introduction

 Problématique :
           Comment la lumière agit-elle sur la
     croissance et les mouvements des plantes ?


Nous connaissons tous le phénomène du tournesol qui se déplace en suivant le soleil.  
Nous avons également tous déjà remarqué qu'une petite plante se penche souvent en direction d'une source lumineuse.

Nous nous sommes alors intéressé à ce phénomène.
Le mouvement des plantes avec la lumière est ainsi appelé le phototropisme. 
Nous allons étudier ceci en analysant des coléoptiles, c'est-à-dire de jeunes pousses de plantes, soumis à la lumière.
L'intérêt des coléoptiles vient non seulement de leur sensibilité à la lumière, mais aussi de leur croissance en élongation.

Nous cherchons tout d'abord à savoir quel endroit et quelle substance sont responsables de ce mouvement, puis nous étudierons ce phénomène au niveau cellulaire.
Pour parvenir a ces études nous allons étudier et analyser les expériences de Darwin.

                                                                

préparation aux expèriences de darwin

Après leur germination, nous plaçons des coléoptiles de pois à côté d'une source de lumière. A ce stade, les cellules du coléoptiles ont cessé de se diviser par mitoses et la croissance s'effectue uniquement par élongation des cellules.



Après environs 5 heures d'exposition, on constate une forte inclinaison des pousses en direction de la lumière.
                             Notre expèrience

                                           
Ce mouvement est appelé phototropisme ;
il est positif car la plante se dirige vers la lumière. Le but de nos recherches est d'étudier ce phénomène.
Nous pouvons par ailleurs remarquer qu'il se produit également avec des coléoptiles d'autres plantes (blé, avoine, ...)


Nous avons également remarquer que lorsque un colèoptile est soumis à un éclairage uniforme, il croît mais ne se courbe pas. 
Nous allons donc nous intéresser a savoir quelle est la zone qui est responsable de ce mouvement.

Darwin

 Darwin travaille sur le mouvement des végétaux et s’intéresse notamment au phototropisme. Avec son père, il publie en 1880, The Power of Movement in Plants. Leurs expériences montrent le coléoptiles d'une jeune plante dirigeant sa croissance dans la direction de la lumière en comparant les réponses des coléoptiles couverts et  découverts.

• Le récepteur

Nous cherchons à savoir quelle est la zone qui est responsable de ce mouvement.

Deux hypothèses s'opposent : 
c'est -soit la partie supérieure, 

      -soit la partie inférieure,

 qui est a l'origine du mouvement.

Nous allons alors réaliser les expériences historiques effectuées par Darwin :

Dans un premier temps, nous cachons le bas d'un coléoptiles avec un manchon opaque de manière à l'isoler de toute source lumineuse.

Le mouvement ainsi que la croissance s'effectuent tout de même, donc cette zone de la plante n'est pas à l'origine du phototropisme.

Expérience :
- plante de gauche : Capuchon en aluminium pour cacher la partie supérieure (apex)

-plante du milieu : partie supérieure sectionnée (apex)

                              
 -plante de droite : entière

Réception - Réaction 

Ces résultats prouvent que c'est bien la partie supérieure, appelée l'apex, qui est a l'origine du phototropisme.

La croissance est également due à l'apex, car lorsque qu'il est coupé, elle ne s'effectue pas ; mais s'il est simplement caché, le coléoptile croît tout de même.
On distingue donc deux zones différentes intervenant dans le phototropisme: 
-une zone de réception, sensible à la lumière : l'apex
-une zone de réaction, qui effectue le mouvement.

en résumé :

Nous cherchons maintenant à savoir comment ces deux zones communiquent.

