Informations

3.1 : Tiges - Biologie


Les tiges sont produites par le méristème apical primaire, mais la circonférence peut être augmentée chez les plantes ligneuses en raison de la croissance secondaire. La croissance secondaire est produite par les méristèmes latéraux des tiges ligneuses et des racines des plantes ligneuses.

Le xylème secondaire et le phloème secondaire sont produits à partir d'un cylindre de tissu méristématique dans les tiges et les racines ligneuses. Ce cylindre de tissu méristématique est le cambium vasculaire. Le xylème secondaire fournit un support structurel supplémentaire et un tissu de conduction d'eau supplémentaire dans les arbustes et les arbres. Le phloème secondaire remplace le phloème primaire.

De même, à mesure que le tronc d'une plante ligneuse s'agrandit, le tissu dermique doit être élargi et remplacé. Le nouveau tissu dermique est produit par le liège cambium, qui se trouve sous l'écorce.


Programme de biologie et de chimie du Cap

Fission binaire - la division d'une cellule en deux. Exemple de procaryotes (bactéries)

N.B. NE PAS mitose parce que l'ADN dans les bactéries est circulaire sans production de fibres fusiformes, mais l'ADN se réplique par réplication semi-conservatrice

  • le chromosome circulaire se réplique
  • deux chromosomes se séparent
  • deux nouvelles membranes cellulaires du milieu de la cellule
  • le matériau de la paroi cellulaire est formé entre les nouvelles membranes
  • la cellule reste attachée pendant un moment puis se sépare

  • réplication linéaire de chromosomes
  • le noyau commence à se diviser par mitose
  • un petit gonflement apparaît sur le côté de la cellule qui forme un bourgeon
  • un noyau fille entre dans le bourgeon
  • le bourgeon reste attaché pendant un certain temps, puis se détache, laissant une cicatrice de bus sur la cellule parente
  • les hyphes appelés sporangiophores se développent dans l'air
  • l'extrémité des sporangiophores gonfle pour former un sporange
  • les noyaux haploïdes passent des hyphes au sporange et se divisent par mitose
  • le cytoplasme se forme autour d'un groupe de plusieurs noyaux pour former une spore
  • une paroi se forme autour de chaque spore
  • lorsque les spores sont matures, le sporange s'ouvre et les spores sèchent et sont emportées par les courants d'air
  • Une courte chaîne unique de cellules s'allonge
  • n'importe quelle cellule de la chaîne s'agrandit et se divise par mitose
  • de nouveaux filaments se forment lorsque des lignes de faiblesse se développent entre les cellules, puis lorsqu'une perturbation des filaments se produit, elles se séparent.
  • se reproduire sexuellement en permettant à un bras ou à une partie d'un bras de se casser
  • un parent fait pousser un nouveau bras pour remplacer celui perdu
  • la partie qui s'est rompue devient un nouvel individu

Exemples de reproduction asexuée chez les plantes. Exemple Gingembre

Le gingembre se reproduit à l'aide de tiges souterraines appelées rhizomes.


Si un morceau de rhizome est cassé, une nouvelle plante peut pousser à partir des bourgeons qui se produisent le long du rhizome. Les racines du rhizome sont adventives car elles poussent directement à partir d'une tige.


Bourgeons - un groupe de cellules capables de subir une mitose pour la croissance.

Méristèmes - une zone d'une plante qui a une collection de cellules méristématiques. par exemple. aux extrémités des racines et des tiges


Ressources interactives pour les écoles

Des cellules eucaryotes

Cellules qui composent les animaux, les plantes, les champignons et les protistes. Ce sont des sacs tridimensionnels liés à la membrane contenant du cytoplasme, un noyau et une gamme d'organites liés à la membrane.

Procaryote

Organisme unicellulaire dépourvu de noyau lié à la membrane ou de tout autre organite lié à la membrane.

Noyau

Partie d'une cellule qui contrôle la fonction cellulaire et contient les chromosomes.

Champignons

Les champignons (champignon singulier) sont soit unicellulaires, comme dans les levures, soit multicellulaires, comme dans les champignons, les crapauds et les moisissures. Les champignons ont un noyau, un cytoplasme et une paroi cellulaire

Cellules et organites cellulaires

Les cellules se présentent sous une énorme variété de formes et de formes, mais il existe deux principaux types de cellules : les cellules eucaryotes et les cellules procaryotes.

Cellules et organites cellulaires

Les organismes eucaryotes comprennent les animaux, les champignons et les plantes. Presque toutes les cellules eucaryotes ont des caractéristiques communes. Ce sont des sacs tridimensionnels liés à la membrane contenant du cytoplasme, un noyau et une gamme d'organites liés à la membrane. La membrane qui entoure les cellules eucaryotes et les organites est une structure très importante. Plus de détails sont donnés à la page 4 de cette ressource.

Les micrographies électroniques à balayage peuvent vous donner un aperçu de la forme 3D des cellules, tandis que les micrographies électroniques à transmission fournissent des détails sur la structure des organites.

Micrographies électroniques à balayage (à gauche) et à transmission (à droite) des cellules (Image reproduite avec l'aimable autorisation de CC0 1.0)

Cellules animales

Le protoplasme des cellules animales contient des organites communs à la plupart des cellules. Cliquez sur le schéma ci-dessous pour en savoir plus sur certains d'entre eux.


3.1 Synthèse de macromolécules biologiques

Dans cette section, vous explorerez les questions suivantes :

  • Comment les polymères macromoléculaires complexes sont-ils synthétisés à partir de monomères ?
  • Quelle est la différence entre les réactions de déshydratation (ou condensation) et d'hydrolyse ?

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Les organismes vivants ont besoin de nourriture pour survivre car ils contiennent des nutriments essentiels sous forme de macromolécules biologiques. Ces grosses molécules sont composées principalement de six éléments - le soufre, le phosphore, l'oxygène, l'azote, le carbone et l'hydrogène (SPONCH) - en différentes quantités et dispositions. Les polymères complexes sont construits à partir de combinaisons de monomères plus petits par synthèse par déshydratation, une réaction chimique dans laquelle une molécule d'eau est éliminée entre deux monomères de liaison. (Pensez à un train : chaque wagon couvert, y compris le fourgon de queue, représente un monomère, et l'ensemble du train est un polymère.) Au cours de la digestion, les polymères peuvent être décomposés par hydrolyse ou par addition d'eau. Les réactions de déshydratation et d'hydrolyse dans les cellules sont catalysées par des enzymes spécifiques. Les réactions de déshydratation nécessitent généralement un investissement d'énergie pour la formation de nouvelles liaisons, tandis que les réactions d'hydrolyse libèrent généralement de l'énergie qui peut être utilisée pour alimenter les processus cellulaires. Les quatre catégories de macromolécules sont les glucides, les lipides, les protéines et les acides nucléiques. Les preuves soutiennent l'affirmation des scientifiques selon laquelle les précurseurs organiques de ces molécules biologiques étaient présents sur la Terre primitive.

Les informations présentées et les exemples mis en évidence dans la section soutiennent les concepts et les objectifs d'apprentissage décrits dans la grande idée 1 du cadre du programme d'études en biologie AP ® . Les objectifs d'apprentissage énumérés dans le cadre du programme d'études fournissent une base transparente pour le cours de biologie AP ®, une expérience de laboratoire basée sur l'enquête, des activités pédagogiques et des questions d'examen AP ®. Un objectif d'apprentissage fusionne le contenu requis avec une ou plusieurs des sept pratiques scientifiques.

Grande idée 1 Le processus d'évolution entraîne la diversité et l'unité de la vie.
Compréhension durable 1.D L'origine des systèmes vivants s'explique par des processus naturels.
Connaissances essentielles 1.D.1 Il existe plusieurs hypothèses sur l'origine naturelle de la vie sur Terre, chacune avec des preuves scientifiques à l'appui.
Pratique scientifique 1.2 L'étudiant peut faire des déclarations et des prédictions sur des phénomènes naturels sur la base de théories et de modèles scientifiques.
Objectif d'apprentissage 1.27 L'étudiant est capable de décrire une hypothèse scientifique sur l'origine de la vie sur Terre.
Connaissances essentielles 1.D.1 Il existe plusieurs hypothèses sur l'origine naturelle de la vie sur Terre, chacune avec des preuves scientifiques à l'appui.
Pratique scientifique 3.3 L'étudiant peut évaluer des questions scientifiques.
Objectif d'apprentissage 1.28 L'étudiant est capable d'évaluer des questions scientifiques basées sur des hypothèses sur l'origine de la vie sur Terre.

Soutien aux enseignants

Soulignez la classe que les macromolécules sont produites par la synthèse de la déshydratation et séparées par l'hydrolyse. Comme les noms l'indiquent, l'eau est impliquée dans les deux cas.

Synthèse de déshydratation

Comme vous l'avez appris, les macromolécules biologiques sont de grosses molécules, nécessaires à la vie, qui sont construites à partir de molécules organiques plus petites. Il existe quatre grandes classes de macromolécules biologiques (hydrates de carbone, lipides, protéines et acides nucléiques), chacune étant un composant cellulaire important et remplissant un large éventail de fonctions. Combinées, ces molécules constituent la majorité de la masse sèche d'une cellule (rappelons que l'eau constitue la majorité de sa masse complète). Les macromolécules biologiques sont organiques, c'est-à-dire qu'elles contiennent du carbone. De plus, ils peuvent contenir de l'hydrogène, de l'oxygène, de l'azote et d'autres éléments mineurs.

La plupart des macromolécules sont constituées de sous-unités uniques, ou blocs de construction, appelés monomères. Les monomères se combinent entre eux en utilisant des liaisons covalentes pour former des molécules plus grosses appelées polymères. Ce faisant, les monomères libèrent des molécules d'eau en tant que sous-produits. Ce type de réaction est connu sous le nom de synthèse par déshydratation, ce qui signifie « s'assembler en perdant de l'eau ».

Soutien aux enseignants

Expliquez que lorsque quelque chose est déshydraté, l'eau en est retirée. Identifiez l'hydrogène spécifique et le groupe hydroxyle spécifique dans les modèles ou les illustrations qui sont retirés de deux monomères pour fabriquer l'eau. L'atome d'oxygène restant est utilisé pour lier les deux monomères ensemble.

L'hydrolyse est la division ou la lyse d'une liaison entre des monomères au sein d'un polymère, en utilisant de l'eau. Expliquez que les deux parties de l'eau, l'atome d'hydrogène et le groupe hydroxyle, sont ajoutées aux monomères après la séparation du polymère, avec pour résultat que chacune a un groupe hydroxyle où la molécule d'oxygène qui les relie a été trouvée.

Demandez aux élèves ce qui est arrivé en premier, des produits chimiques biologiques ou des cellules intactes ? Discutez ensuite des expériences de Miller et Urey. Ils peuvent tenter d'expliquer comment ces macromolécules complexes ont pu être créées en l'absence de vie. Les molécules résultantes ont flotté dans l'atmosphère et sont finalement tombées dans les premiers océans, puis se sont probablement incorporées dans les cellules primitives.

Dans une réaction de synthèse par déshydratation (figure 3.2), l'hydrogène d'un monomère se combine avec le groupe hydroxyle d'un autre monomère, libérant une molécule d'eau. Dans le même temps, les monomères partagent des électrons et forment des liaisons covalentes. Au fur et à mesure que des monomères supplémentaires se joignent, cette chaîne de monomères répétés forme un polymère. Différents types de monomères peuvent se combiner dans de nombreuses configurations, donnant naissance à un groupe diversifié de macromolécules. Même un type de monomère peut se combiner de diverses manières pour former plusieurs polymères différents : par exemple, les monomères de glucose sont les constituants de l'amidon, du glycogène et de la cellulose.

