Elments de botanique Cours 1 Gnralits 05022019 Bac

Eléments de botanique Cours 1 Généralités 05/02/2019 Bac 1 sciences pharmaceutiques et sciences biologiques Denis Michez Denis. michez@umons. ac. be 1

Objectif du cours n Fournir les grands principes de base permettant de décrire, comprendre, connaître et reconnaître les végétaux Assimilation 2

Pour se faire … n Cours théoriques (30 h) n Travaux pratiques en salle (30 h pour les bios, 15 h pour les pharmas) et Herbier (travail personnel) n Examens 3

Organisation du cours théorique Introduction générale (cours 1 -2) n Caractéristiques de la vie n Caractéristiques des végétaux n Classification n Métabolisme végétal n Les premiers végétaux q Cyanobactéries q Eucaryotes: reproduction et cellule 4

Organisation du cours théorique Evolution et caractéristiques des végétaux eucaryotes (cours 3 -5) n Champignons n Algues n Métaphytes (plantes vraies) 5

Organisation du cours théorique Evolution et caractéristiques des métaphytes (cours 6 -9) n Bryophytes n Ptéridophytes n Gymnospermes n Angiospermes 6

Organisation du cours théorique Evolution et caractéristiques des Angiospermes (cours 10 -13) n Organographie n Histologie n Fleurs § § n Morphologie Pollinisation Fruits § § Morphologie Dissémination 7

Organisation du cours théorique Evolution et caractéristiques des Angiospermes (cours 14 -15) n Diversité n Ecologie n Plantes et hommes 8

TREE OF LIFE Arbre de la vie

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Organisation des travaux pratiques 7 séances pour les biologistes (avec rapport) n n n n Procaryotes et Champignons Bryophytes et Ptéridophytes Gymnospermes Angiospermes, histologie Angiospermes, biologie florale Angiospermes, fruits et graines Angiospermes, systématique 12

Organisation des travaux pratiques 4 séances pour les pharmaciens (avec rapport) n n Cryptogammes: Champignons, Bryophytes et Ptéridophytes Gymnospermes Angiospermes, histologie Angiospermes, biologie florale, fruits et graines, et systématique 13

L’herbier – Pour les biologistes n 30 plantes de 25 familles différentes § 3 arbres maximum § 1 Bryophyte minimum § 1 Ptéridophyte minimum § 2 Poaceae et 2 Asteraceae n Plantes du territoire de la Flore du Jardin botanique Belgique n n Plantes sauvages (largement préférées) Plantes cultivées : q q n De grandes cultures ou potagères : OK Ornementales : NON Plantes protégées: NON n Plantes herbacées : organes aériens en fleurs ou en fruit n Arbres et arbustes : Extrémité fleurie + rameau de feuilles et si possible avec fruits 14

L’herbier – Pour les 10 plantes de 10 familles différentes pharmaciens n § § n 1 Bryophyte minimum 1 Ptéridophyte minimum Plantes du territoire de la Flore du Jardin botanique Belgique n n Plantes sauvages (largement préférées) Plantes cultivées : q q n De grandes cultures ou potagères : OK Ornementales : NON Plantes protégées: NON n Plantes herbacées : organes aériens en fleurs ou en fruit n Arbres et arbustes : Extrémité fleurie + rameau de feuilles et si possible avec fruits 15

Evaluation – Pour les biologistes q 50% pour la partie théorique : Examen oral q 50% pour la partie pratique : v Examen pratique (60%) v Rapport de TP + interrogation (20%) v Herbier (20%) 16

Evaluation – Pour les pharmaciens q 60% pour la partie théorique : Examen oral q 40% pour la partie pratique : v Examen pratique (60%) v Rapport de TP + interrogation (20%) v Herbier (20%) 17

Plan du cours 1 Introduction générale n Caractéristiques générale, métabolisme, origine et classification de la vie n Caractéristiques des végétaux n Métabolisme végétal 18

Chapitre 1 – Caractéristiques de la vie (1/3) • Etat non diffus : tous les organismes sont constitués de cellules (théorie cellulaire) Cellule végétale Cellule animale Cellule végétale 19

Chapitre 1 – Caractéristiques de la vie (1/3) • Etat non diffus : la cellule délimitée par, au moins, une bi-couche lipidique contenant un cytoplasme 20

