La reproduction des plantes à fleurs, ou angiospermes, est un processus fascinant qui implique à la fois la méiose et la fécondation. Ce cours explore en détail ces processus, en mettant en lumière les structures impliquées et les mécanismes qui assurent la diversité génétique.
Modes de Reproduction des Plantes : Sexuée et Asexuée
Commençons par définir les deux modes de reproduction chez les plantes : la reproduction asexuée et la reproduction sexuée.
Reproduction asexuée : Ce mode de reproduction se produit lorsqu'un seul parent donne naissance à des descendants, ou de nouveaux organismes vivants. Les descendants produits de manière asexuée héritent de tout le matériel génétique du parent unique, ce qui en fait des clones génétiquement identiques du parent. Par exemple, la plante Kalanchoe pinnata peut se reproduire de manière asexuée en formant des plantules miniatures sur le bord de ses feuilles, chacune pouvant tomber, pousser des racines et devenir une nouvelle plante identique à son parent.
Reproduction sexuée : Dans ce cas, la progéniture, ou de nouveaux organismes vivants, est produite par la combinaison du matériel génétique de deux parents différents. Les descendants produits par voie sexuelle sont génétiquement différents de leurs parents. Par exemple, lorsqu'un plant de tomates produit des graines, chaque graine se transforme en une plante légèrement différente du parent : elle est peut-être plus grande ou plus résistante aux maladies.
Les plantes se reproduisent de façon sexuée, asexuée ou les deux !
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Le Cycle de Reproduction des Plantes en Biologie
Deux stades multicellulaires distincts caractérisent le cycle de reproduction d'une plante : le gamétophyte haploïde et le sporophyte diploïde, l'un donnant naissance à l'autre, un phénomène connu sous le nom d'alternance des générations. L'alternance des générations distingue les plantes des animaux, qui n'ont qu'un seul stade multicellulaire. Alors que les cellules diploïdes d'un animal se divisent par mitose, à partir du zygote, pour produire son corps diploïde, ses cellules haploïdes ne subissent pas de mitose - elles deviennent simplement des gamètes haploïdes unicellulaires. En revanche, chez les plantes, les cellules haploïdes et diploïdes subissent toutes deux la mitose, ce qui signifie que les plantes produisent deux types de corps multicellulaires. C'est ce que nous entendons par deux stades multicellulaires.
Avant d'entrer dans les détails de ce cycle de reproduction, revoyons la définition de certains termes que tu rencontreras tout au long de l'article :
- Haploïde (noté 'n') signifie avoir un seul jeu de chromosomes.
- Diploïde (noté '2n') signifie avoir deux jeux de chromosomes (un jeu provenant de chaque parent).
- Les gamétophytes sont des plantes haploïdes qui produisent des gamètes par mitose.
- Les sporophytes sont des plantes diploïdes qui produisent des spores par méiose.
- Un gamète est une cellule germinale haploïde mature qui, lorsqu'elle est fusionnée avec un autre gamète du sexe opposé, forme un zygote diploïde (ou œuf fécondé).
- Les spores sont de petites unités de reproduction (unités de reproduction asexuée), généralement haploïdes et unicellulaires, qui peuvent donner naissance à un nouvel individu sans fusion sexuelle.
Étapes du Cycle de Reproduction des Plantes
Les étapes du cycle de reproduction généralisé des plantes sont résumées comme suit :
- Un sporophyte diploïde mature produit quatre spores haploïdes par méiose.
- Ces spores haploïdes subissent une mitose et se développent en un individu haploïde multicellulaire mature appelé gamétophyte.
- Le gamétophyte produit des gamètes mâles et/ou femelles (spermatozoïdes et ovules, respectivement) par mitose.
- La fécondation, ou la fusion des gamètes mâles et femelles, forme un zygote diploïde.
- Le zygote subit une mitose et se transforme en un sporophyte diploïde multicellulaire.
- …et le cycle recommence !
Caractéristiques et Fonctions du Cycle de Reproduction des Plantes
L'une des deux générations peut être dominante, c'est-à-dire que l'individu de la génération dominante vit plus longtemps et grossit plus que celui de la génération moins dominante. Au contraire, les individus de la génération non dominante sont généralement minuscules et vivent dans ou sur l'individu dominant.
Généralement :
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- Les plantes non vasculaires ont une génération dominante de gamétophytes, le sporophyte dépendant du gamétophyte.