Hydrolyse

Les polymères sont décomposés en monomères dans un processus connu sous le nom d'hydrolyse, ce qui signifie "se séparer avec de l'eau". L'hydrolyse est une réaction dans laquelle une molécule d'eau est utilisée lors de la décomposition d'un autre composé (figure 3.3). Au cours de ces réactions, le polymère est divisé en deux composants : une partie gagne un atome d'hydrogène (H+) et l'autre gagne une molécule d'hydroxyle (OH–) à partir d'une molécule d'eau divisée.

Les réactions de déshydratation et d'hydrolyse sont catalysées, ou « accélérées », par des enzymes spécifiques. Les réactions de déshydratation impliquent la formation de nouvelles liaisons, nécessitant de l'énergie, tandis que les réactions d'hydrolyse rompent les liaisons et libèrent de l'énergie. Ces réactions sont similaires pour la plupart des macromolécules, mais chaque réaction de monomère et de polymère est spécifique à sa classe. Par exemple, dans notre corps, les aliments sont hydrolysés ou décomposés en molécules plus petites par les enzymes catalytiques du système digestif. Cela permet une absorption facile des nutriments par les cellules de l'intestin. Chaque macromolécule est décomposée par une enzyme spécifique. Par exemple, les glucides sont décomposés par l'amylase, la sucrase, la lactase ou la maltase. Les protéines sont décomposées par les enzymes pepsine et peptidase et par l'acide chlorhydrique. Les lipides sont décomposés par les lipases. La décomposition de ces macromolécules fournit de l'énergie pour les activités cellulaires.

Lien vers l'apprentissage

Visitez ce site pour voir des représentations visuelles de la synthèse de la déshydratation et de l'hydrolyse.


Contenu

En 1925, Louis de Broglie a d'abord théorisé les propriétés ondulatoires d'un électron, avec une longueur d'onde sensiblement plus petite que la lumière visible. [2] Cela permettrait l'utilisation d'électrons pour imager des objets beaucoup plus petits que la limite de diffraction précédente fixée par la lumière visible. Le premier STEM a été construit en 1938 par le baron Manfred von Ardenne, [3] [4] travaillant à Berlin pour Siemens. Cependant, à l'époque, les résultats étaient inférieurs à ceux de la microscopie électronique à transmission, et von Ardenne n'a passé que deux ans à travailler sur le problème. Le microscope a été détruit lors d'un raid aérien en 1944, et von Ardenne n'a pas repris son travail après la Seconde Guerre mondiale. [5]

La technique n'a été développée que dans les années 1970, lorsque Albert Crewe de l'Université de Chicago a développé le canon à émission de champ [6] et a ajouté une lentille d'objectif de haute qualité pour créer un STEM moderne. Il a démontré sa capacité à imager des atomes à l'aide d'un détecteur de champ sombre annulaire. Crewe et ses collègues de l'Université de Chicago ont développé la source d'électrons à émission de champ froid et construit un STEM capable de visualiser des atomes lourds simples sur des substrats de carbone minces. [7]

À la fin des années 1980 et au début des années 1990, les améliorations apportées à la technologie STEM ont permis d'imager des échantillons avec une résolution supérieure à 2 , ce qui signifie que la structure atomique pouvait être imagée dans certains matériaux. [8]

Correction d'aberration Modifier

L'ajout d'un correcteur d'aberration aux STEM permet aux sondes électroniques d'être focalisées sur des diamètres inférieurs à ångström, ce qui permet d'acquérir des images avec une résolution inférieure à ångström. Cela a permis d'identifier des colonnes atomiques individuelles avec une clarté sans précédent. Le STEM à correction d'aberration a été démontré avec une résolution de 1,9 en 1997 [9] et peu après en 2000 avec une résolution d'environ 1,36 . [10] Des STEM avancés à correction d'aberration ont depuis été développés avec une résolution inférieure à 50 pm. [11] STEM à correction d'aberration fournit la résolution supplémentaire et le courant de faisceau essentiel à la mise en œuvre de la cartographie spectroscopique chimique et élémentaire à résolution atomique.

Les microscopes électroniques à transmission à balayage sont utilisés pour caractériser la structure à l'échelle nanométrique et atomique des spécimens, fournissant des informations importantes sur les propriétés et le comportement des matériaux et des cellules biologiques.

Science des matériaux Modifier

La microscopie électronique à transmission à balayage a été appliquée pour caractériser la structure d'une large gamme d'échantillons de matériaux, y compris les cellules solaires, [12] les dispositifs à semi-conducteurs, [13] les oxydes complexes, [14] les batteries, [15] les piles à combustible, [16] les catalyseurs , [17] et matériaux 2D. [18]

Biologie Modifier

La première application de STEM à l'imagerie de molécules biologiques a été démontrée en 1971. [19] L'avantage de l'imagerie STEM d'échantillons biologiques est le contraste élevé des images annulaires en champ sombre, qui peuvent permettre l'imagerie d'échantillons biologiques sans avoir besoin de coloration . STEM a été largement utilisé pour résoudre un certain nombre de problèmes structurels en biologie moléculaire. [20] [21] [22]

Champ sombre annulaire Modifier

En mode champ sombre annulaire, les images sont formées par des électrons diffusés avant incident sur un détecteur annulaire, qui se trouve en dehors du trajet du faisceau directement transmis. En utilisant un détecteur ADF à grand angle, il est possible de former des images à résolution atomique où le contraste d'une colonne atomique est directement lié au numéro atomique (image de contraste Z). [23] L'imagerie à contraste Z directement interprétable fait de l'imagerie STEM avec un détecteur à grand angle une technique attrayante contrairement à la microscopie électronique conventionnelle à haute résolution, dans laquelle les effets de contraste de phase signifient que les images à résolution atomique doivent être comparées à des simulations pour faciliter l'interprétation.

Fond clair Modifier

Dans STEM, les détecteurs de champ clair sont situés sur le trajet du faisceau d'électrons transmis. Les détecteurs axiaux à fond clair sont situés au centre du cône d'illumination du faisceau transmis, et sont souvent utilisés pour fournir des images complémentaires à celles obtenues par imagerie ADF. [24] Des détecteurs annulaires à champ clair, situés à l'intérieur du cône d'éclairage du faisceau transmis, ont été utilisés pour obtenir des images à résolution atomique dans lesquelles les colonnes atomiques d'éléments légers tels que l'oxygène sont visibles. [25]

Contraste de phase différentiel Modifier

Le contraste de phase différentiel (DPC) est un mode d'imagerie qui repose sur la déviation du faisceau par des champs électromagnétiques. Dans le cas classique, les électrons rapides du faisceau d'électrons sont déviés par la force de Lorentz, comme illustré schématiquement pour un champ magnétique sur la figure de gauche. L'électron rapide de charge −1 e traversant un champ électrique E et un champ magnétique B éprouve une force F:

Pour un champ magnétique, cela peut être exprimé comme la quantité de déviation du faisceau subie par l'électron, ??L : [26]

L'imagerie de la plupart des matériaux ferromagnétiques nécessite que le courant dans la lentille d'objectif du STEM soit réduit à presque zéro. Cela est dû au fait que l'échantillon réside à l'intérieur du champ magnétique de la lentille de l'objectif, qui peut être de plusieurs Tesla, ce qui, pour la plupart des matériaux ferromagnétiques, détruirait toute structure de domaine magnétique. [29] Cependant, éteindre presque complètement l'objectif augmente considérablement la quantité d'aberrations dans la sonde STEM, entraînant une augmentation de la taille de la sonde et une réduction de la résolution. En utilisant un correcteur d'aberration de sonde, il est possible d'obtenir une résolution de 1 nm. [30]

Détecteurs universels (4D STEM) Modifier

Récemment, des détecteurs ont été développés pour STEM qui peuvent enregistrer un diagramme de diffraction électronique à faisceau convergent complet de tous les électrons diffusés et non diffusés à chaque pixel dans un balayage de l'échantillon dans un grand ensemble de données à quatre dimensions (un diagramme de diffraction 2D enregistré à chaque sonde 2D position). [31] En raison de la nature quadridimensionnelle des ensembles de données, le terme "4D STEM" est devenu un nom commun pour cette technique. [32] [33] Les ensembles de données 4D générés à l'aide de la technique peuvent être analysés pour reconstruire des images équivalentes à celles de toute géométrie de détecteur conventionnelle, et peuvent être utilisés pour cartographier les champs dans l'échantillon à haute résolution spatiale, y compris des informations sur la contrainte et les champs électriques . [34] La technique peut également être utilisée pour effectuer la ptychographie.

Spectroscopie de perte d'énergie électronique Modifier

Lorsque le faisceau d'électrons traverse l'échantillon, certains électrons du faisceau perdent de l'énergie via des interactions de diffusion inélastique avec les électrons de l'échantillon. En spectroscopie de perte d'énergie électronique (EELS), l'énergie perdue par les électrons dans le faisceau est mesurée à l'aide d'un spectromètre à électrons, ce qui permet d'identifier des caractéristiques telles que les plasmons et les bords d'ionisation élémentaire. La résolution en énergie dans EELS est suffisante pour permettre d'observer la structure fine des bords d'ionisation, ce qui signifie que EELS peut être utilisé pour la cartographie chimique, ainsi que la cartographie élémentaire. [35] Dans STEM, EELS peut être utilisé pour cartographier spectroscopiquement un échantillon à une résolution atomique. [36] Les monochromateurs récemment développés peuvent atteindre une résolution en énergie de

10 meV en EELS, permettant l'acquisition de spectres vibrationnels en STEM. [37]

Spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie Modifier

Dans la spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDX) ou (EDXS), également appelée dans la littérature spectroscopie à dispersion d'énergie à rayons X (EDS) ou (XEDS), un spectromètre à rayons X est utilisé pour détecter la caractéristique X -rayons qui sont émis par les atomes de l'échantillon lorsqu'ils sont ionisés par l'électron dans le faisceau. Dans STEM, EDX est généralement utilisé pour l'analyse de la composition et la cartographie élémentaire des échantillons. [38] Les détecteurs de rayons X typiques pour les microscopes électroniques ne couvrent qu'un petit angle solide, ce qui rend la détection des rayons X relativement inefficace puisque les rayons X sont émis par l'échantillon dans toutes les directions. Cependant, des détecteurs couvrant de grands angles solides ont été récemment développés [39] et une cartographie aux rayons X à résolution atomique a même été réalisée. [40]

La diffraction électronique par faisceau convergent (CBED) est une technique STEM qui fournit des informations sur la structure cristalline à un point spécifique d'un échantillon. En CBED, la largeur de la zone à partir de laquelle un diagramme de diffraction est acquis est égale à la taille de la sonde utilisée, qui peut être inférieure à 1 dans un STEM à aberration corrigée (voir ci-dessus). Le CBED diffère de la diffraction électronique conventionnelle en ce que les motifs CBED sont constitués de disques de diffraction plutôt que de spots. La largeur des disques CBED est déterminée par l'angle de convergence du faisceau d'électrons. D'autres caractéristiques, telles que les lignes Kikuchi, sont souvent visibles dans les motifs CBED. Le CBED peut être utilisé pour déterminer les groupes de points et d'espaces d'un échantillon. [41]

