Absorption de l’eau et des sels minéraux par les plantes

Le contenue du chapitre.

Télécharger le PDF du cours

Soutenez-nous sur Patreon pour télécharger

Introduction

Les plantes, organismes autotrophes, absorbent l’eau et les sels minéraux du sol pour produire la matière végétale « croissance végétale » ; c’est la nutrition minérale.

Comment les plantes prélèvent-elles l’eau du sol ?
Comment les plantes absorbent-elles les sels minéraux du sol ?
Comment les substances absorbées circulent-elles dans la plante ?

I – Absorption de l’eau

1 – Mise en évidence des échanges d’eau au niveau d’un tissu végétal

Données expérimentales :

On place des échantillons de pomme de terre, coupés en frites de même longueur, dans des tubes contenant des solutions de saccharose de concentrations croissantes.

Après une période d'incubation, les frites sont retirées des tubes et mesurées à nouveau. Le tableau ci-dessous présente les résultats obtenus.

Tube N	1	2	3	4	5	6	7
[Saccharose] mol/l	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	1
Longueur initiale (L0) en mm	50	50	50	50	50	50	50
Longueur finale (L1) en mm	53,8	52,9	51,8	48,9	48,1	47,8	47
*% de variation ((L1-L0)/L0)100**

Q-1 – Complétez le tableau.
Q-2 – Réalisez le graphique du pourcentage de la variation de la longueur des frites en fonction de la concentration du saccharose.
Q-3 – Analysez la courbe obtenue, et expliquez les variations observées sachant que les morceaux de frites sont imperméables au saccharose.

R-1 –

Tube N	1	2	3	4	5	6	7
[Saccharose] mol/l	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	1
Longueur initiale (L0) en mm	50	50	50	50	50	50	50
Longueur finale (L1) en mm	53,8	52,9	51,8	48,9	48,1	47,8	47
*% de variation (L1-.L0)/L0)100**	7.6	5.8	3.6	– 2.2	– 3.8	– 4.4	– 6

R-2 – Réalisation du graphique.

R-3 – On constate que la longueur des frites varie selon la concentration du saccharose. Elle augmente dans les solutions peu concentrées et diminue dans les solutions fortement concentrées. En outre, la variation de la longueur est nulle pour une concentration équivalente à presque (2.8 mol/l). Ainsi, on peut distinguer entre 3 types de solutions :

Solution hypotonique : peu concentrée et provoque l’allongement des morceaux de frites.
Solution hypertonique : fortement concentrée et provoque le raccourcissement des frites.
Solution isotonique : ne change pas la longueur des frites.

La variation de la longueur est due aux échanges d’eau entre les morceaux de frites et la solution du tube.

Remarque : les morceaux de pomme de terre sont des tissus végétaux constitués par plusieurs cellules végétales. Alors comment se font les échanges d'eau au niveau cellulaire ?

2 – Mise en évidence des échanges d’eau au niveau de la cellule

Manipulation :

Prélevez trois fragments d’épiderme supérieurs d’oignon violet (cellules à vacuole naturellement colorée).
Plongez chaque fragment dans une solution de saccharose de concentration déterminée (50 g/l, 100 g/l, 200 g/l) pendant 3 minutes.
Montez chacun des fragments entre lame et lamelle dans une goutte de la solution correspondante.
Observez les préparations au microscope.

La figure suivante présente les observations microscopiques obtenues.

Q-1 – Réalisez un schéma pour la cellule plasmolysée et un schéma pour la cellule turgescente.
Q-2 – Comparez les trois observations microscopiques.
Q-3 – Expliquez les différences observées.

R-1 – Réalisation des schémas.

R-2-

Dans une concentration de 50 g/l, la vacuole occupe presque tout le volume cellulaire, elle est remplie d’eau. On dit que la cellule est turgescente.
Dans une concentration de 100 g/l, le volume de la vacuole diminue, elle est moins remplie d’eau.
Dans une concentration de 200 g/l, la vacuole se rétracte et la membrane plasmique se décolle de la paroi squelettique (reste attachée à la paroi au niveau des plasmodesmes). On dit que la cellule est en état de plasmolyse.