- Les plantes vasculaires sans graines ont une génération dominante de sporophytes. Le gamétophyte ne dépend pas de la génération diploïde.
- Les plantes à fleurs (Angiospermes) et les plantes non fleuries (Gymnospermes) ont une génération sporophyte dominante, le gamétophyte dépendant du sporophyte.
Reproduction Sexuée : Méiose et Fécondation
Deux phénomènes biologiques fondamentaux caractérisent la reproduction sexuée et sont responsables du brassage de l’information génétique : la méiose et la fécondation.
La Méiose : Production de Gamètes Haploïdes
La méiose est un type de division cellulaire qui assure la production de cellules reproductrices, les gamètes. Le pollen contient les gamètes mâles, et l’ovule contient un gamète femelle. Dans le noyau des cellules, les chromosomes d’un individu sont associés par paires, ce sont des chromosomes homologues. Ainsi, l’individu est diploïde (2n).
À l’issue de la méiose, les gamètes sont haploïdes (n) et ne possèdent pas tous la même information génétique en raison des crossing-over et de la séparation aléatoire des chromosomes homologues. De plus, une cellule diploïde possède deux copies d’un même gène, une sur chaque chromosome de la paire d’homologues : ce sont les allèles. Lors de la séparation des chromosomes homologues par méiose, il y a également séparation des allèles. Chaque gamète ne peut recevoir que l’un ou l’autre des deux allèles d’un même gène.
La Fécondation : Union des Gamètes et Formation du Zygote
La fécondation est l’union d’un gamète mâle et d’un gamète femelle. Celle-ci réunit les deux noyaux haploïdes et donne naissance à un œuf diploïde. L’œuf, puis la nouvelle plante, possède la même quantité d’information génétique que ses deux parents et les nouvelles paires de chromosomes homologues présentent donc des allèles issus du pollen et des allèles issus de l’ovule.
Cycle de Reproduction d'une Plante à Fleurs (Angiosperme)
Maintenant que nous avons une idée générale de la façon dont les plantes alternent entre deux stades, zoomons sur les variations de ce cycle de reproduction à travers les groupes de plantes, en commençant par les plantes à fleurs.
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Structures de Reproduction des Plantes à Fleurs
Tout d'abord, voici un rapide récapitulatif des parties reproductrices d'une plante à fleurs:
- Le pistil représente les parties reproductrices femelles de la fleur. Il est composé de l'ovaire, du style et du stigmate.
- L'ovaire contient les ovules. Chaque ovule contient un mégasporange, qui contient les mégasporocytes. Lorsqu'un mégasporocyte subit la méiose, il produit quatre mégaspores, mais une seule survit. Il subit alors une mitose pour devenir le sac embryonnaire. Le sac embryonnaire est le gamétophyte femelle.
- Le style fait remonter le stigmate au-dessus de l'ovaire et des autres parties de la fleur.
- Le stigmate est une structure à la surface collante qui piège le pollen.
- L'étamine représente les parties reproductrices mâles de la fleur. Elle est composée de l'anthère et du filament.
- L'anthère est constituée de microsporanges, qui contiennent des microsporocytes. Les microsporocytes se divisent par méiose pour produire des microspores qui se transforment en pollen. Chaque grain de pollen est un gamétophyte mâle producteur de spermatozoïdes. Il contient une cellule génératrice et une cellule tube.
- Le filament relie l'anthère à la fleur.
Reproduction des Plantes à Fleurs : Pollinisation et Fécondation
Alors, comment une plante à fleurs (angiosperme) se reproduit-elle ? Commençons par la pollinisation.
Le déplacement du pollen de l'anthère vers le stigmate, et finalement vers l'ovule, s'appelle la pollinisation. Une fois déposé sur le stigmate, le pollen absorbe le liquide produit par le stigmate et germe en formant un tube pollinique qui permet la progression des gamètes jusqu’à l’ovaire.
Lorsque la pollinisation a lieu dans de bonnes conditions, le grain de pollen germe, ce qui entraîne la croissance de la cellule tubulaire à l'intérieur du style. La cellule générative entre alors dans le tube et subit une mitose, formant deux spermatozoïdes. Le tube pollinique passe à travers le micropyle, qui est une ouverture dans l'ovule.