La microscopie électronique a accéléré la recherche en science des matériaux en quantifiant les propriétés et les caractéristiques de l'imagerie à résolution nanométrique avec STEM, qui est cruciale pour observer et confirmer des facteurs, tels que le dépôt de couches minces, la croissance cristalline, la formation de structure de surface et le mouvement de dislocation. Jusqu'à récemment, la plupart des articles ont déduit les propriétés et les comportements des systèmes matériels sur la base de ces images sans pouvoir établir de règles rigoureuses pour ce qui est exactement observé. Les techniques qui ont émergé en raison de l'intérêt pour la microscopie électronique à transmission à balayage quantitatif (QSTEM) comblent cette lacune en permettant aux chercheurs d'identifier et de quantifier les caractéristiques structurelles qui ne sont visibles qu'en utilisant l'imagerie haute résolution dans un STEM. Des techniques de traitement d'images largement disponibles sont appliquées aux images à champ sombre annulaire à angle élevé (HAADF) de colonnes atomiques pour localiser avec précision leurs positions et la ou les constantes de réseau du matériau. Cette idéologie a été utilisée avec succès pour quantifier les propriétés structurelles, telles que la déformation et l'angle de liaison, aux interfaces et aux complexes de défauts. QSTEM permet désormais aux chercheurs de comparer les données expérimentales aux simulations théoriques à la fois qualitativement et quantitativement. Des études récentes publiées ont montré que QSTEM peut mesurer les propriétés structurelles, telles que les distances interatomiques, les distorsions du réseau à partir de défauts ponctuels et les emplacements des défauts dans une colonne atomique, avec une grande précision. QSTEM peut également être appliqué à des motifs de diffraction de zone sélectionnés et à des motifs de diffraction de faisceau convergent pour quantifier le degré et les types de symétrie présents dans un échantillon. Étant donné que toute recherche sur les matériaux nécessite des études de relations structure-propriété, cette technique est applicable à d'innombrables domaines. Une étude notable est la cartographie des intensités des colonnes atomiques et des angles de liaison interatomiques dans un système mott-isolateur. [42] C'était la première étude à montrer que la transition de l'état isolant à l'état conducteur était due à une légère diminution globale de la distorsion, qui a été conclue en cartographiant les angles de liaison interatomiques en fonction de la concentration de dopant. Cet effet n'est pas visible par l'œil humain dans une image à l'échelle atomique standard permise par l'imagerie HAADF, donc cette découverte importante n'a été rendue possible que grâce à l'application de QSTEM.

L'analyse QSTEM peut être réalisée à l'aide de logiciels et de langages de programmation courants, tels que MatLab ou Python, à l'aide de boîtes à outils et de plug-ins qui servent à accélérer le processus. Il s'agit d'une analyse qui peut être effectuée pratiquement n'importe où. Par conséquent, le plus grand obstacle est l'acquisition d'un microscope électronique à transmission à balayage à haute résolution et à correction d'aberration qui peut fournir les images nécessaires pour fournir une quantification précise des propriétés structurelles au niveau atomique. La plupart des groupes de recherche universitaire, par exemple, ont besoin d'une autorisation pour utiliser de tels microscopes électroniques haut de gamme dans les laboratoires nationaux, ce qui nécessite un engagement de temps excessif. Les défis universels consistent principalement à s'habituer au langage de programmation souhaité et à écrire des logiciels capables d'aborder les problèmes très spécifiques d'un système matériel donné. Par exemple, on peut imaginer comment une technique d'analyse différente, et donc un algorithme de traitement d'image séparé, est nécessaire pour étudier les structures cubiques idéales par rapport aux structures monocliniques complexes.

Des porte-échantillons spécialisés ou des modifications du microscope peuvent permettre d'effectuer un certain nombre de techniques supplémentaires dans STEM. Quelques exemples sont décrits ci-dessous.

Tomographie STEM Modifier

La tomographie STEM permet de reconstruire la structure tridimensionnelle interne et externe complète d'un échantillon à partir d'une série d'images de projection 2D de l'échantillon acquises à des inclinaisons incrémentielles. [43] L'ADF STEM à grand angle est un mode d'imagerie particulièrement utile pour la tomographie électronique, car l'intensité des images ADF-STEM à grand angle ne varie qu'avec l'épaisseur de masse projetée de l'échantillon et le nombre atomique des atomes de l'échantillon. Cela donne des reconstructions tridimensionnelles hautement interprétables. [44]

Cryo-STEM Modifier

La microscopie cryoélectronique en STEM (Cryo-STEM) permet de maintenir les échantillons dans le microscope à des températures d'azote liquide ou d'hélium liquide. Ceci est utile pour l'imagerie d'échantillons qui seraient volatils dans un vide poussé à température ambiante. Cryo-STEM a été utilisé pour étudier des échantillons biologiques vitrifiés, [45] des interfaces solide-liquide vitrifiées dans des échantillons de matériaux, [46] et des échantillons contenant du soufre élémentaire, sujet à la sublimation au microscope électronique à température ambiante. [47]

STEM in situ/environnement Modifier

Afin d'étudier les réactions des particules dans des environnements gazeux, un STEM peut être modifié avec une chambre d'échantillon à pompage différentiel pour permettre l'écoulement du gaz autour de l'échantillon, tandis qu'un support spécialisé est utilisé pour contrôler la température de réaction. [48] ​​Alternativement, un support monté avec une cellule d'écoulement de gaz fermée peut être utilisé. [49] Les nanoparticules et les cellules biologiques ont été étudiées dans des environnements liquides en utilisant la microscopie électronique en phase liquide [50] en STEM, réalisée en montant une enceinte microfluidique dans le porte-échantillon. [51] [52] [53]

STEM basse tension Modifier

Un microscope électronique à basse tension (LVEM) est un microscope électronique conçu pour fonctionner à des tensions d'accélération d'électrons relativement faibles comprises entre 0,5 et 30 kV. Certains LVEM peuvent fonctionner comme un SEM, un TEM et un STEM dans un seul instrument compact. L'utilisation d'une tension de faisceau faible augmente le contraste de l'image, ce qui est particulièrement important pour les échantillons biologiques. Cette augmentation du contraste réduit considérablement, voire élimine la nécessité de colorer les échantillons biologiques. Des résolutions de quelques nm sont possibles en modes TEM, SEM et STEM. La faible énergie du faisceau d'électrons permet d'utiliser des aimants permanents comme lentilles et donc d'utiliser une colonne miniature ne nécessitant pas de refroidissement. [54] [55]


AP Biology 3.1 - Préparation rapide au test

La description: Chaque préparation au test rapide (QTP) fournit le rappel ou le prétest parfait pour une section spécifique du programme d'études ! Ces courts quiz contiennent tous les concepts les plus importants pour chaque sujet, avec des réponses claires !

Qui devrait utiliser : Cette ressource est conçue comme un outil pour les enseignants ou les parents pour compléter un programme de biologie. Cependant, les étudiants peuvent certainement utiliser eux-mêmes les QTP pour se préparer au grand test !

Comment utiliser: Ces courts quiz contiennent plusieurs pages : la première contient les questions, tandis que les pages suivantes contiennent des réponses clairement formulées. Répondez au quiz, puis assurez-vous de bien comprendre les réponses !

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Contenu

Botanique primitive Modifier

Il existe des preuves que les humains utilisaient des plantes il y a 10 000 ans dans la vallée de la rivière Little Tennessee, généralement comme bois de chauffage ou comme nourriture. [6] La botanique a pour origine l'herboristerie, l'étude et l'utilisation des plantes pour leurs propriétés médicinales. [7] La ​​première histoire enregistrée de la botanique comprend de nombreux écrits anciens et classifications de plantes. Des exemples de premiers travaux botaniques ont été trouvés dans des textes anciens de l'Inde datant d'avant 1100 avant notre ère, [8] [9] Égypte ancienne, [10] dans des écrits archaïques d'Avestan, et dans des travaux de Chine prétendument antérieurs à 221 avant notre ère. [8] [11]

La botanique moderne remonte à la Grèce antique en particulier à Théophraste (vers 371-287 avant notre ère), un étudiant d'Aristote qui a inventé et décrit plusieurs de ses principes et est largement considéré dans la communauté scientifique comme le "père de la botanique". [12] Ses œuvres majeures, Enquête sur les plantes et Sur les causes des plantes, constituent les contributions les plus importantes à la science botanique jusqu'au Moyen Âge, près de dix-sept siècles plus tard. [12] [13]

Un autre travail de la Grèce antique qui a eu un impact précoce sur la botanique est De la matière médicale, une encyclopédie en cinq volumes sur la phytothérapie écrite au milieu du premier siècle par le médecin et pharmacologue grec Pedanius Dioscorides. De la matière médicale a été largement lu pendant plus de 1 500 ans. [14] Les contributions importantes du monde musulman médiéval incluent Ibn Wahshiyya Agriculture nabatéenne, Abū Ḥanīfa Dīnawarī (828–896) le Livre des plantes, et Ibn Bassal La classification des sols. Au début du 13ème siècle, Abu al-Abbas al-Nabati et Ibn al-Baitar (d. 1248) ont écrit sur la botanique d'une manière systématique et scientifique. [15] [16] [17]

Au milieu du XVIe siècle, des jardins botaniques ont été fondés dans un certain nombre d'universités italiennes. Le jardin botanique de Padoue en 1545 est généralement considéré comme le premier à être encore à son emplacement d'origine. Ces jardins ont continué la valeur pratique des premiers "jardins physiques", souvent associés aux monastères, dans lesquels les plantes étaient cultivées à des fins médicales. Ils ont soutenu la croissance de la botanique en tant que matière académique. Des conférences ont été données sur les plantes cultivées dans les jardins et leurs utilisations médicales ont été démontrées. Les jardins botaniques sont arrivés beaucoup plus tard en Europe du Nord. Le premier en Angleterre fut le jardin botanique de l'Université d'Oxford en 1621. Tout au long de cette période, la botanique est restée fermement subordonnée à la médecine. [18]

Le médecin allemand Leonhart Fuchs (1501-1566) était l'un des « trois pères allemands de la botanique », avec le théologien Otto Brunfels (1489-1534) et le médecin Hieronymus Bock (1498-1554) (également appelé Hieronymus Tragus). [19] [20] Fuchs et Brunfels ont rompu avec la tradition de copier des travaux antérieurs pour faire leurs propres observations originales. Bock a créé son propre système de classification des plantes.

Le médecin Valerius Cordus (1515-1544) est l'auteur d'une plante à base de plantes botaniquement et pharmacologiquement importante. Historia Plantarum en 1544 et une pharmacopée d'une importance durable, le Dispensatoire en 1546. [21] Le naturaliste Conrad von Gesner (1516-1565) et l'herboriste John Gerard (1545-vers 1611) ont publié des herbals couvrant les usages médicinaux des plantes. Le naturaliste Ulisse Aldrovandi (1522–1605) était considéré comme le père de l'histoire naturelle, qui comprenait l'étude des plantes. En 1665, à l'aide d'un premier microscope, le mathématicien Robert Hooke a découvert des cellules, un terme qu'il a inventé, dans le liège, et peu de temps après dans les tissus végétaux vivants. [22]

Début de la botanique moderne Modifier

Au cours du XVIIIe siècle, des systèmes d'identification des plantes comparables à des clés dichotomiques ont été développés, où les plantes non identifiées sont classées dans des groupes taxonomiques (par exemple, la famille, le genre et l'espèce) en faisant une série de choix entre des paires de caractères. Le choix et la séquence des caractères peuvent être artificiels dans les clés conçues uniquement pour l'identification (clés de diagnostic) ou plus étroitement liés à l'ordre naturel ou phylétique des taxons dans les clés synoptiques. [23] Au XVIIIe siècle, de nouvelles plantes à étudier arrivaient en Europe en nombre croissant en provenance des pays nouvellement découverts et des colonies européennes du monde entier. En 1753, Carl von Linné (Carl Linnaeus) publie son Species Plantarum, une classification hiérarchique des espèces végétales qui reste la référence de la nomenclature botanique moderne. Cela a établi un schéma de nommage binomial ou en deux parties standardisé où le premier nom représentait le genre et le second identifiait l'espèce au sein du genre. [24] Aux fins d'identification, le Systema Sexuale classaient les plantes en 24 groupes selon le nombre de leurs organes sexuels mâles. Le 24ème groupe, Cryptogamie, comprenait toutes les plantes dont les organes reproducteurs étaient cachés, les mousses, les hépatiques, les fougères, les algues et les champignons. [25]