R-3-

La turgescence est due à l’augmentation du volume de la vacuole (cellule), causée par l’entrée d’eau dans la cellule.
La plasmolyse est due à la diminution du volume de la vacuole (cellule), causé par la perte d’eau par la cellule.

3 – La loi d’osmose

a – Osmomètre : Expérience de Dutrochet

Une simulation 3D d'une expérience semblable

Manipulation :

Verser de l’eau pure dans un bécher.
Boucher l’extrémité évasée d’un tube en entonnoir par une membrane semi-perméable.
Verser dans ce tube une solution de sulfate de cuivre.
Plonger le tube dans le bécher.
Marquer le niveau initial de cette solution h0 au début de l’expérience.
Marquer le niveau de cette solution h1 au bout d’une heure.

La figure suivante présente l’expérience et ses résultats.

Q-1 – Analysez et expliquez les résultats de cette expérience.
Q-2 – Montrez, par des dessins explicatifs, que la loi de l’osmose explique les phénomènes de turgescence et de plasmolyse observés au niveau des cellules.

R-1 – Après une heure, le niveau de la solution de sulfate de cuivre augmente dans le tube dans l’entonnoir de h₀ à h₁.
On peut expliquer ces résultats par le passage de l’eau du compartiment le moins concentré (milieu hypotonique) vers le compartiment le plus concentré (milieu hypertonique). Ce passage de l’eau d’un compartiment vers l’autre s’effectue sous l’effet de la pression osmotique π.
La valeur de π peut être calculée en appliquant la formule suivante :
π = R x T x C Pa (Pascal).

R : la constante des gaz parfaits est égale à 8200.
T : la température du milieu en °K.
C : la concentration molaire du soluté en mol/I.

R-2-

A : La pression osmotique du milieu hypertonique est plus grande que π du milieu intracellulaire.
B : π du milieu isotonique est équivalente à π du milieu intracellulaire.
C : π du milieu hypotonique est inférieure à π du milieu intracellulaire.

b – Exemples de calcul de la pression osmotique

Calculez la pression osmotique des solutions suivantes :

Une solution de 23,4 g/l d’urée.
Une solution de 15 g/l de NaCl.

On prend T = 25 °C, M (urée) = 60 g/mol, M (NaCl) = 58,5 g/mol

Réponse :

Calcule de la pression osmotique de la solution d’urée.

Π = R x T x C = 8200 x (25 + 273) x (23,4 / 60) = 9,53x105 Pa.

Calcule de la pression osmotique de la solution de NaCl.

Π = R x T x C = (2) x 8200 x (25 + 273) x (15 / 58,5) = 12,53x105 Pa.
NB : Si la solution est ionique, on multiplie la valeur obtenue par le nombre d’ions.

Exercice : On met des cellules végétales dans des solutions alcooliques de concentrations croissantes (Mannitol M=182 g/mol) dans une température de 25 °C. Après quelques minutes, on réalise des observations microscopiques des cellules. Les résultats obtenus sont représentés par le tableau suivant.

Tube	1	2	3	4	5	6
Concentration (g/l)	20	30	40	50	60	70
États des cellules	Turgescence	Turgescence	Turgescence	Turgescence	Plasmolyse	Plasmolyse

Q – Déterminez la pression osmotique de la vacuole des cellules étudiées.

R – La pression osmotique de la vacuole est comprise entre la pression osmotique de la dernière solution qui a provoqué la turgescence et la pression osmotique de la première solution qui a provoqué la plasmolyse.

Calcule de la pression osmotique du tube 4 :
Π = R x T x C = 8200 x (25 + 273) x (50 / 182) = 6.71x105 Pa.
Calcule de la pression osmotique du tube 5 :
Π = R x T x C = 8200 x (25 + 273) x (60 / 182) = 8.05x105 Pa
Donc :
6.71x105 Pa < Π vacuole < 8.05x105 Pa.