Un spermatozoïde féconde l'ovule, formant un zygote diploïde. L'autre spermatozoïde féconde deux noyaux polaires dans le sac embryonnaire, formant une cellule triploïde, qui se développera plus tard en endosperme qui nourrira l'embryon. Ces deux événements de fécondation sont collectivement appelés double fécondation, et c'est un processus unique aux Angiospermes !
L'ovule fécondé forme maintenant la graine, tandis que l'ovaire forme le fruit qui entoure la graine. Lorsque la graine germe, l'embryon se développe en un nouvel individu sporophyte. La génération du sporophyte des angiospermes est plus dominante que celle du gamétophyte : le gamétophyte est attaché au sporophyte et en dépend.
De l’Ovule à la Graine : Rôle de la Fécondation
Chez les Angiospermes, l’ovule est généralement limité par deux téguments et présente un orifice, ou micropyle, à son extrémité. L’ovule est constitué d’un tissu homogène diploïde, le nucelle. Il est lié au carpelle au niveau du hile.
Dans le nucelle, une cellule proche du micropyle donne naissance à 4 cellules par méiose dont 3 avortent. La cellule restante, haploïde (1n chromosomes), se divise pour former les 8 cellules du sac embryonnaire. L’oosphère (gamète femelle) se situe au niveau du micropyle, encadrée par 2 synergides. Les deux noyaux au centre du sac (noyaux polaires) fusionnent constituant ainsi un noyau secondaire diploïde, et 3 cellules antipodes restent au fond du sac embryonnaire.
On distingue 3 types principaux d’ovules chez les Angiospermes selon les positions respectives du hile et du micropyle: les ovules droits ou orthotropes pour lesquels, le hile et le micropyle sont opposés (Cistacées, Polygonacées, Juglandacées, Urticacées, Platanacées,…) ; les ovules campylotropes qui se courbent sur eux-mêmes (Cannabinacées, Caryophyllacées, Chénopodiacées, Crucifères, Papilionacées,…) et les ovules anatropes, la forme la plus courante, dont le micropyle se trouve proche du hile.
Germination du Grain de Pollen et Fécondation
Une fois déposé sur le stigmate, le grain de pollen s’hydrate et produit un tube qui pénètre dans le style et progresse jusqu’au sac embryonnaire. L’acheminement jusqu’à l’oosphère est facilité par la proximité du hile dans le cas des ovules anatropes, alors que le tube pollinique doit s’engager dans la loge carpellaire pour atteindre le hile des ovules orthotropes. Le noyau végétatif localisé à l’extrémité du tube disparaît alors que le noyau reproducteur se divise en deux pour donner les deux gamètes mâles.
Les Angiospermes, tels que les fruitiers, sont caractérisés par une « double fécondation ». Un des gamètes mâles va fusionner avec l’oosphère pour donner un œuf diploïde qui se divise et donne l’embryon. La fusion du deuxième gamète avec les noyaux polaires donnera naissance à un tissu de réserves triploïde (1n chromosomes paternels + 2n chromosomes maternels), l’albumen.
La Graine : Emboîtement de Structures aux Identités Génétiques Différentes
La graine provient du développement de l’ovule : les téguments de l’ovule se transforment en téguments de la graine et sont diploïdes (2n, maternels) ; l’embryon diploïde (1n maternels + 1n paternels) se développe dans un tissu triploïde (2n maternels + 1n paternels), l’albumen, qui croit aux dépends d’un tissu diploïde, d’origine maternelle, le nucelle qui prend le nom de périsperme.
Pollinisation et Qualité des Fruits
Le développement des fruits est contrôlé par la production d’auxine, hormone végétale, par les graines. Chez de nombreuses espèces de pommes et de poires il existe une corrélation positive entre la masse du fruit et le nombre de graines qu’il renferme. L’avortement des graines peut être responsable de la croissance irrégulière des fruits. Il est donc capital d’assurer une bonne pollinisation. Le nombre de graines intervient aussi sur la couleur, le goût et la texture de la chair des Kakis et la teneur en sucres des poires.
Pollinisation, Facteur de Production des Semences
La production des graines dépend évidemment de la pollinisation mais l’abondance du pollen intervient aussi, en particulier dans le cas des semences hybrides. Il est donc généralement recommandé de mettre des pollinisateurs (mouches, abeilles …) pour améliorer la production et la qualité des semences.