La connaissance croissante de l'anatomie, de la morphologie et des cycles de vie des plantes a conduit à la prise de conscience qu'il y avait plus d'affinités naturelles entre les plantes que le système sexuel artificiel de Linné. Adanson (1763), de Jussieu (1789) et Candolle (1819) ont tous proposé divers systèmes naturels alternatifs de classification qui regroupaient les plantes en utilisant un plus large éventail de caractères communs et étaient largement suivis. Le système Candollean reflétait ses idées sur la progression de la complexité morphologique et le système ultérieur de Bentham & Hooker, qui était influent jusqu'au milieu du XIXe siècle, a été influencé par l'approche de Candolle. La publication par Darwin du L'origine des espèces en 1859 et son concept de descendance commune a nécessité des modifications au système Candollean pour refléter les relations évolutives par opposition à la simple similitude morphologique. [26]

La botanique a été fortement stimulée par l'apparition du premier manuel "moderne", celui de Matthias Schleiden Grundzüge der Wissenschaftlichen Botanik, publié en anglais en 1849 sous le titre Principes de la botanique scientifique. [27] Schleiden était un microscopiste et un des premiers anatomistes des plantes qui a co-fondé la théorie cellulaire avec Theodor Schwann et Rudolf Virchow et a été parmi les premiers à saisir la signification du noyau cellulaire qui avait été décrit par Robert Brown en 1831. [28 ] En 1855, Adolf Fick a formulé les lois de Fick qui ont permis le calcul des taux de diffusion moléculaire dans les systèmes biologiques. [29]

Botanique moderne tardive Modifier

S'appuyant sur la théorie de l'hérédité gène-chromosome issue de Gregor Mendel (1822-1884), August Weismann (1834-1914) a prouvé que l'hérédité ne se fait que par les gamètes. Aucune autre cellule ne peut transmettre les caractères hérités. [30] Les travaux de Katherine Esau (1898-1997) sur l'anatomie végétale restent un fondement majeur de la botanique moderne. Ses livres Anatomie végétale et Anatomie des plantes à graines sont des textes clés de la biologie structurale des plantes depuis plus d'un demi-siècle. [31] [32]

La discipline de l'écologie végétale a été lancée à la fin du XIXe siècle par des botanistes tels qu'Eugenius Warming, qui a émis l'hypothèse que les plantes forment des communautés, et son mentor et successeur Christen C. Raunkiær dont le système de description des formes de vie végétale est toujours utilisé aujourd'hui. Le concept selon lequel la composition des communautés végétales telles que les forêts tempérées de feuillus change par un processus de succession écologique a été développé par Henry Chandler Cowles, Arthur Tansley et Frederic Clements. Clements est crédité de l'idée de la végétation climacique comme la végétation la plus complexe qu'un environnement puisse supporter et Tansley a introduit le concept d'écosystèmes à la biologie. [33] [34] [35] En s'appuyant sur les travaux antérieurs étendus d'Alphonse de Candolle, Nikolai Vavilov (1887-1943) a produit des comptes rendus de la biogéographie, des centres d'origine et de l'histoire évolutive des plantes économiques. [36]

Depuis le milieu des années 1960 en particulier, des progrès ont été réalisés dans la compréhension de la physique des processus physiologiques des plantes tels que la transpiration (le transport de l'eau dans les tissus végétaux), la dépendance à la température des taux d'évaporation de l'eau à la surface des feuilles et la diffusion moléculaire de l'eau. vapeur et dioxyde de carbone à travers les ouvertures des stomates. Ces développements, couplés à de nouvelles méthodes de mesure de la taille des ouvertures stomatiques et du taux de photosynthèse ont permis une description précise des taux d'échange gazeux entre les plantes et l'atmosphère. [37] [38] Les innovations dans l'analyse statistique par Ronald Fisher, [39] Frank Yates et d'autres à la station expérimentale de Rothamsted ont facilité la conception expérimentale rationnelle et l'analyse des données dans la recherche botanique. [40] La découverte et l'identification des hormones végétales auxines par Kenneth V. Thimann en 1948 ont permis la régulation de la croissance des plantes par des produits chimiques appliqués de l'extérieur. Frederick Campion Steward a été le pionnier des techniques de micropropagation et de culture de tissus végétaux contrôlées par des hormones végétales. [41] L'acide auxine synthétique 2,4-Dichlorophenoxyacetic ou 2,4-D était l'un des premiers herbicides synthétiques commerciaux. [42]

Les développements du 20e siècle en biochimie végétale ont été motivés par des techniques modernes d'analyse chimique organique, telles que la spectroscopie, la chromatographie et l'électrophorèse. Avec l'essor des approches biologiques à l'échelle moléculaire de la biologie moléculaire, de la génomique, de la protéomique et de la métabolomique, la relation entre le génome végétal et la plupart des aspects de la biochimie, de la physiologie, de la morphologie et du comportement des plantes peut être soumise à une analyse expérimentale détaillée. [43] Le concept initialement énoncé par Gottlieb Haberlandt en 1902 [44] que toutes les cellules végétales sont totipotentes et peuvent être cultivées in vitro a finalement permis l'utilisation expérimentale du génie génétique pour éliminer un gène ou des gènes responsables d'un trait spécifique, ou pour ajouter des gènes tels que la GFP qui signalent quand un gène d'intérêt est exprimé. Ces technologies permettent l'utilisation biotechnologique de plantes entières ou de cultures de cellules végétales cultivées dans des bioréacteurs pour synthétiser des pesticides, des antibiotiques ou d'autres produits pharmaceutiques, ainsi que l'application pratique de cultures génétiquement modifiées conçues pour des caractères tels que l'amélioration du rendement. [45]

La morphologie moderne reconnaît un continuum entre les principales catégories morphologiques de racine, tige (caulome), feuille (phyllome) et trichome. [46] En outre, il met l'accent sur la dynamique structurelle. [47] La ​​systématique moderne vise à refléter et à découvrir les relations phylogénétiques entre les plantes. [48] ​​[49] [50] [51] La phylogénétique moléculaire moderne ignore largement les caractères morphologiques, en s'appuyant sur les séquences d'ADN comme données. L'analyse moléculaire des séquences d'ADN de la plupart des familles de plantes à fleurs a permis au Groupe de phylogénie des angiospermes de publier en 1998 une phylogénie des plantes à fleurs, répondant à de nombreuses questions sur les relations entre les familles et les espèces d'angiospermes. [52] La possibilité théorique d'une méthode pratique d'identification des espèces végétales et des variétés commerciales par code-barres ADN fait l'objet de recherches actives en cours. [53] [54]

L'étude des plantes est vitale car elles sous-tendent presque toute la vie animale sur Terre en générant une grande partie de l'oxygène et de la nourriture qui fournissent aux humains et aux autres organismes la respiration aérobie avec l'énergie chimique dont ils ont besoin pour exister. Les plantes, les algues et les cyanobactéries sont les principaux groupes d'organismes qui effectuent la photosynthèse, un processus qui utilise l'énergie de la lumière du soleil pour convertir l'eau et le dioxyde de carbone [55] en sucres qui peuvent être utilisés à la fois comme source d'énergie chimique et de molécules organiques. qui sont utilisés dans les composants structurels des cellules. [56] En tant que sous-produit de la photosynthèse, les plantes libèrent de l'oxygène dans l'atmosphère, un gaz dont presque tous les êtres vivants ont besoin pour effectuer la respiration cellulaire. De plus, ils ont une influence sur les cycles mondiaux du carbone et de l'eau et les racines des plantes lient et stabilisent les sols, empêchant ainsi l'érosion des sols. [57] Les plantes sont cruciales pour l'avenir de la société humaine car elles fournissent de la nourriture, de l'oxygène, des médicaments et des produits aux humains, ainsi qu'elles créent et préservent le sol. [58]

Historiquement, tous les êtres vivants étaient classés comme animaux ou plantes [59] et la botanique couvrait l'étude de tous les organismes non considérés comme des animaux. [60] Les botanistes examinent à la fois les fonctions internes et les processus au sein des organites végétaux, des cellules, des tissus, des plantes entières, des populations végétales et des communautés végétales. À chacun de ces niveaux, un botaniste peut être concerné par la classification (taxonomie), la phylogénie et l'évolution, la structure (anatomie et morphologie) ou la fonction (physiologie) de la vie végétale. [61]

La définition la plus stricte de « plante » comprend uniquement les « plantes terrestres » ou embryophytes, qui comprennent les plantes à graines (gymnospermes, y compris les pins et les plantes à fleurs) et les cryptogames à spores libres, y compris les fougères, les lycopodes, les hépatiques, les hornworts et les mousses. Les embryophytes sont des eucaryotes multicellulaires descendants d'un ancêtre qui a obtenu son énergie de la lumière du soleil par photosynthèse. Ils ont des cycles de vie avec une alternance de phases haploïdes et diploïdes. La phase sexuelle haploïde des embryophytes, connue sous le nom de gamétophyte, nourrit le sporophyte embryonnaire diploïde en développement dans ses tissus pendant au moins une partie de sa vie, [62] même dans les plantes à graines, où le gamétophyte lui-même est nourri par son sporophyte parent. [63] D'autres groupes d'organismes qui ont été précédemment étudiés par les botanistes comprennent les bactéries (maintenant étudiées en bactériologie), les champignons (mycologie) - y compris les champignons formant des lichens (lichénologie), les algues non chlorophytes (phycologie) et les virus (virologie). Cependant, l'attention est toujours accordée à ces groupes par les botanistes, et les champignons (y compris les lichens) et les protistes photosynthétiques sont généralement couverts dans les cours d'introduction à la botanique. [64] [65]

Les paléobotanistes étudient les plantes anciennes dans les archives fossiles pour fournir des informations sur l'histoire évolutive des plantes. Les cyanobactéries, les premiers organismes photosynthétiques libérant de l'oxygène sur Terre, auraient donné naissance à l'ancêtre des plantes en entrant dans une relation endosymbiotique avec un eucaryote précoce, devenant finalement les chloroplastes des cellules végétales. Les nouvelles plantes photosynthétiques (ainsi que leurs algues apparentées) ont accéléré l'augmentation de l'oxygène atmosphérique déclenchée par les cyanobactéries, transformant l'ancienne atmosphère sans oxygène et réductrice en une atmosphère dans laquelle l'oxygène libre est abondant depuis plus de 2 milliards d'années. [66] [67]

Parmi les questions botaniques importantes du 21e siècle figurent le rôle des plantes en tant que producteurs primaires dans le cycle mondial des ingrédients de base de la vie : énergie, carbone, oxygène, azote et eau, et les façons dont notre gérance des plantes peut aider à résoudre les problèmes environnementaux mondiaux de gestion des ressources, conservation, sécurité alimentaire humaine, organismes biologiquement envahissants, séquestration du carbone, changement climatique et durabilité. [68]

Nutrition humaine Modifier

Pratiquement tous les aliments de base proviennent soit directement de la production primaire par les plantes, soit indirectement des animaux qui les mangent. [69] Les plantes et autres organismes photosynthétiques sont à la base de la plupart des chaînes alimentaires car ils utilisent l'énergie du soleil et les nutriments du sol et de l'atmosphère, les convertissant en une forme utilisable par les animaux. C'est ce que les écologistes appellent le premier niveau trophique. [70] Les formes modernes des principaux aliments de base, tels que le chanvre, le teff, le maïs, le riz, le blé et d'autres graminées céréalières, les légumineuses, les bananes et les plantains, [71] ainsi que le chanvre, le lin et le coton cultivés pour leurs fibres, sont le résultat d'une sélection préhistorique sur des milliers d'années parmi les plantes sauvages ancestrales présentant les caractéristiques les plus recherchées. [72]

Les botanistes étudient comment les plantes produisent de la nourriture et comment augmenter les rendements, par exemple grâce à la sélection végétale, ce qui rend leur travail important pour la capacité de l'humanité à nourrir le monde et à assurer la sécurité alimentaire des générations futures. [73] Les botanistes étudient également les mauvaises herbes, qui constituent un problème considérable en agriculture, ainsi que la biologie et le contrôle des agents pathogènes des plantes dans l'agriculture et les écosystèmes naturels. [74] L'ethnobotanique est l'étude des relations entre les plantes et les hommes. Lorsqu'elle est appliquée à l'enquête sur les relations historiques entre les plantes et les peuples, l'ethnobotanique peut être appelée archéobotanique ou paléoethnobotanique. [75] Certaines des premières relations entre les plantes et les hommes sont nées entre les peuples autochtones du Canada lors de l'identification des plantes comestibles des plantes non comestibles. [76] Cette relation que les indigènes entretiennent avec les plantes a été enregistrée par les ethnobotanistes. [76]

La biochimie végétale est l'étude des processus chimiques utilisés par les plantes. Certains de ces processus sont utilisés dans leur métabolisme primaire comme le cycle photosynthétique de Calvin et le métabolisme de l'acide crassulacéen. [77] D'autres fabriquent des matériaux spécialisés comme la cellulose et la lignine utilisées pour construire leur corps, et des produits secondaires comme les résines et les composés aromatiques.