Chapitre 1 – Caractéristiques de la vie (1/3) • Cellule complexe et très organisée (voir cours de biologie générale et prochain cours d’éléments de botanique) 21

Chapitre 1 – Caractéristiques de la vie (2/3) • Etat non diffus • Composition chimique particulière basée sur le carbone (sucres, protéines, acides nucléiques, lipides, métabolites secondaires) 22

Chapitre 1 – Caractéristiques Abondance des éléments chimiques dans la matière vivante 23

Chapitre 1 – Caractéristiques Abondance des éléments chimiques dans la croûte terrestre 24

Chapitre 1 – Caractéristiques de la vie (3/3) • Etat non diffus • Composition chimique particulière basée sur le carbone • Système ouvert : échange, avec le monde extérieur, de matière et d’énergie pour croître et se reproduire (=métabolisme) 25

Chapitre 1 – Caractéristiques Métabolisme • Ensemble des réactions chimiques ü ANABOLISME : Elaboration de molécules complexes Exemple : 2 CO 2 + NO 3 - + 14 e- + 15 H+ CH 2 NH 2 COOH (glycine) Une réaction de biosynthèse est presque toujours couplée à l’hydrolyse de l’ATP de la manière suivante: X-OH + YH XY + H 2 O ATP + H 2 O ADP + P _____________________ X-OH + Y-H + ATP XY + ADP + P 26

Chapitre 1 – Caractéristiques Métabolisme • Ensemble des réactions chimiques ü CATABOLISME : dégradation de molécules complexes Exemple : glucose + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ → 2 pyruvate* + 2 ATP + 2 (NADH + H+) + 2 H 2 O 27

Chapitre 1 – Caractéristiques D-glucose Pyruvate 2 ADP 2 ATP + + 2 Pi + 2(NADH+H+)+ 2 NAD+ 2 H 2 O 2 Production d’énergie 28

Chapitre 1 – Caractéristiques Métabolisme • Pour réaliser les réactions, un organisme doit se procurer: ü Energie ü Carbonne ü Pouvoir réducteur (H+ et e-) 29

Chapitre 1 – Caractéristiques Métabolisme • Diversité dans les métabolismes ü Selon la source d’énergie : Phototrophe ou Chimiotrophe 30

Chapitre 1 – Caractéristiques Métabolisme • Diversité des métabolismes ü Selon la source d’énergie : Phototrophe ou Chimiotrophe 31

Chapitre 1 – Caractéristiques Métabolisme • Classement ü Selon la source de carbone : Autotrophe ou Hétérotrophe 32

Chapitre 1 – Caractéristiques Métabolisme • Classement ü Selon la source de carbone : Autotrophe ou Hétérotrophe D-glucose Pyruvate 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ 2 ATP + 2(NADH+H+)+ 2 H 2 O 33

Chapitre 1 – Caractéristiques Source de carbonne Minérale Organique Autotrophie Hétérotrophie Lumière Source d’énergie Phototrophie Chimiotrophie 34

Chapitre 1 – Caractéristiques Source d’énergie Source de carbonne Minérale Organique Autotrophie Hétérotrophie Lumière -Bactéries sulfureuses Phototrophie -Cyanobactéries -Algues -Métaphytes Chimie Chimiotrophie 35

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Chapitre 1 – Caractéristiques Lumière Source d’énergie Phototrophie Source de carbonne Minérale Organique Autotrophie Hétérotrophie -Bactéries sulfureuses - Quelques bactéries (groupes non traités dans ce -Cyanobactéries cours) -Algues -Métaphytes Chimie Chimiotrophie 37

Chapitre 1 – Caractéristiques Source d’énergie Source de carbonne Minérale Organique Autotrophie Hétérotrophie Lumière -Bactéries sulfureuses Phototrophie -Cyanobactéries - Quelques bactéries (groupes non traités dans ce cours) -Algues -Métaphytes Chimie Chemotrophie - Quelques bactéries (groupes non traités en détails) 38

Les chimio-lithotrophes tirent leur énergie de l’oxydation de substances inorganiques: 2 NH 3 + 4 O 2 H 2 S + 2 O 2 2 HNO 3 + 2 H 2 O H 2 SO 4 Des vastes colonies de chimio-lithotrophes à croissance extrêmement lente ont été découvertes à 5 km de profondeur de l’océan