Comment Naissent les Fruits
Le passage de la fleur au fruit ou « nouaison » est normalement consécutif à la fécondation. Si la nouaison a lieu sans fécondation, on parle de parthénocarpie et le fruit ne renferme pas de graines. En absence ou non de fécondation, la paroi de l’ovaire donne naissance aux tissus du fruit. Elle peut se développer soit en une structure succulente et aboutir ainsi aux fruits charnus comme les baies (raisin, banane, tomate …), les piridions (pomme et poire) et les drupes (olive, pêche, cerise …) ou bien évoluer vers une structure lignifiée à maturité dans le cas des fruits secs.
Diversité et Adaptation : Stratégies de Reproduction Chez les Angiospermes
Les angiospermes présentent une diversité remarquable dans leurs stratégies de reproduction, allant de l'autofécondation à l'allogamie, et adaptées à différents environnements et pollinisateurs.
Autofécondation vs. Allogamie : Assurer la Reproduction
L’autofécondation ou autogamie correspond à l’union d’un gamète mâle et d’un gamète femelle d’une même fleur, fleur forcément hermaphrodite. L’autofécondation n’est pas majoritaire chez les angiospermes. Elle est cependant obligatoire pour certaines fleurs qui seront alors qualifiées de cléistogames.
L’allogamie est dépendante de l’intervention d’éléments pollinisateurs comme le vent, les animaux et parfois l’Homme.
Obstacles à l’Autofécondation : Favoriser le Brassage Génétique
Plusieurs mécanismes existent pour éviter l'autofécondation et favoriser la diversité génétique :
Séparation des organes reproducteurs dans l’espace : Une plante, en portant à la fois des fleurs unisexuées mâles et des fleurs unisexuées femelles, diminuera la probabilité d’autofécondation. L’espèce est alors dite monoïque. Dans 4 % des genres, les fleurs unisexuées sont portées par des individus différents. L’espèce est alors dite dioïque.
Barrières mécaniques : Chez certaines espèces hermaphrodites, il existe des barrières mécaniques empêchant l’autofécondation.
Obstacles physiologiques : C’est le cas par exemple, quand la maturité des organes reproducteurs est décalée dans le temps. Les étamines sont mûres soit avant le pistil, on parle alors de protandrie, soit après le pistil et on parle alors de protogynie.
Obstacles génétiques : Comme la stérilité mâle de la fleur qui correspond à une incapacité de la plante à produire du pollen fécondant ou des mécanismes d’auto-incompatibilité pollen/pistil.
Vecteurs de Pollinisation : Vent, Insectes et Autres Agents
Il existe différents types de vecteurs de pollinisation :
Les fleurs anémogames sont pollinisées par le vent. Elles sont discrètes, souvent verdâtres et inodores. Elles libèrent de grandes quantités de pollen lisse et de très petite taille qui peut être transporté par le vent sur de très grandes distances.
Les fleurs entomogames sont pollinisées par les insectes. Elles sont très fréquentes et représentent 90 % des espèces chez les angiospermes. Les insectes ont une sensibilité très développée pour les composés volatiles émis par les fleurs et le nectar produit à partir des nectaires est une ressource alimentaire pour les insectes.
Reproduction Asexuée : Une Alternative à la Reproduction Sexuée
En conditions naturelles, certains végétaux se multiplient sans passer par la reproduction sexuée. Un nouvel individu se forme à partir d’un organe de la plante « mère ». On appelle clones tous les individus nés d’un même organisme et possédant le même patrimoine héréditaire.
Multiplication par stolons : Dans le cas du fraisier par exemple, il y a formation de tiges aériennes rampantes. De place en place, se forment des bourgeons et des racines qui sont le point de départ de nouveaux pieds.
Multiplication par tubercules : Par exemple, pour la pomme de terre, des tiges souterraines renflées par les réserves permettent d’obtenir une nouvelle plante par développement de bourgeons (les yeux, donnant des germes).
Multiplication par rhizomes : Dans le cas de l’asperge par exemple, ce sont des tiges souterraines pouvant s’enraciner et donner une nouvelle plante.
Multiplication par bulbilles : Les bulbes secondaires (bulbilles), formés à partir du bulbe, s’en détachent, puis s’enracinent pour se développer en une nouvelle plante comme chez l’ail par exemple.
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