II – Absorption des sels minéraux

1 – Mise en évidence du phénomène de diffusion

Pour mettre en évidence le phénomène de diffusion, on propose l’étude d’expérience présentée par la figure suivante.
Q-1 – Décrivez cette expérience et ses résultats.
Q-2 – Proposez une définition du phénomène de la diffusion

R-1-

Au début de cette expérience, on a délimité deux compartiments par une membrane en cellophane (perméable à l’eau et au sulfate de cuivre). Un compartiment contenant de l’eau distillée (à l’intérieur du sac en cellophane) et un compartiment contenant une solution de sulfate de cuivre (à l’extérieur).
À la fin de l’expérience, on remarque que la coloration bleue a diffusé à l’intérieur du sac en cellophane, donc les molécules de sulfate de cuivre ont diffusé du compartiment extérieur au compartiment intérieur à travers la membrane.

R-2 – La diffusion est le passage d’une substance (atome, ion ou molécule), à travers une membrane, du compartiment le plus concentré au compartiment le moins concentré. Elle continue jusqu’à l’établissement de l’équilibre entre les deux compartiments.

2 – Perméabilité des membranes biologiques

Pour connaître les types de perméabilité, on propose l’étude des données expérimentales présentées dans le tableau suivant.

Expériences

Résultats

1- Mettre des cellules dans une solution de rouge neutre (0.5 g/l), et du saccharose (300 g/l)

+ Après quelques minutes : Cellules plasmolysées, et vacuoles colorées en rouge.

+ Après 1h : Cellules plasmolysées, et vacuoles colorées en rouge.

2- Mettre des cellules dans une :

+ Solution de rouge neutre (0.5 g/l) pendant quelques minutes.

+ Puis dans de l'eau distillée.

+ Après quelques minutes : Vacuoles colorées en rouge.

+ Après 1h dans l'eau distillée : Vacuoles colorées en rouge, et l'eau distillée ne change pas de couleur.

Q-1 – En vous basant sur l’analyse de la 1ʳᵉ expérience, montrez que la perméabilité de la membrane plasmique est sélective.
Q-2 – En vous basant sur l’analyse de la 2ᵉ expérience, montrez que la perméabilité de la membrane vacuolaire est directionnelle vis-à-vis du rouge neutre.

R-1 –

Durant les premières minutes, les cellules sont plasmolysées malgré l’entrée rapide du rouge neutre dans la vacuole (coloration en rouge). Cette plasmolyse est due à la sortie d’eau de la cellule, causée par la forte concentration du saccharose dans le milieu extérieur (milieu hypertonique).
Donc la membrane plasmique laisse passer le rouge neutre et ne permet pas le passage du saccharose (la membrane plasmique est très faiblement perméable au saccharose), c’est la perméabilité sélective.

R-2 –

Après quelques minutes dans une solution de rouge neutre, les vacuoles sont colorées en rouge. Cette coloration est due à la diffusion du rouge neutre du milieu extracellulaire (plus concentré) au milieu intracellulaire (moins concentré).
Après une heure dans de l’eau distillée, les vacuoles conservent la coloration rouge. Elles ne laissent pas sortir le rouge neutre, c’est la perméabilité directionnelle.

Remarque : les membranes biologiques se caractérisent aussi par une perméabilité différentielle (la vitesse de perméabilité est différente d’une molécule à une autre).

3 – Diffusion facilitée

Le graphique de la figure suivante montre les résultats de la mesure de la diffusion du glucose à travers la membrane plasmique et à travers une membrane synthétique dépourvue des protéines membranaires.

Q- Interprétez les résultats présentés par le graphique.

R- On remarque que la diffusion à travers la membrane synthétique augmente faiblement avec l'augmentation de la concentration externe du glucose. C'est la diffustion simple.

Par contre, la diffusion à travers la membrane plasmique augmente rapidement avec l'augmentation de la concentration externe du glucose et atteint un maximum. C'est la diffusion facilitée.

Explication : la diffusion rapide à travers la membrane plasmique est expliquée par l'intervention des transporteurs membranaires (protéines) qui facilitent le transport du glucose. Lorsque la vitesse de transport est maximale, tous les transporteurs sont saturés.

4 – Transport actif

Données expérimentales : Valonia est une algue verte marine unicellulaire en forme de sphère, son diamètre peut atteindre les 5 cm.
L’utilisation des isotopes radioactifs des ions Na+ et K+ montre qu’un échange permanent s’effectue entre Valonia et l’eau de mer.
Le tableau suivant montre une comparaison des concentrations des ions étudiés dans l’eau de mer et dans les vacuoles.