Chapitre 1 – Caractéristiques Source d’énergie Minérale Source de carbonne Organique Autotrophie Hétérotrophie Lumière -Bactéries sulfureuses Phototrophie -Cyanobactéries -Quelques bactéries (groupes non traités dans ce cours) -Algues -Métaphytes Chimie Chimiotrophie -Quelques bactéries -Nombreuses bactéries (groupes non traités en -Protoctistes non pigmentés détails) -Animaux -Champignons 40

Levures 41

Chapitre 1 – Origine D’où vient cette vie? Comment est-elle apparue? 3 hypothèses sur l’origine de la vie • Origine exogène • Origine atmosphérique • Origine hydrothermale 42

Chapitre 1 – Origine Théorie d’une origine exogène Terre suffisamment froide pour H 2 O▼(4. 5 Gy), atmosphère e-, pas d’O 2 libre, T° semblables Chutes météoritiques 10. 000 tonnes/an de matériel Chondrites carbonées (inclusions µm) >3. 5% C et 25% H 2 O origine abiotique des molécules organiques Exploration : robot Philae

Chapitre 1 – Origine Théorie d’une origine atmosphérique Terre suffisamment froide pour H 2 O▼(4. 5 Gy), atmosphère e-, pas d’O 2 libre Origine atmosphérique Expériences de Oparin-Haldane (1920) et Urey-Miller (1953) Mélanges gazeux e- (CH 4, NH 3, H 2 O. . . ) + énergie (électrique) donnent composés organiques dont A. A. , sucres, bases azotées. . . Mais atmosphère primitive non réductrice (voir Venus ou Mars) Plutôt neutre (CO, CO 2, N 2. . . ) Résultats probants mais hypothèse moins probable

Expérience de Stanley Miller et Harold Urey (1953) simulant les effets d’éclairs d’orage dans l’atmosphère réductrice primitive (H 2 O, CH 4, NH 3, H 2). Mais atmosphère primitive non réductrice (voir Venus ou Mars) O 2 vient de photosynthèse > non oxydant Plutôt neutre (CO, CO 2, N 2. . . ) Résultats probants mais moindres

Chapitre 1 – Origine Théorie d’une origine hydrothermale Conditions des réactions: Intrusion magma dans schistes & zéolites (Al Si. O-(H 2 O)n + métaux), adsorbeurs sélectifs et catalyseurs H+ + apports d’eau chaude ( 300°C) possibilité de synthèse de matériaux organiques

Chapitre 1 – Origine Théorie d’une origine hydrothermale Hypothèse de Wachterhaüser: rôle de la pyrite comme catalyseur métallique de la MO

Chapitre 1 – Origine Théorie d’une origine hydrothermale • • • sur base d’analyse moléculaire (ARNr), les + anciennes bactéries sont (hyper)thermophiles et chimio-lithotrophes les sources sont-elles à l’origine de la vie OU le refuge de formes de vie primitives? elles ont sûrement servi de réservoir lors de catastrophes de grande ampleur (météorites. . . ) importance des recherches sur formes de vie primitive dans Ø sources hydrothermales Ø Mars, Europe (satellite Jupiter), Io Ø Lac Vostok (Antarctique) Ø et tout lieu où H 2 O liquide subsisterait grâce à énergie géothermale

Chapitre 1 Premières traces Traces directes fossiles Plus ancien fossile animal, 550 millions d’années, Eponge, Australie Plus ancien fossile, 3. 5 millards d’années, stromatolites, Australie

Chapitre 1 – Origine Premières traces Traces indirectes (réactions du métabolisme)

Chapitre 1 – Origine De la Vie aux "cellulaires" Origine génique (ARN). Problème d’être source et finalité. . • Peu importe l’origine des molécules premières organiques, elles se sont accumulées et certaines ont eu tendance à se regrouper. • Photosynthèse vers 3 -2. 7 Gy: H depuis H 2 S (sources H. ) puis H 2 O premières Cyanophycées. • O 2 , + O 3, –UV.