Boycen-Jensen

Par nos recherches sur le sujet, nous avons trouvé les expériences de Boycen-Jensen, qui détermine la façon de communiquer des deux zones


Nous nous sommes alors penchés sur ces expériences et nous les avons effectuées,
On expose à une source de lumière latérale une plante dont l'apex a été sectionné (partie supérieure), puis remis en place. Après quelques heures on constate que le coléoptile à grandi et s'est courbé.
Donc, la communication entre la zone de réception (apex) et la zone de réaction n'est pas mécanique, 
car elle se serait interrompue lors de cette expérience.


Puis après un entretien avec notre professeur de SVT madame Ferry nous nous sommes lancé sur l'expérience qui consiste a intercaler de la gélose, du beurre de cacao, du mica entre la partie supérieure coupé et la partie inférieure.
La croissance et le mouvement s'effectuent seulement avec la gélose.
Le responsable du phototropisme est donc une substance soluble dans l'eau qui passe de l'apex à la partie inférieure de la plante, car seules les substances hydrosolubles sont capables de traverser la gélose.

Quelle substance est responsable de ce mouvement ?

• Comment agit cette substance ?

On décapite l'apex d'un coléoptile et on le replace sur la base, mais légèrement de côté. Avec un éclairage uniforme, nous constatons que le coléoptiles croît et s'incline dans le sens opposé de l'endroit où était déposé l'apex.
Nous pouvons en déduire que la substance responsable de la croissance ne se dirige que vers le bas lorsque la lumière est uniformément répartie.


On peut en déduire que la lumière "repousse" donc la substance responsable de la croissance de la plante, qui n'est donc pas répartie uniformément dans le coléoptile.
On peut donc penser que la courbure du coléoptile est due à cette répartition non uniforme de la substance stimulant la croissance, produite par l'apex.

• Identification de la substance

Indice :  Nous savons que cette substance est hydrosoluble.
Sachant que des coléoptiles sans apex placés dans une solution ne contenant pas d'auxine croient bien moins que certains placés dans une solution contenant cette hormone, nous soupçonnons que c'est l'auxine qui permet le mouvement de la plante.


-Pour démontrer cela, nous décapitons l'apex d'un premier coléoptile et nous y plaçons un bloc de gélose imprégné d'auxine au milieu de la plante. Avec la lumière uniforme, il n'y a pas d'inclinaison, mais il y a une croissance. Ceci prouve que l' auxine est responsable de la croissance.


-Sur un second coléoptile décapité de l'apex, nous plaçons un bloc de gélose imprégné d'auxine sur un côté de la plante. 
Toujours avec une lumière uniforme, la plante croît et se courbe dans le sens opposé de là où la gélose est placée.
Ceci montre bien que la courbure de la plante est due à une hormone de la croissance végétale : l'auxine

• Quelle action ?

Nous pouvons étudier la répartition de l'auxine émise par l'apex en plaçant un bloc de gélose coupé en deux sous l'apex d'un colèoptile d'avoine.
Nous plaçons la source lumineuse du côté droit et récupérons les deux blocs de gélose.
Nous allons maintenant analyser la concentration en auxine de ces deux blocs en les plaçant tous deux sur un côté de deux coléoptiles différents.
Nous observons alors que la plante portant le bloc de gélose préalablement situé sous l'apex initial se courbe plus que l'autre.
Ceci montre bien qu'il y a plus d'auxine dans la partie opposée à la source lumineuse.

Le phénoméne au niveau cellulaire

• Quelle action sur les cellules ?

Nous cherchons à savoir quel est l'effet produit par l'auxine sur les coléoptiles.
Nous plaçons un cavalier sur deux coléoptiles décapités.
L'un ne contient pas d'auxine, l'autre a été imprégné de cette hormone.
Après 30 minutes on constate que le coléoptile contenant de l'auxine s'est plus courbé que l'autre.
On peut donc déduire que l'auxine est une hormone qui augmente la plasticité des cellules.