Les plantes et divers autres groupes d'eucaryotes photosynthétiques connus collectivement sous le nom d'« algues » possèdent des organites uniques appelés chloroplastes. On pense que les chloroplastes descendent de cyanobactéries qui ont formé des relations endosymbiotiques avec d'anciens ancêtres des plantes et des algues. Les chloroplastes et les cyanobactéries contiennent le pigment bleu-vert chlorophylle une. [78] Chlorophylle une (ainsi que sa cousine spécifique aux plantes et aux algues vertes, la chlorophylle b) [a] absorbe la lumière dans les parties bleu-violet et orange/rouge du spectre tout en réfléchissant et en transmettant la lumière verte que nous considérons comme la couleur caractéristique de ces organismes. L'énergie de la lumière rouge et bleue absorbée par ces pigments est utilisée par les chloroplastes pour fabriquer des composés carbonés riches en énergie à partir de dioxyde de carbone et d'eau par photosynthèse oxygénée, un processus qui génère de l'oxygène moléculaire (O2) en tant que sous-produit.

L'énergie lumineuse captée par la chlorophylle une est initialement sous la forme d'électrons (et plus tard d'un gradient de protons) qui est utilisé pour fabriquer des molécules d'ATP et de NADPH qui stockent et transportent temporairement l'énergie. Leur énergie est utilisée dans les réactions indépendantes de la lumière du cycle de Calvin par l'enzyme rubisco pour produire des molécules du sucre à 3 carbones glycéraldéhyde 3-phosphate (G3P). Le glycéraldéhyde 3-phosphate est le premier produit de la photosynthèse et la matière première à partir de laquelle le glucose et presque toutes les autres molécules organiques d'origine biologique sont synthétisés. Une partie du glucose est convertie en amidon qui est stocké dans le chloroplaste. [82] L'amidon est la réserve d'énergie caractéristique de la plupart des plantes terrestres et des algues, tandis que l'inuline, un polymère de fructose, est utilisée dans le même but dans la famille du tournesol Asteraceae. Une partie du glucose est convertie en saccharose (sucre de table commun) pour être exporté vers le reste de la plante.

Contrairement aux animaux (qui manquent de chloroplastes), les plantes et leurs parents eucaryotes ont délégué de nombreux rôles biochimiques à leurs chloroplastes, notamment la synthèse de tous leurs acides gras [83] [84] et de la plupart des acides aminés. [85] Les acides gras fabriqués par les chloroplastes sont utilisés pour de nombreuses choses, comme fournir du matériau pour construire les membranes cellulaires et fabriquer la cutine polymère qui se trouve dans la cuticule de la plante qui protège les plantes terrestres du dessèchement. [86]

Les plantes synthétisent un certain nombre de polymères uniques comme les molécules de polysaccharide cellulose, pectine et xyloglucane [87] à partir desquelles la paroi cellulaire des plantes terrestres est construite. [88] Les plantes terrestres vasculaires fabriquent de la lignine, un polymère utilisé pour renforcer les parois cellulaires secondaires des trachéides et des vaisseaux du xylème afin de les empêcher de s'effondrer lorsqu'une plante aspire de l'eau à travers elles en cas de stress hydrique. La lignine est également utilisée dans d'autres types de cellules comme les fibres de sclérenchyme qui fournissent un support structurel à une plante et est un constituant majeur du bois. La sporopollénine est un polymère chimiquement résistant présent dans les parois cellulaires externes des spores et du pollen des plantes terrestres, responsable de la survie des premières spores des plantes terrestres et du pollen des plantes à graines dans les archives fossiles. Il est largement considéré comme un marqueur du début de l'évolution des plantes terrestres au cours de la période ordovicienne. [89] La concentration de dioxyde de carbone dans l'atmosphère est aujourd'hui beaucoup plus faible qu'elle ne l'était lorsque les plantes ont émergé sur terre pendant les périodes ordovicienne et silurienne. De nombreux monocotylédones comme le maïs et l'ananas et certaines dicotylédones comme les Asteraceae ont depuis développé indépendamment [90] des voies comme le métabolisme de l'acide crassulacéen et le C4 voie de fixation du carbone pour la photosynthèse qui évite les pertes résultant de la photorespiration dans le C le plus courant3 voie de fixation du carbone. Ces stratégies biochimiques sont propres aux plantes terrestres.

Médecine et matériaux Modifier

La phytochimie est une branche de la biochimie végétale qui s'intéresse principalement aux substances chimiques produites par les plantes au cours du métabolisme secondaire. [91] Certains de ces composés sont des toxines telles que l'alcaloïde coniine de la pruche. D'autres, telles que l'huile essentielle de menthe poivrée et l'huile de citron, sont utiles pour leur arôme, en tant qu'arômes et épices (par exemple, la capsaïcine), et en médecine en tant que produits pharmaceutiques comme dans l'opium du pavot à opium. De nombreuses drogues médicinales et récréatives, telles que le tétrahydrocannabinol (ingrédient actif du cannabis), la caféine, la morphine et la nicotine proviennent directement des plantes. D'autres sont de simples dérivés de produits naturels botaniques. Par exemple, l'analgésique aspirine est l'ester acétylique de l'acide salicylique, à l'origine isolé de l'écorce des saules, [92] et une large gamme d'analgésiques opiacés comme l'héroïne sont obtenus par modification chimique de la morphine obtenue à partir du pavot à opium. [93] Les stimulants populaires proviennent des plantes, comme la caféine du café, du thé et du chocolat, et la nicotine du tabac. La plupart des boissons alcoolisées proviennent de la fermentation de produits végétaux riches en glucides tels que l'orge (bière), le riz (saké) et le raisin (vin). [94] Les Amérindiens ont utilisé diverses plantes comme moyens de traiter les maladies pendant des milliers d'années. [95] Cette connaissance que les Amérindiens ont sur les plantes a été enregistrée par les enthnobotanistes et a ensuite été utilisée par les sociétés pharmaceutiques comme moyen de découverte de médicaments. [96]

Les plantes peuvent synthétiser des colorants et des pigments colorés utiles tels que les anthocyanes responsables de la couleur rouge du vin rouge, la soudure jaune et le pastel bleu utilisés ensemble pour produire le vert Lincoln, l'indoxyle, source du colorant bleu indigo traditionnellement utilisé pour teindre le denim et les pigments de l'artiste gamboge et garance rose. Le sucre, l'amidon, le coton, le lin, le chanvre, certains types de cordes, le bois et les panneaux de particules, le papyrus et le papier, les huiles végétales, la cire et le caoutchouc naturel sont des exemples de matériaux commercialement importants fabriqués à partir de tissus végétaux ou de leurs produits secondaires. Le charbon de bois, une forme pure de carbone obtenue par pyrolyse du bois, a une longue histoire en tant que combustible pour la fusion des métaux, en tant que matériau filtrant et adsorbant et en tant que matériau d'artiste et est l'un des trois ingrédients de la poudre à canon. La cellulose, le polymère organique le plus abondant au monde, [97] peut être convertie en énergie, carburants, matériaux et matières premières chimiques. Les produits à base de cellulose comprennent la rayonne et la cellophane, la colle à papier peint, le biobutanol et le coton gun. La canne à sucre, le colza et le soja sont quelques-unes des plantes à teneur en sucre ou en huile hautement fermentescible qui sont utilisées comme sources de biocarburants, des alternatives importantes aux combustibles fossiles, tels que le biodiesel. [98] Sweetgrass a été utilisé par les Amérindiens pour éloigner les insectes comme les moustiques. [99] Ces propriétés anti-insectes du foin d'odeur ont été trouvées plus tard par l'American Chemical Society dans les molécules phytol et coumarine. [99]

L'écologie végétale est la science des relations fonctionnelles entre les plantes et leurs habitats - les environnements où elles terminent leur cycle de vie. Les écologistes végétaux étudient la composition des flores locales et régionales, leur biodiversité, leur diversité génétique et leur fitness, l'adaptation des plantes à leur environnement et leurs interactions compétitives ou mutualistes avec d'autres espèces. [100] Certains écologistes s'appuient même sur des données empiriques provenant de peuples autochtones et recueillies par des ethnobotanistes. [101] Cette information peut relayer une grande quantité d'informations sur la façon dont la terre était autrefois il y a des milliers d'années et comment elle a changé au cours de cette période. [101] Les objectifs de l'écologie végétale sont de comprendre les causes de leurs modèles de distribution, de leur productivité, de leur impact environnemental, de leur évolution et de leurs réponses aux changements environnementaux. [102]

Les plantes dépendent de certains facteurs édaphiques (sol) et climatiques de leur environnement mais peuvent également modifier ces facteurs. Par exemple, ils peuvent modifier l'albédo de leur environnement, augmenter l'interception des eaux de ruissellement, stabiliser les sols minéraux et développer leur contenu organique, et affecter la température locale. Les plantes rivalisent avec d'autres organismes dans leur écosystème pour les ressources. [103] [104] Ils interagissent avec leurs voisins à diverses échelles spatiales en groupes, populations et communautés qui constituent collectivement la végétation. Les régions avec des types de végétation caractéristiques et des plantes dominantes ainsi que des facteurs abiotiques et biotiques, un climat et une géographie similaires constituent des biomes comme la toundra ou la forêt tropicale humide. [105]

Les herbivores mangent des plantes, mais les plantes peuvent se défendre et certaines espèces sont parasites voire carnivores. D'autres organismes forment des relations mutuellement bénéfiques avec les plantes. Par exemple, les champignons mycorhiziens et les rhizobiums fournissent aux plantes des nutriments en échange de nourriture, les fourmis sont recrutées par les plantes à fourmis pour fournir une protection, [107] les abeilles, les chauves-souris et d'autres animaux pollinisent les fleurs [108] [109] et les humains et autres animaux [ 110] agissent comme des vecteurs de dispersion pour propager les spores et les graines.