Chapitre 1 – Origine De la Vie aux "cellulaires" Soupe originelle ¨ 3. 5 Gy ¨Anaérobie + hétérotrophie ¨Glycolyse ¨puis appauvrie en Mol. Org. (Chimio-Photo)synthèse rôle du S puis de l’O 2 comme accept. ¨ apparition O 2 + O 3 ¨ détoxication (respiration)

Origine: de la Vie aux "cellulaires" Colonisation de la terre postérieure pluricellulaires Origine aquatique

Evolution des principaux clades Ancêtre commun des organismes eucaryotes Ancêtre commun des organismes cellulaires

Chapitre 1 – Classification Diversité et classification • 30 millions d’espèces • Niveau fondamentale : espèce (= individus semblables interféconds) • Espèces semblables dans le même genre • Sciences de la systématique et de la taxonomie

Chapitre 1 – Classification Systématique et taxonomie ont pour objet la description, la dénomination et la classification n Schéma logique de relations entre unités (ou OTU) 58

Chapitre 1 – Classification Description des organismes 1. n n n n Couleur Odeur Propriétés gustatives Morphologie ADN Protéomes Toxicité … 59

60

VS 61

Chapitre 1 – Classification Nomenclature des organismes 2. n n Donner un nom associé à des caractéristiques Permet de communiquer les informations Boletus edulis Linné, 1753 62

Atropa belladona L. 1753 Description morphologique Diagnose Usage 63

VS Boletus edulis Linné, 1753 Boletus satanas Lenz, 1831 64

Chapitre 1 – Classification 3. Classification des plantes Parler d’un individu nécessite de lui donner un « nom » Si le nombre d’individus est limité, un nom unique suffit Si le nombre est élevé, il faut des « regroupements » Pierre du labo d’en face Pierre de la famille Dupond La chèvre, le loup, le serpent, … … cela devient impossible avec les plantes La nécessité de classer est reconnue dès l’Antiquité ! 65

Chapitre 1 – Classification Systématique versus Taxonomie - - Un groupe d’objet= un taxon Définition (description et nomenclature) du groupe: taxonomie Lien entre les groupes: systématique 66

Chapitre 1 – Classification Homme Poireau Règne Animalia (Animaux) Plantae (Plantes) Phylum = Division = Chordata (Cordés) Embranchement Angiospermophyta (Angiospermes) Classe Mammalia (Mammifères) Liliidae Ordre Primates (Primates) Liliales (Liliales) Famille Hominidae (Hominidés) - idae Alliaceae (Alliacées) - aceae Genre Homo (Homme) Allium (Ail) Espèce sapiens (Homme moderne) porrum (Poireau) 67

Utilité ? n Reconnaissance répétée n Communication des observations n Accumulation de preuves 68

Utilité ? n Indispensable pour parler de la même espèce Nourriture, médicaments, teintures …. n Evolution C. Darwin “On the origin of species” n > Prédictions Médicaments, amélioration cultures, espèces potentielles envahissantes … 69

Utilité ? n Agriculture, horticulture, sylviculture Nommer, échanger, cerner besoins physiologiques, amélioration variétale … n Ecologie et biodiversité Déduire des caractéristiques (sol-climat) à partir de la flore Toute la conservation de la nature basée sur des inventaires (a-biodiversité)! 70

Chapitre 1 – Classification q Science de la diversité des organismes n Découverte de la diversité évolutive Documenter les changements apparus au cours de l’évolution n Décrire toutes les espèces n Þ Histoire évolutive Þ Pas que descriptions ! 71

Chapitre 1 – Caractéristiques des êtres vivants et des végétaux Classification du vivant : dichotomie plantes - animaux Linné [1707 -1778] • Suède • Fils de pasteur • Etude à Uppsala • Botaniste de formation • Nombreuses expéditions en Europe • Nombreux collaborateurs/étudiants 72

Chapitre 1 – Classification Critères de regroupements ? J. P. Tournefort K. von Linné B. Jussieu Bernard de Jussieu (1799 -1876) : « les caractères, dans leur addition, ne doivent pas être comptés comme des unités, mais chacun suivant sa valeur relative, de sorte qu'un seul caractère constant soit équivalent, ou même supérieur à plusieurs inconstants, unis ensemble » .