• Explication au niveau cellulaire

Expliquons maintenant le phénoméne du phototropisme au niveaau cellulaire.
L'apex produit de l'auxine en permanence ce qui permet à la plante de croître. La lumière a tendance à "repousser" l'auxine, qui ne sera donc plus présente uniformément dans la plante. L'auxine augmente la plasticité de la paroi et en abaisse son pH de 7 à 4.5 environs. Elle crée également un gonflement de la vacuole. Grâce a des récepteurs spéciaux situés sur la paroi de la cellule ciblée, l'auxine stimule la production d'ARNm correspondant à des gènes spécifiques. Cet ARNm, une fois libéré dans le cytoplasme, provoque la création de protéines qui permettend l'élongation de la paroi. La cellule s'allonge alors sous l'effet de la pression de turgescence due à l'eau contenue dans la vacuole.
Donc seules les cellules en présence d'auxine ont tendance à s'agrandir




en italique : revues spécialisées

conclusion

Ce que nous pouvons alors dire :


Nous savons maintenant que le mouvement ainsi que la croissance de la plante est due à une hormone de croissance végétale : l'auxine.
Cette hormone est sécrétée dans l'apex, la partie supérieure de la plante. L'auxine se dirige plus du côté opposé à la lumière, ce qui provoque une expansion des cellules situées de ce côté-ci grâce à la pression de turgescence.
Cette différence de taille des cellules entraîne une courbure de la plante.
Ce phénomène est appelé le phototropisme.
Le cas du tournesol est plus particulier car cette plante tourne sous l'effet du soleil ; son mouvement est alors plus complexe, car il est rotatif. Ce phénomène particulier est appelé l'héliotropisme.

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Lexique :

Phototropisme : Le phototropisme est la capacité des plantes à s'orienter par rapport à (tropisme) la lumière. En biologie, certaines espèces font preuve de phototropisme. C'est particulièrement le cas des organes aériens des végétaux.

Apex : De manière générale, il s'agit de la pointe d'un organe (son sommet). Il s'agit de la partie la plus éloignée de la base de l'organe. On peut par exemple parler de l'apex d'une feuille, d'une branche, d'une racine...

Pression de turgescence : Pression exercée sur la paroi cellulaire par le liquide vacuolaire qui plaque le cytoplasme contre son enveloppe

Coléoptile : jeune tige d'une plantule, entourée d'une gaine protectrice.

Hydrosoluble : Se dit d'une substance soluble dans l'eau

Auxine : Hormone de croissance végétale jouant un grand rôle dans le développement d'une plante

Gélose : La gélose est une substance nutritive favorisant ou inhibant (selon sa composition) la prolifération et le développement des bactéries. Il s'agit donc du milieu de culture des bactéries.

Hormone : Substance produite par les plantes qui déclenche le développement de leurs organes. Des hormones de synthèse ont été mises au point afin de faciliter la reprise des boutures des végétaux

Plasticité : La tendance d'un matériau à rester déformé après la réduction de la pression déformante jusqu'à sa limite apparente d'élasticité ou en-dessous.

Vaculole : La vacuole est un organite présent dans la cellule végétale, les cellules fongiques. De rares auteurs parlent de vacuoles dans les cellules animales mais le terme de vésicule est plus approprié

ARNm : L'acide ribonucléique messager, ARN messager ou ARNm est une copie transitoire d'une portion de l'ADN correspondant à un ou plusieurs gènes. L'ARNm est utilisé comme intermédiaire par les cellules pour la synthèse des protéines.

pH : Mesure de l'acidité ou de la basicité d'une substance. Le pH est exprimé par une valeur numérique comprise entre 0 et 14.

Cellule : La cellule (du latin cellula petite chambre) est l'unité structurale, fonctionnelle et reproductrice constituant tout ou partie d'un être vivant (à l'exception des virus).

Héliotropisme : l'héliotropisme (attraction vers le soleil) est un mouvement diurne d'une partie de la plante (fleur, feuille, tige) en réponse au changement de direction du soleil. Des fleurs héliotropes suivent le mouvement du Soleil d'est en ouest.