorophylle, présents dans les chloroplastes captent certaines longueurs d'ondes de la lumière visible. Cette capture de l'énergie lumineuse conduit à l'excitation d'une molécule de chlorophylle, permettant la conversion de cette énergie lumineuse en énergie chimique au niveau de la chaine photosynthétique des membranes des thylakoïdes du chloroplaste. Ces réactions s'accompagnent de l'oxydation de l'eau, ou photolyse de l'eau, qui libère de l'O₂. L'énergie chimique ainsi produite est utilisée dans le stroma du chloroplaste pour effectuer la réduction du CO₂ en molécules organiques, selon le cycle de Calvin. La première molécule formée est un glucide à trois atomes de carbone, un triose-phosphate, qui permet la production de glucose C₆H₁₂O₆.
Ainsi, le principal pigment présent dans les organes aériens verts des plantes à fleurs est la chlorophylle, responsable de leur couleur verte. D'autres pigments photosynthétiques, comme les xanthophylles et le b-carotène sont également présents. La chlorophylle, pigment végétal très répandu, joue un rôle central dans le métabolisme photosynthétique. Après leur formation, les produits de la photosynthèse sont métabolisés dans la plante en différentes molécules qui présentent une grande diversité chimique et qui assurent de nombreuses fonctions au sein de la plante. Parmi ces molécules ainsi formées, se trouvent les pigments photosynthétiques mais aussi d'autres pigments qui peuvent intervenir lors de la reproduction sexuée des plantes à fleurs.

2. Pigments et reproduction sexuée : les fleurs, organes reproducteurs

Chez les plantes à fleurs, la reproduction sexuée est assurée par la fleur, qui constitue l'appareil reproducteur. Celle-ci est constituée de différentes pièces florales : vers l'extérieur se trouvent les pièces stériles que sont les sépales (souvent vertes) puis les pétales, et vers l'intérieur se situent les pièces fertiles : les étamines puis le pistil. Les étamines contiennent les grains de pollen abritant les gamètes mâles tandis que le pistil renferme à sa base, dans l'ovaire, les ovules ou gamètes femelles.
Chez de nombreuses espèces, la reproduction sexuée nécessite une fécondation croisée, c'est-à-dire une fécondation entre des gamètes mâles et des gamètes femelles provenant de deux individus différents. Du fait de la vie fixée des plantes, la fécondation croisée nécessite une pollinisation, c'est-à-dire un transport du pollen d'une fleur à une autre. Cette pollinisation peut être effectuée par des animaux comme des oiseaux ou des insectes. Une espèce végétale dont la pollinisation est effectuée par un insecte est dite entomophile. De nombreuses fleurs sauvages dont la pollinisation est réalisée par des animaux présentent des pétales vivement colorés. Par exemple, les pétales des fleurs de renoncule, du coucou, ou encore du pissenlit sont jaunes. Les pétales des fleurs de la sauge ou de la véronique sont bleues. La présence de pigments comme les caroténoïdes (conférant une couleur jaune à orangé) ou les anthocyanes (conférant une couleur rouge à bleue pourpre) sont responsables des couleurs des pétales des fleurs. En effet, les différentes caractéristiques des fleurs, comme la couleur des pétales, mais aussi leur forme, leur taille, leurs parfums contribuent à attirer leurs pollinisateurs. L'animal pollinisateur, qui peut être spécifique de l'espèce végétale qu'il pollinise, présente des adaptations à la pollinisation. Ces adaptations mutuelles s'inscrivent dans le cadre d'une relation mutualiste où chacun des deux partenaires en retire un bénéfice. Cette relation est le résultat d'une coévolution entre les deux espèces. Ainsi, les pigments des pétales des fleurs dont la couleur contribue à attirer les animaux pollinisateurs favorisent la reproduction sexuée des plantes à fleurs.
De plus, les pigments photosynthétiques en permettant la synthèse des molécule organiques participent indirectement à la reproduction sexuée. Les produits de la photosynthèse permettent la production du nectar, liquide riche en glucides présent au niveau de la fleur et attirant les animaux pollinisateurs, comme les abeilles domestiques, par exemple, qui s'en servent pour produire le miel.

3. Pigments et reproduction sexuée : les graines, organes de dissémination de l'espèce

La pollinisation aboutit à la fécondation, c'est-à-dire à l'union entre les gamètes mâles ou spermatozoïdes et les gamètes femelles ou ovules situés dans l'ovaire de la fleur. Après fécondation, l'ovule fécondé se transforme en graine et l'ovaire se transforme en fruit. De par le mode de vie fixée des plantes, les graines issues de la reproduction sexuée et contenues dans les fruits sont responsables de la dispersion de l'espèce et de la colonisation de nouveaux milieux. La dissémination des graines peut être effectuée par différents agents disséminateurs dont les animaux. Par exemple, les anthocyanes, pigments rouges à bleus pourpre, sont présents chez certains fruits de plantes sauvages, comme le myrtillier, ou cultivées, comme le raisin de variété muscat. Les couleurs vives de ces fruits charnus contribuent à attirer les animaux qui les consomment. La présence dans la paroi de pigments conférant une couleur vive à ces fruits favorise la récolte des fruits par les animaux. Les animaux consomment les fruits contenant les graines, puis rejettent dans le milieu ces graines avec leurs excréments. Le pouvoir germinatif des graines est généralement accru lors du passage dans le tube digestif animal et les animaux réalisent un transport des graines, contribuant à augmenter l'aire de répartition de l'espèce végétale. Cette interaction entre les plantes à fleurs et les animaux disséminateurs de graines est une interaction mutualiste où chacune des deux espèces en retire un bénéfice. Ce mutualisme résulte d'une coévolution entre les plantes à fleurs et les animaux disséminateurs.
De plus, les pigments photosynthétiques des organes chlorophylliens de la plante, en permettant la synthèse des molécule organiques participent indirectement à la reproduction sexuée. Les produits de la photosynthèse sont accumulés en quantité importante dans la partie charnue de certains fruits (comme les pommes ou les poires par exemple), ce qui contribue à attirer les animaux et favorise la dissémination des graines dans le milieu.
Ainsi, les pigments photosynthétiques, dont la chlorophylle, sont essentiels au métabolisme photosynthétique des plantes à fleurs, à l'origine de l'autotrophie chez les végétaux. La photosynthèse associée à de nombreuses autres réactions du métabolisme permet la grande diversité de molécules produites par la plante. De plus, les pigments végétaux en conférant des couleurs vivent aux fleurs et aux fruits participent à la reproduction sexuée, notamment en augmentant l'attraction des animaux pollinisateurs et des animaux réalisant la dissémination des graines. Les pigments réalisent d'autres fonctions au sien des plantes à fleurs, à l'instar des anthocyanes qui protègent la plante des prédateurs herbivores.