Ions	Concentration dans l’eau de mer (g/l)	Concentration dans la vacuole (g/l)
Na+	10,9	2,1
K+	0,5	20,1

Q-1 – Comparez les concentrations d’ions. Que peut-on conclure concernant les échanges d’ions qui s’effectuent entre Valonia et l’eau de mer ?
Sachant que le traitement des cellules de Valonia par des poisons qui bloquent la respiration cellulaire (responsable de la production d’ATP), conduit à la disparition de la différence de concentration entre l’eau de mer et l’intérieur des cellules.
Q-2 – Expliquez le maintien de la différence de concentration entre l’eau de mer et l’intérieur des cellules de Valonia.

R-1 – On remarque que les concentrations des ions diffèrent entre la vacuole et l’eau de mer, par exemple : la concentration de Na+ est plus grande dans l’eau de mer (10,9 g/l) par rapport sa concentration dans la vacuole (2,1 g/l).
Si les échanges d’ions entre les cellules de Valonia et l’eau de mer s’effectuent uniquement selon le phénomène de la diffusion, il faut que les différences de concentrations s’annulent.
Donc, il existe un phénomène qui maintient cette différence de concentration des ions.

R-2 – En plus de la diffusion, il existe un autre type de transport des molécules à travers la membrane plasmique, c’est le transport actif. Ce transport nécessite de l’énergie (ATP), et s’effectue dans le sens inverse de la diffusion, c’est-à-dire du milieu le moins concentré au milieu le plus concentré.

Remarque : ATP est l’adénosine triphosphate, c’est la molécule énergétique utilisée directement par les cellules vivantes.

III – L’absorption de l’eau et des sels minéraux au niveau de la racine

1 – Détermination de la zone d’absorption

Données expérimentales : On met cinq plantules dans cinq tubes, tel que :

Dans le tube A : On plonge la racine dans l’eau.
Dans le tube B : On plonge la coiffe et la zone pilifère dans l’eau, la zone subéreuse dans l’huile.
Dans le tube C : On plonge la coiffe dans l’eau, la zone pilifère dans l’huile.
Dans le tube D : On plonge la zone pilifère dans l’eau, la coiffe et la zone subéreuse dans l’huile.
Dans le tube E : On plonge la zone subéreuse dans l’eau, la zone pilifère et la coiffe dans l’huile.

La figure suivante montre les résultats de cette expérience.

Q – En se basant sur les résultats de cette expérience, déterminez la zone responsable de l'absorption d'eau et des sels minéraux.

R – On constate que les plantules flétrissent si la zone pilifère est mise dans l’huile. Par contre, elles ne flétrissent pas si la zone pilifère est mise dans l’eau.
Donc, les plantes absorbent l’eau et les sels minéraux par la zone pilifère, qui se caractérise par la présence des poils absorbants.

2 – Les poils absorbants

La figure suivante montre une observation microscopique d’une coupe transversale partielle d’une racine au niveau de la zone pilifère (A), et un schéma d’interprétation d’un poil absorbant.

Q - Quelle caractéristique du poil absorbant favorise l'absorption d'eau et de sels minéraux?

R – Le poil absorbant partage avec une cellule végétale ordinaire les mêmes constituants de base (paroi cellulosique, membrane cytoplasmique, …). La particularité du poil absorbant est qu’il possède un prolongement très long (poil). Ce prolongement assure une grande surface de contact avec le sol, ce qui favorise l’absorption de l’eau et des sels minéraux.

Quelques données supplémentaires :

Le diamètre du poil absorbant varie entre 12 et 15 µm. La longueur peut atteindre plusieurs millimètres.
Le nombre de poils absorbants chez les graminées peut atteindre 2000 / cm².
Les poils absorbants peuvent assurer chez une seule plante une surface de contact avec le sol de 400 m².

IV – Acheminement de la sève brute vers les feuilles

1 – Conduction latérale

Pour comprendre le mécanisme d’absorption de l’eau et des sels minéraux au niveau de la racine, on propose l’étude du schéma présenté par la figure suivante. Les chiffres inscrits dans les cercles du schéma indiquent des valeurs de la pression osmotique en atmosphère dans les différentes cellules d’une racine de fève situées entre le poil absorbant et le cylindre central.