Plantes, changement climatique et environnemental Modifier

Les réactions des plantes au climat et à d'autres changements environnementaux peuvent éclairer notre compréhension de la façon dont ces changements affectent la fonction et la productivité des écosystèmes. Par exemple, la phénologie végétale peut être un indicateur utile de la température en climatologie historique et de l'impact biologique du changement climatique et du réchauffement climatique. La palynologie, l'analyse des dépôts de pollen fossile dans les sédiments datant de milliers ou de millions d'années permet de reconstituer les climats passés. [111] Estimations du CO atmosphérique
2 concentrations depuis le Paléozoïque ont été obtenues à partir des densités stomatiques et des formes et tailles des feuilles de plantes terrestres anciennes. [112] L'appauvrissement de la couche d'ozone peut exposer les plantes à des niveaux plus élevés de rayonnement ultraviolet B (UV-B), entraînant des taux de croissance plus faibles. [113] De plus, les informations provenant d'études sur l'écologie des communautés, la systématique des plantes et la taxonomie sont essentielles pour comprendre le changement de végétation, la destruction de l'habitat et l'extinction des espèces. [114]

L'héritage chez les plantes suit les mêmes principes fondamentaux de la génétique que dans d'autres organismes multicellulaires. Gregor Mendel a découvert les lois génétiques de l'hérédité en étudiant des traits hérités tels que la forme dans Pisum sativum (pois). Ce que Mendel a appris en étudiant les plantes a eu des avantages considérables en dehors de la botanique. De même, des « gènes sauteurs » ont été découverts par Barbara McClintock alors qu'elle étudiait le maïs. [115] Néanmoins, il existe des différences génétiques distinctives entre les plantes et les autres organismes.

Les limites des espèces chez les plantes peuvent être plus faibles que chez les animaux, et des hybrides entre espèces sont souvent possibles. Un exemple familier est la menthe poivrée, Mentha × piperita, un hybride stérile entre Mentha aquatique et menthe verte, Mentha spicata. [116] Les nombreuses variétés de blé cultivées sont le résultat de multiples croisements inter- et intra-spécifiques entre des espèces sauvages et leurs hybrides. [117] Les angiospermes à fleurs monoïques ont souvent des mécanismes d'auto-incompatibilité qui opèrent entre le pollen et le stigmate, de sorte que le pollen n'atteint pas le stigmate ou ne parvient pas à germer et à produire des gamètes mâles. [118] C'est l'une des nombreuses méthodes utilisées par les plantes pour favoriser l'allogamie. [119] Dans de nombreuses plantes terrestres, les gamètes mâles et femelles sont produits par des individus séparés. Ces espèces sont dites dioïques pour les sporophytes de plantes vasculaires et dioïques pour les gamétophytes de bryophytes. [120]

Contrairement aux animaux supérieurs, où la parthénogenèse est rare, la reproduction asexuée peut se produire chez les plantes par plusieurs mécanismes différents. La formation de tubercules souches dans la pomme de terre en est un exemple. En particulier dans les habitats arctiques ou alpins, où les possibilités de fertilisation des fleurs par les animaux sont rares, des plantules ou des bulbes peuvent se développer à la place des fleurs, remplaçant la reproduction sexuée par une reproduction asexuée et donnant naissance à des populations clonales génétiquement identiques au parent. C'est l'un des nombreux types d'apomixie qui se produisent dans les plantes. L'apomixie peut également se produire dans une graine, produisant une graine qui contient un embryon génétiquement identique au parent. [121]

La plupart des organismes se reproduisant sexuellement sont diploïdes, avec des chromosomes appariés, mais un doublement de leur nombre de chromosomes peut se produire en raison d'erreurs de cytokinèse. Cela peut se produire au début du développement pour produire un organisme autopolyploïde ou partiellement autopolyploïde, ou pendant les processus normaux de différenciation cellulaire pour produire certains types de cellules polyploïdes (endopolyploïdie), ou pendant la formation des gamètes. Une plante allopolyploïde peut résulter d'un événement d'hybridation entre deux espèces différentes.Les plantes autopolyploïdes et allopolyploïdes peuvent souvent se reproduire normalement, mais peuvent être incapables de se croiser avec succès avec la population parentale en raison d'un décalage dans le nombre de chromosomes. Ces plantes qui sont isolées sur le plan de la reproduction de l'espèce parentale mais qui vivent dans la même zone géographique, peuvent avoir suffisamment de succès pour former une nouvelle espèce. [122] Certains polyploïdes végétaux par ailleurs stériles peuvent encore se reproduire par voie végétative ou par apomixie des graines, formant des populations clonales d'individus identiques. [122] Le blé dur est un allopolyploïde tétraploïde fertile, tandis que le blé tendre est un hexaploïde fertile. La banane commerciale est un exemple d'hybride triploïde stérile et sans pépins. Le pissenlit commun est un triploïde qui produit des graines viables par graine apomictique.

Comme chez les autres eucaryotes, l'hérédité des organites endosymbiotiques comme les mitochondries et les chloroplastes chez les plantes est non mendélienne. Les chloroplastes sont hérités par le parent mâle chez les gymnospermes, mais souvent par le parent femelle chez les plantes à fleurs. [123]

Génétique moléculaire Modifier

Une quantité considérable de nouvelles connaissances sur le fonctionnement des plantes provient des études de la génétique moléculaire de plantes modèles telles que le cresson de Thale, Arabidopsis thaliana, une espèce adventice de la famille des moutardes (Brassicacées). [91] Le génome ou l'information héréditaire contenue dans les gènes de cette espèce est codé par environ 135 millions de paires de bases d'ADN, formant l'un des plus petits génomes parmi les plantes à fleurs. Arabidopsis a été la première plante à avoir son génome séquencé, en 2000. [124] Le séquençage de certains autres génomes relativement petits, du riz (Oryza sativa) [125] et Brachypodium distachyon, [126] en a fait des espèces modèles importantes pour comprendre la génétique, la biologie cellulaire et moléculaire des céréales, des graminées et des monocotylédones en général.

Des plantes modèles telles que Arabidopsis thaliana sont utilisés pour étudier la biologie moléculaire des cellules végétales et du chloroplaste. Idéalement, ces organismes ont de petits génomes bien connus ou complètement séquencés, une petite taille et des temps de génération courts. Le maïs a été utilisé pour étudier les mécanismes de la photosynthèse et de la charge de sucre dans le phloème en C4 les plantes. [127] L'algue verte unicellulaire Chlamydomonas reinhardtii, bien qu'il ne s'agisse pas d'un embryophyte lui-même, contient un chloroplaste à pigment vert apparenté à celui des plantes terrestres, ce qui le rend utile pour l'étude. [128] Une algue rouge Cyanidioschyzon merolae a également été utilisé pour étudier certaines fonctions de base des chloroplastes. [129] Épinards, [130] petits pois, [131] soja et mousse Physcomitrella patens sont couramment utilisés pour étudier la biologie des cellules végétales. [132]

Agrobacterium tumefaciens, une bactérie de la rhizosphère du sol, peut se fixer aux cellules végétales et les infecter avec un plasmide Ti induisant des cals par transfert horizontal de gènes, provoquant une infection des cals appelée maladie de la galle du collet. Schell et Van Montagu (1977) ont émis l'hypothèse que le plasmide Ti pourrait être un vecteur naturel pour l'introduction du gène Nif responsable de la fixation de l'azote dans les nodules racinaires des légumineuses et d'autres espèces végétales. [133] Aujourd'hui, la modification génétique du plasmide Ti est l'une des principales techniques d'introduction de transgènes dans les plantes et de création de cultures génétiquement modifiées.

Épigénétique Modifier

L'épigénétique est l'étude des modifications héréditaires de la fonction des gènes qui ne peuvent pas être expliquées par des modifications de la séquence d'ADN sous-jacente [134] mais qui font que les gènes de l'organisme se comportent (ou « s'expriment ») différemment. [135] Un exemple de changement épigénétique est le marquage des gènes par méthylation de l'ADN qui détermine s'ils seront exprimés ou non. L'expression des gènes peut également être contrôlée par des protéines répresseurs qui se fixent aux régions silencieuses de l'ADN et empêchent l'expression de cette région du code ADN. Des marques épigénétiques peuvent être ajoutées ou supprimées de l'ADN au cours des étapes programmées du développement de la plante, et sont responsables, par exemple, des différences entre les anthères, les pétales et les feuilles normales, malgré le fait qu'ils ont tous le même code génétique sous-jacent. Les changements épigénétiques peuvent être temporaires ou peuvent persister à travers des divisions cellulaires successives pour le reste de la vie de la cellule. Certains changements épigénétiques se sont avérés héréditaires, [136] tandis que d'autres sont réinitialisés dans les cellules germinales.

Les changements épigénétiques dans la biologie eucaryote servent à réguler le processus de différenciation cellulaire. Au cours de la morphogenèse, les cellules souches totipotentes deviennent les différentes lignées cellulaires pluripotentes de l'embryon, qui à leur tour deviennent des cellules pleinement différenciées. Un seul ovule fécondé, le zygote, donne naissance à de nombreux types de cellules végétales, notamment le parenchyme, les éléments des vaisseaux du xylème, les tubes criblés du phloème, les cellules de garde de l'épiderme, etc. au fur et à mesure de sa division. Le processus résulte de l'activation épigénétique de certains gènes et de l'inhibition d'autres. [137]

Contrairement aux animaux, de nombreuses cellules végétales, en particulier celles du parenchyme, ne se différencient pas de manière terminale, restant totipotentes avec la capacité de donner naissance à une nouvelle plante individuelle. Les exceptions incluent les cellules hautement lignifiées, le sclérenchyme et le xylème qui sont morts à maturité et les tubes criblés du phloème dépourvus de noyaux. Alors que les plantes utilisent bon nombre des mêmes mécanismes épigénétiques que les animaux, tels que le remodelage de la chromatine, une hypothèse alternative est que les plantes définissent leurs modèles d'expression génique en utilisant les informations de position de l'environnement et des cellules environnantes pour déterminer leur devenir développemental. [138]

Les changements épigénétiques peuvent conduire à des paramutations, qui ne suivent pas les règles de l'héritage mendélien. Ces marques épigénétiques se transmettent d'une génération à l'autre, un allèle induisant un changement sur l'autre. [139]

Les chloroplastes des plantes présentent un certain nombre de similitudes biochimiques, structurelles et génétiques avec les cyanobactéries (communément mais à tort appelées « algues bleu-vert ») et on pense qu'elles dérivent d'une ancienne relation endosymbiotique entre une cellule eucaryote ancestrale et un résident cyanobactérien. . [140] [141] [142] [143]

Les algues sont un groupe polyphylétique et sont placées dans diverses divisions, certaines plus étroitement liées aux plantes que d'autres. Il existe de nombreuses différences entre eux dans des caractéristiques telles que la composition de la paroi cellulaire, la biochimie, la pigmentation, la structure des chloroplastes et les réserves de nutriments. La division algale Charophyta, sœur de la division algue verte Chlorophyta, est considérée comme contenant l'ancêtre des vraies plantes. [144] La classe Charophyte Charophyceae et le sous-royaume des plantes terrestres Embryophyta forment ensemble le groupe monophylétique ou clade Streptophytina. [145]