Chapitre 1 – Caractéristiques des êtres vivants et des végétaux Classification du vivant : dichotomie plantes – animaux Basée sur des observations simples Animaux Végétaux Mobiles Se nourrissent Respirent Temps de vie limité Pas de mobilité visible Pas d’alimentation visible Pas de respiration visible Temps de vie prolongé 74

Chapitre 1 – Classification erronée • Anthopocentrique • Anthropomorphique • Déiste • Fixiste

Autre exemple de classification erronée (gésier, bassin, mandibule. . . )

Chapitre 1 – Classification erronée • • Anthropocentrique Anthropomorphique Déiste Fixiste MAIS avec le 19ème siècle • Apport de nouvelles techniques et connaissances • Révolution de notre vision du monde • Théorie de l’évolution

J. P. Tournefort K. von Linné B. Jussieu Bernard de Jussieu (1799 -1876) : « les caractères, dans leur addition, ne doivent pas être comptés comme des unités, mais chacun suivant sa valeur relative, de sorte qu'un seul caractère constant soit équivalent, ou même supérieur à plusieurs inconstants, unis ensemble » . Charles Darwin (fin du 19ème) : « … la classification doit être basée sur une recherche de parenté ou d’ascendance… » .

Willi Hennig (1913 -1976): fondateur de la systématique phylogénétique « Les parentés évolutives entre espèces sont exprimées en rassemblant les espèces en groupes monophylétiques (clades). »

Un groupe monophylétique est un groupe d’organismes qui contient un ancêtre et l’ensemble de ses descendants

Caractères homologues

Caractères analogues

Chapitre 1 – Caractéristiques des êtres vivants et des végétaux Classification phylogénétique du vivant : 5 règnes (système de Whittakker) Essentiellement basé sur la distinction entre unicellulaire et pluricellulaire 83

Anatomie simple et uniforme 85

Cellule simple sans noyau

Métabolismes très variés n Bactéries autotrophes q q n Homoacétogène Méthanogènes hydrogénophiles (tractus intestinal des ruminants) Bactéries hétérotrophes q Méthanogènes acétoclastes (70% de la production de biogaz)

Cyanobactéries

Cellule eucaryotique : noyau et organites spécialisés Rough endoplasmic reticulum Smooth endoplasmic reticulum Nucleus Flagellum Not in most plant cells Lysosome Centriole Ribosomes Peroxisome Microtubule Cytoskeleton Intermediate filament Microfilament Golgi apparatus Plasma membrane Mitochondrion

Cellule eucaryotique : Grande diversité de forme, d’écologie et de complexité Trypanosoma Exemple Euglène 91

Cellule eucaryotique : Grande diversité de forme, d’écologie et de complexité Exemple Volvocales 92

3 règnes pluricellulaires • • Spécialisation fonctionnelle des cellules Organes spécialisés 93

Champignons: Décomposeurs et chimiohétérotrophe 95

Champignons: Cellule à paroi chitineuse 96

Métaphytes : Cormus et photoautoptrophe 98

Métaphytes : Organes spécialisés 99

Animaux: Chimiohétérotrophe par ingestion organique 101

Animaux: Chimiohétérotrophe par ingestion organique 102

Animaux: Mobilité comme adaptation au mode de nutrition (système nerveux et corps compact) 103

Animaux: Mobilité comme adaptation au mode de nutrition… parfois trop efficace ! 104

Anciennement végétaux en partie

Phylogénie moléculaire Vision actuelle de la Classification du vivant

Classification du vivant : 3 domaines 107

Classification du vivant : 3 domaines 108

Chapitre 1 – Caractéristiques des êtres vivants et des végétaux MAIS Définition Petit Robert du mot botanique: «science qui a pour objet l’étude des végétaux» , végétal y étant défini comme un «être vivant caractérisé par rapport aux autres (animaux) par une motilité et une sensibilité plus faibles, une composition chimique particulière (v. chlorophylle, cellulose), une nutrition à partir d’éléments simples» . 109

Questions n Quels critères utiliseriez-vous pour définir si une entité est vivante ou pas ? n Expliquez la méthodologie de la systématique. Quelle est don importance ? n Qui était Linné et quelle est sa contribution à la systématique contemporaine ?

Objectif du cours n Fournir les grands principes de base permettant de comprendre, connaître, décrire et reconnaître les végétaux Assimilation 111