Q – En vous basant sur le schéma, expliquez le passage d’eau depuis le sol jusqu’aux vaisseaux conducteurs.

R –

Du sol vers l’endoderme cortical, la pression osmotique augmente progressivement, ce qui permet aux molécules d’eau de traverser ces tissus par le phénomène d’osmose.
De l’endoderme aux vaisseaux conducteurs, la pression osmotique diminue, ce qui nécessite un transport actif pour assurer le passage des molécules d’eau vers les vaisseaux conducteurs.

2 – Acheminement vertical de la sève brute vers les feuilles

a – Rôle de la poussée radiculaire

En 1727 Hale utilise un pied de vigne coupé à la base de la tige pour mettre en évidence la poussée radiculaire qui explique l’écoulement de la sève.
La figure suivante présente l’expérience et ces résultats.

Q-1 – Interprétez les résultats de cette expérience.
Q-2 – Déduisez la relation entre la poussée radiculaire et la montée d’eau dans la plante.

R-1 – Le niveau de mercure augmente de t0 à t1. Cela peut être expliqué par l’augmentation du volume de la sève et l’eau qui exerce une pression sur le mercure induisant son augmentation. C’est la poussée radiculaire.
R-2 – La poussée radiculaire est une force (pression) exercée par les cellules de la racine pour assurer l’absorption de l’eau et faire monter la sève brute vers les parties supérieures de la plante.

b – Rôle de la transpiration

Pour mettre en évidence la relation entre la transpiration et l’absorption d’eau, on propose l’étude des résultats de l’expérience suivante.

Q - Que peut-on déduire des résultats de cette expérience.

R – On remarque que :

L'index du potomètre du dispositif (A) se déplace plus que l’index du potomètre du dispositif (B).
Le nombre de gouttes d’eau déposées sur la paroi interne du sac en plastique dans le dispositif (A) est plus grand que le nombre de gouttes déposées dans le dispositif B.

Donc, la plante qui a plus de feuilles transpire plus, ce qui entraîne une plus grande absorption d’eau. C’est un appel d’eau ascendant depuis la racine vers les feuilles (appel foliaire).

V – Les structures cellulaires intervenant dans l’absorption d’eau et des sels minéraux

1 – Structure et ultrastructure de la paroi squelettique

La paroi pectocellulosique a une structure symétrique. Au milieu, on trouve la lamelle moyenne entourée par deux parois cellulosiques (primaires et secondaires). Chimiquement, elle est constituée de deux substances de nature glucidique, la cellulose et la pectine. La paroi squelettique comporte des pores appelés plasmodesmes. Les plasmodesmes assurent la continuité entre les cytoplasmes des cellules voisines.
La paroi, par sa structure, assemble les cellules en tissus et permet aux cellules de résister à la pression de turgescence.

2 – Structure et ultrastructure de la membrane plasmique

La membrane plasmique est une structure dynamique (modèle de mosaïque fluide) qui délimite la cellule, elle sépare le cytoplasme du milieu extérieur.
La membrane plasmique est constituée essentiellement d’une bicouche de phospholipides, de cholestérols, de protéines et de chaînes oligosaccharides liés à des phospholipides et à des protéines.
La membrane plasmique joue un rôle très important dans la régulation des échanges entre la cellule et le milieu extérieur. Ainsi :

Dans la diffusion simple, les petites molécules non polaires et les petites molécules polaires non chargées traversent directement la bicouche lipidique, en suivant leur gradient de concentration.
Dans la diffusion facilitée, le soluté passe par des protéines transmembranaires (Les protéines porteuses et les canaux protéiques) en suivant son gradient de concentration.
Dans le transport actif, le soluté est transporté par des protéines de transport appelées pompes. Elles déplacent les solutés contre leurs gradients de concentration et consomment donc de l’énergie.

Bilan : Complétez le schéma suivant, qui illustre le rôle des différents constituants de la membrane plasmique dans l’organisation des échanges cellulaires avec le milieu extérieur.