Les plantes terrestres non vasculaires sont des embryophytes dépourvus des tissus vasculaires du xylème et du phloème. Ils comprennent les mousses, les hépatiques et les hornworts. Les plantes vasculaires ptéridophytes avec de vrais xylème et phloème qui se sont reproduits par des spores en germination de gamétophytes libres ont évolué pendant la période du Silurien et se sont diversifiées en plusieurs lignées à la fin du Silurien et au début du Dévonien. Des représentants des lycopodes ont survécu jusqu'à nos jours. À la fin de la période dévonienne, plusieurs groupes, dont les lycopodes, les sphénophylles et les progymnospermes, avaient évolué indépendamment en « mégaspores » – leurs spores étaient de deux tailles distinctes, des mégaspores plus grandes et des microspores plus petites. Leurs gamétophytes réduits se sont développés à partir de mégaspores retenues dans les organes producteurs de spores (mégasporanges) du sporophyte, une condition connue sous le nom d'endosporie. Les graines sont constituées d'un mégasporange endosporique entouré d'une ou deux couches de gainage (téguments). Le jeune sporophyte se développe à l'intérieur de la graine qui, lors de la germination, se divise pour la libérer. Les premières plantes à graines connues datent du dernier stade Dévonien Famennien. [146] [147] Suite à l'évolution de l'habitude des graines, les plantes à graines se sont diversifiées, donnant naissance à un certain nombre de groupes maintenant éteints, y compris les fougères à graines, ainsi que les gymnospermes et les angiospermes modernes. [148] Les gymnospermes produisent des "graines nues" qui ne sont pas entièrement enfermées dans un ovaire. Les représentants modernes comprennent les conifères, les cycadales, Ginkgo, et Gnetales. Les angiospermes produisent des graines enfermées dans une structure telle qu'un carpelle ou un ovaire. [149] [150] Les recherches en cours sur la phylogénétique moléculaire des plantes vivantes semblent montrer que les angiospermes sont un clade frère des gymnospermes. [151]

La physiologie végétale englobe toutes les activités chimiques et physiques internes des plantes associées à la vie. [152] Les produits chimiques extraits de l'air, du sol et de l'eau constituent la base de tout métabolisme végétal. L'énergie du soleil, captée par la photosynthèse oxygénée et libérée par la respiration cellulaire, est à la base de presque toute vie. Les photoautotrophes, y compris toutes les plantes vertes, les algues et les cyanobactéries, recueillent de l'énergie directement à partir de la lumière du soleil par photosynthèse. Les hétérotrophes, y compris tous les animaux, tous les champignons, toutes les plantes complètement parasites et les bactéries non photosynthétiques, absorbent des molécules organiques produites par les photoautotrophes et les respirent ou les utilisent dans la construction de cellules et de tissus. [153] La respiration est l'oxydation des composés carbonés en les décomposant en structures plus simples pour libérer l'énergie qu'ils contiennent, essentiellement à l'opposé de la photosynthèse. [154]

Les molécules sont déplacées à l'intérieur des plantes par des processus de transport qui opèrent à diverses échelles spatiales. Le transport subcellulaire d'ions, d'électrons et de molécules telles que l'eau et les enzymes se produit à travers les membranes cellulaires. Les minéraux et l'eau sont transportés des racines vers d'autres parties de la plante dans le flux de transpiration. La diffusion, l'osmose, le transport actif et le débit massique sont tous des modes de transport différents. [155] Des exemples d'éléments dont les plantes ont besoin pour transporter sont l'azote, le phosphore, le potassium, le calcium, le magnésium et le soufre. Chez les plantes vasculaires, ces éléments sont extraits du sol sous forme d'ions solubles par les racines et transportés dans toute la plante dans le xylème. La plupart des éléments nécessaires à la nutrition des plantes proviennent de la décomposition chimique des minéraux du sol. [156] Le saccharose produit par photosynthèse est transporté des feuilles vers d'autres parties de la plante dans le phloème et les hormones végétales sont transportées par divers processus.

Hormones végétales Modifier

Les plantes ne sont pas passives, mais répondent aux signaux externes tels que la lumière, le toucher et les blessures en se déplaçant ou en poussant vers ou en s'éloignant du stimulus, selon le cas. La preuve tangible de la sensibilité au toucher est l'effondrement presque instantané des feuillets de Mimosa pudica, les pièges à insectes de l'attrape-mouche de Vénus et des helminthes, et les pollinies des orchidées. [158]

L'hypothèse selon laquelle la croissance et le développement des plantes sont coordonnés par des hormones végétales ou des régulateurs de croissance des plantes est apparue pour la première fois à la fin du XIXe siècle. Darwin a expérimenté sur les mouvements des pousses et des racines des plantes vers la lumière [159] et la gravité, et a conclu « Il n'est guère exagéré de dire que la pointe de la radicule... agit comme le cerveau de l'un des animaux inférieurs... dirigeant le plusieurs mouvements". [160] Vers la même époque, le rôle des auxines (du grec auxéine, croître) dans le contrôle de la croissance des plantes a été décrite pour la première fois par le scientifique néerlandais Frits Went. [161] La première auxine connue, l'acide indole-3-acétique (IAA), qui favorise la croissance cellulaire, n'a été isolée des plantes qu'environ 50 ans plus tard. [162] Ce composé médie les réponses tropiques des pousses et des racines à la lumière et à la gravité. [163] La découverte en 1939 que le cal végétal pouvait être maintenu dans une culture contenant de l'IAA, suivie de l'observation en 1947 qu'il pouvait être induit à former des racines et des pousses en contrôlant la concentration d'hormones de croissance ont été des étapes clés dans le développement de la biotechnologie végétale. et la modification génétique. [164]

Les cytokinines sont une classe d'hormones végétales nommées pour leur contrôle de la division cellulaire (en particulier la cytokinèse). La cytokinine zéatine naturelle a été découverte dans le maïs, Zea mays, et est un dérivé de la purine adénine. La zéatine est produite dans les racines et transportée vers les pousses du xylème où elle favorise la division cellulaire, le développement des bourgeons et le verdissement des chloroplastes. [165] [166] Les gibbérelins, tels que l'acide gibberélique sont des diterpènes synthétisés à partir de l'acétyl CoA via la voie du mévalonate. Ils sont impliqués dans la promotion de la germination et de la levée de dormance des graines, dans la régulation de la hauteur des plantes en contrôlant l'allongement des tiges et le contrôle de la floraison. [167] L'acide abscissique (ABA) est présent dans toutes les plantes terrestres, à l'exception des hépatiques, et est synthétisé à partir des caroténoïdes dans les chloroplastes et autres plastes. Il inhibe la division cellulaire, favorise la maturation des graines et la dormance, et favorise la fermeture des stomates. Il a été ainsi nommé parce qu'on pensait à l'origine qu'il contrôlait l'abscission. [168] L'éthylène est une hormone gazeuse qui est produite dans tous les tissus végétaux supérieurs à partir de la méthionine. Il est maintenant connu que c'est l'hormone qui stimule ou régule la maturation et l'abscission des fruits, [169] [170] et elle, ou le régulateur de croissance synthétique éthéphon qui est rapidement métabolisé pour produire de l'éthylène, sont utilisés à l'échelle industrielle pour favoriser la maturation du coton. , ananas et autres cultures climatériques.

Une autre classe de phytohormones est celle des jasmonates, d'abord isolées de l'huile de jasmin grandiflorum [171] qui régule les réponses des plaies chez les plantes en débloquant l'expression des gènes requis dans la réponse de résistance acquise systémique à l'attaque des agents pathogènes. [172]

En plus d'être la principale source d'énergie pour les plantes, la lumière fonctionne comme un dispositif de signalisation, fournissant des informations à la plante, telles que la quantité de lumière solaire qu'elle reçoit chaque jour. Cela peut entraîner des changements adaptatifs dans un processus connu sous le nom de photomorphogenèse. Les phytochromes sont les photorécepteurs d'une plante qui sont sensibles à la lumière. [173]

L'anatomie végétale est l'étude de la structure des cellules et des tissus végétaux, tandis que la morphologie des plantes est l'étude de leur forme externe. [174] Toutes les plantes sont des eucaryotes multicellulaires, leur ADN est stocké dans des noyaux. [175] [176] Les caractéristiques des cellules végétales qui les distinguent de celles des animaux et des champignons comprennent une paroi cellulaire primaire composée de polysaccharides cellulose, hémicellulose et pectine, [177] des vacuoles plus grandes que dans les cellules animales et la présence de plastes avec des fonctions photosynthétiques et biosynthétiques uniques comme dans les chloroplastes. D'autres plastes contiennent des produits de stockage tels que l'amidon (amyloplastes) ou des lipides (élaioplastes). De manière unique, les cellules streptophytes et celles de l'ordre des algues vertes Trentepohliales [178] se divisent par construction d'un phragmoplaste servant de modèle pour la construction d'une plaque cellulaire à la fin de la division cellulaire. [82]

Les corps des plantes vasculaires, y compris les lycopodes, les fougères et les plantes à graines (gymnospermes et angiospermes) ont généralement des sous-systèmes aériens et souterrains. Les pousses sont constituées de tiges portant des feuilles vertes photosynthétiques et des structures de reproduction. Les racines vascularisées souterraines portent des poils absorbants à leur extrémité et sont généralement dépourvues de chlorophylle. [180] Les plantes non vasculaires, les hépatiques, les hornworts et les mousses ne produisent pas de racines vasculaires pénétrant le sol et la plupart de la plante participe à la photosynthèse. [181] La génération de sporophytes est non photosynthétique dans les hépatiques, mais peut être en mesure de contribuer à une partie de ses besoins énergétiques par photosynthèse dans les mousses et les hornworts. [182]

Le système racinaire et le système de pousses sont interdépendants - le système racinaire généralement non photosynthétique dépend du système de pousses pour la nourriture, et le système de pousses généralement photosynthétique dépend de l'eau et des minéraux du système racinaire. [180] Les cellules de chaque système sont capables de créer des cellules de l'autre et de produire des pousses ou des racines adventives. [183] ​​Les stolons et les tubercules sont des exemples de pousses qui peuvent pousser des racines. [184] Les racines qui s'étendent près de la surface, comme celles des saules, peuvent produire des pousses et finalement de nouvelles plantes. [185] Dans le cas où l'un des systèmes est perdu, l'autre peut souvent le faire repousser. En effet, il est possible de faire pousser une plante entière à partir d'une seule feuille, comme c'est le cas pour les plantes en Streptocarpe secte. Saintpaulia, [186] ou même une seule cellule - qui peut se dédifférencier en un cal (une masse de cellules non spécialisées) qui peut se développer en une nouvelle plante. [183] ​​Chez les plantes vasculaires, le xylème et le phloème sont les tissus conducteurs qui transportent les ressources entre les pousses et les racines. Les racines sont souvent adaptées pour stocker des aliments tels que les sucres ou l'amidon, [180] comme dans les betteraves sucrières et les carottes. [185]

Les tiges fournissent principalement un support aux feuilles et aux structures de reproduction, mais peuvent stocker de l'eau dans les plantes succulentes comme les cactus, de la nourriture comme dans les tubercules de pomme de terre, ou se reproduire végétativement comme dans les stolons des plants de fraises ou en cours de marcottage. [187] Les feuilles recueillent la lumière du soleil et effectuent la photosynthèse. [188] Les grandes feuilles vertes, plates, flexibles sont appelées feuilles de feuillage. [189] Les gymnospermes, tels que les conifères, les cycas, Ginkgo, et les gnetophytes sont des plantes productrices de graines à graines ouvertes. [190] Les angiospermes sont des plantes productrices de graines qui produisent des fleurs et ont des graines enfermées. [149] Les plantes ligneuses, telles que les azalées et les chênes, subissent une phase de croissance secondaire résultant en deux types de tissus supplémentaires : le bois (xylème secondaire) et l'écorce (phloème secondaire et liège). Tous les gymnospermes et de nombreux angiospermes sont des plantes ligneuses. [191] Certaines plantes se reproduisent sexuellement, certaines de manière asexuée et certaines par les deux moyens. [192]

Bien que la référence aux principales catégories morphologiques telles que la racine, la tige, la feuille et le trichome soient utiles, il faut garder à l'esprit que ces catégories sont liées par des formes intermédiaires de sorte qu'un continuum entre les catégories en résulte. [193] De plus, les structures peuvent être vues comme des processus, c'est-à-dire des combinaisons de processus. [47]

La botanique systématique fait partie de la biologie systématique, qui s'intéresse à la gamme et à la diversité des organismes et à leurs relations, en particulier telles qu'elles sont déterminées par leur histoire évolutive. [194] Elle implique, ou est liée à, la classification biologique, la taxonomie scientifique et la phylogénétique. La classification biologique est la méthode par laquelle les botanistes regroupent les organismes en catégories telles que les genres ou les espèces. La classification biologique est une forme de taxonomie scientifique. La taxonomie moderne est enracinée dans les travaux de Carl Linnaeus, qui a regroupé les espèces en fonction de caractéristiques physiques communes. Ces regroupements ont depuis été révisés pour mieux s'aligner sur le principe darwinien de descendance commune - regrouper les organismes par ascendance plutôt que par caractéristiques superficielles. Alors que les scientifiques ne sont pas toujours d'accord sur la façon de classer les organismes, la phylogénétique moléculaire, qui utilise des séquences d'ADN comme données, a conduit de nombreuses révisions récentes dans le sens de l'évolution et devrait continuer de le faire. Le système de classification dominant est appelé taxonomie linnéenne. Il comprend les rangs et la nomenclature binomiale. La nomenclature des organismes botaniques est codifiée dans le Code international de nomenclature des algues, des champignons et des plantes (ICN) et administrée par le Congrès botanique international. [195] [196]

Kingdom Plantae appartient au domaine Eukarya et est décomposé de manière récursive jusqu'à ce que chaque espèce soit classée séparément. L'ordre est : Kingdom Phylum (ou Division) Class Order Family Genus (pluriel genres) Espèce. Le nom scientifique d'une plante représente son genre et son espèce au sein du genre, ce qui donne un nom mondial unique pour chaque organisme. [196] Par exemple, le lis tigré est Lilium columbianum. Lilium est le genre, et colombien l'épithète spécifique. La combinaison est le nom de l'espèce. Lors de l'écriture du nom scientifique d'un organisme, il convient de mettre en majuscule la première lettre du genre et de mettre toutes les épithètes spécifiques en minuscules. De plus, le terme entier est généralement en italique (ou souligné lorsque les italiques ne sont pas disponibles). [197] [198] [199]

Les relations évolutives et l'hérédité d'un groupe d'organismes sont appelées sa phylogénie. Les études phylogénétiques tentent de découvrir des phylogénies. L'approche de base consiste à utiliser des similitudes basées sur l'héritage partagé pour déterminer les relations. [200] À titre d'exemple, les espèces de Pereskia sont des arbres ou des buissons avec des feuilles proéminentes. Ils ne ressemblent évidemment pas à un cactus sans feuilles typique tel qu'un Échinocactus. Cependant, les deux Pereskia et Échinocactus ont des épines produites à partir d'aréoles (structures en forme de coussin hautement spécialisées) suggérant que les deux genres sont en effet liés. [201] [202]

Juger des relations basées sur des caractères partagés nécessite des précautions, car les plantes peuvent se ressembler à travers une évolution convergente dans laquelle les caractères sont apparus indépendamment. Certaines euphorbes ont des corps arrondis et sans feuilles adaptés à la conservation de l'eau, similaires à ceux des cactus globulaires, mais des caractères tels que la structure de leurs fleurs montrent clairement que les deux groupes ne sont pas étroitement liés. La méthode cladistique adopte une approche systématique des caractères, distinguant ceux qui ne portent aucune information sur l'histoire évolutive partagée - tels que ceux qui ont évolué séparément dans différents groupes (homoplasies) ou ceux laissés par les ancêtres (plésiomorphies) - et les caractères dérivés, qui ont été transmis des innovations dans un ancêtre commun (apomorphies). Seuls les caractères dérivés, tels que les aréoles productrices d'épines des cactus, fournissent des preuves de la descendance d'un ancêtre commun. Les résultats des analyses cladistiques sont exprimés sous forme de cladogrammes : des diagrammes en forme d'arbre montrant le modèle de ramification et de descente évolutives. [203]

Depuis les années 1990, l'approche prédominante pour construire des phylogénies pour les plantes vivantes a été la phylogénétique moléculaire, qui utilise des caractères moléculaires, en particulier des séquences d'ADN, plutôt que des caractères morphologiques comme la présence ou l'absence d'épines et d'aréoles. La différence est que le code génétique lui-même est utilisé pour décider des relations évolutives, au lieu d'être utilisé indirectement via les caractères auxquels il donne naissance. Clive Stace décrit cela comme ayant "un accès direct à la base génétique de l'évolution". [204] À titre d'exemple simple, avant l'utilisation de preuves génétiques, les champignons étaient considérés soit comme des plantes, soit comme étant plus étroitement liés aux plantes qu'aux animaux. Les preuves génétiques suggèrent que la véritable relation évolutive des organismes multicellulaires est celle illustrée dans le cladogramme ci-dessous - les champignons sont plus étroitement liés aux animaux qu'aux plantes. [205]

En 1998, l'Angiosperm Phyogeny Group a publié une phylogénie des plantes à fleurs basée sur une analyse des séquences d'ADN de la plupart des familles de plantes à fleurs. À la suite de ce travail, de nombreuses questions, telles que les familles représentant les premières branches des angiospermes, ont maintenant été résolues. [52] L'étude de la relation entre les espèces végétales permet aux botanistes de mieux comprendre le processus d'évolution des plantes. [206] Malgré l'étude de plantes modèles et l'utilisation croissante de preuves ADN, des travaux et des discussions sont en cours parmi les taxonomistes sur la meilleure façon de classer les plantes en divers taxons. [207] Les développements technologiques tels que les ordinateurs et les microscopes électroniques ont considérablement augmenté le niveau de détail étudié et la vitesse à laquelle les données peuvent être analysées. [208]


Quiz Gènes SL 3.1

Laquelle des affirmations ci-dessous est la meilleure définition du « gène du quota » ?

Un facteur héréditaire qui fait une protéine

L'emplacement sur un chromosome d'une longueur spécifique d'ADN

Un facteur héréditaire constitué d'une longueur d'ADN qui influence une caractéristique spécifique.

Toutes les informations génétiques d'un organisme

Un gène est un facteur héréditaire.

Il est fabriqué à partir d'ADN et contrôle une caractéristique spécifique.

Souvent, un gène fabrique une protéine, mais pas toujours.

Quel terme biologique désigne les différentes formes d'un gène qui ne diffèrent que de quelques bases ?

Les différentes formes d'un gène sont appelées allèles.

Dans la drépanocytose, il existe deux allèles pour la protéine hémoglobine. Ceux-ci sont appelés Hb S et Hb A .

Quelle est la cause de l'existence de l'allèle Hb S ?

De nouveaux allèles apparaissent souvent par mutation. Dans le cas de la drépanocytose, il s'agit d'une mutation de substitution ponctuelle.

Qu'est-ce que le consortium international du projet du génome humain a réalisé en 2003 lorsqu'il a annoncé l'achèvement réussi du projet du génome humain ?

Ils avaient trouvé la fonction de tous les gènes humains.

Ils avaient trouvé la séquence de tous les acides aminés dans toutes les protéines humaines

Ils avaient séquencé toute la séquence de bases des gènes humains

Ils avaient séquencé les bases d'ADN de tous les gènes connus

La fonction de tous les gènes n'est toujours pas connue, mais la séquence de bases d'un génome humain complet a été réalisée.

Dans le projet de séquençage du génome du rat de 2004, le Dr Richard Gibbs et ses chercheurs ont signalé que le génome du rat est plus petit que le génome humain et légèrement plus grand que le génome de la souris.
Cependant, ils ont également découvert que le génome du rat contient à peu près le même nombre de gènes que les génomes de l'homme et de la souris.

Espèce Humain Rat Souris
Taille du génome 2,9 milliards de paires de bases 2,75 milliards de paires de bases 2,6 milliards de paires de bases
Nombre de gènes estimé 20000 à 30000 20000 à 30000 20000 à 30000
Nombre de chromosomes 46 42 40

Laquelle des suggestions suivantes pourrait expliquer une si grande différence dans la taille du génome de ces trois espèces alors que le nombre de gènes est considéré comme si similaire ?

La plupart des différences dans la taille du génome se trouvent dans les régions non codantes de l'ADN, où il n'y a pas de gènes.

Les humains ont plus de chromosomes, et donc plus de paires de bases d'ADN

Les différences sont inférieures à la précision de la méthode et ne sont donc pas des différences significatives.

Les gènes chez l'homme ont une longueur plus longue.

Les gènes des protéines fonctionnelles dans des processus tels que la respiration doivent être les mêmes chez tous les êtres vivants. Les protéines structurelles de la peau, des cheveux et de la production de lait doivent être très similaires chez les trois espèces car elles partagent ces caractéristiques communes, car ce sont tous des mammifères.

Le schéma ci-dessous montre le changement qui différencie l'allèle HbA de l'allèle HbS dans la drépanocytose.

Laquelle des réponses suivantes décrit le mieux ce type de mutation.

Il s'agit d'une mutation de décalage de cadre.

C'est une mutation de substitution de base

C'est une mutation par délétion de base

C'est une inversion d'une partie d'un chromosome

La base A est remplacée par la base T dans ce diagramme, montrant une substitution de base.

Le schéma ci-dessous montre le changement qui différencie l'allèle HbA de l'allèle HbS dans la drépanocytose.

Quel effet ce type de mutation a-t-il sur la structure des protéines de l'hémoglobine ?

Dans l'acide aminé numéro 6, l'acide glutamique est remplacé par la valine dans l'hémoglobine HbS.

La protéine n'est pas synthétisée car le gène est illisible.

Dans l'acide aminé numéro 6, la valine est remplacée par l'acide glutamique dans l'hémoglobine HbS.

Dans le troisième codon, GAG est remplacé par GTG.

La structure de la protéine (structure 1° - HL) change car un acide aminé est maintenant différent. Dans ce cas, le 6ème acide aminé est changé de Glu (acide glutamique) à Val (valine)


Informations sur l'auteur

Ces auteurs ont contribué à parts égales : Atilgan Yilmaz et Mordecai Peretz.

Affiliations

Centre Azrieli pour les cellules souches et la recherche génétique, Département de génétique, Institut Silberman des sciences de la vie, Université hébraïque, Jérusalem, Israël

Atilgan Yilmaz, Mordecai Peretz, Aviram Aharony, Ido Sagi et Nissim Benvenisty

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Contributions

A.Y., député et N.B. conçu les expériences, interprété les données et rédigé le manuscrit, avec la contribution de tous les auteurs. A.Y. ont réalisé les expériences et analysé les données. député effectué les analyses bioinformatiques. AA assisté aux analyses bioinformatiques. EST. aidé à la caractérisation des CSEh haploïdes. N.B. supervisé l'étude.

Auteur correspondant


Héritage mendélien

Il se trouve que tous les traits n'obéissent pas à ce modèle d'hérédité. Mais ceux qui le font s'appellent Traits mendéliens. Pour en revenir au croisement dihybride mentionné ci-dessus, il existe seize génotypes possibles :

RRGG, RRgG, RRGg, RRgg, RrGG, RrgG, RrGg, Rrgg, rRGG, rRgG, rRGg, rRgg, rrGG, rrGg, rrgG, rrgg

Lorsque vous calculez les phénotypes, vous voyez que le rapport de probabilité de

vert rond, jaune rond, vert froissé, jaune froissé

s'avère être 9:3:3:1. Le comptage minutieux de Mendel de ses différents types de plantes a révélé que les ratios étaient suffisamment proches de cette prédiction pour qu'il puisse conclure que ses hypothèses étaient correctes.


Voir la vidéo: GENÉTICA NO VESTIBULAR: LEIS DE MENDEL, GENES, DNA E CROMOSSOMOS. QUER QUE DESENHE? (Janvier 2022).