Production de substances organiques chez les plantes domestiquées (sujet de métropole, juin 2025, ex. 1)

1. Production de matière organique par photosynthèse dans les feuilles et accumulation de molécules de réserve dans les organes de stockage de la plante

L'appareil racinaire des plantes permet l'absorption de l'eau et des ions minéraux du sol, qui sont transportés jusqu'aux parties aériennes chlorophylliennes de la plante, dont les feuilles. Les feuilles sont les organes privilégiés de la photosynthèse qui correspond à la synthèse de matière organique à partir de matière minérale, en présence d'énergie solaire. La photosynthèse a lieu dans les cellules chlorophylliennes des feuilles. Elle se déroule dans un organite intracellulaire spécialisé : le chloroplaste. Lors de la photosynthèse, l'énergie lumineuse y est convertie en énergie chimique. En effet, les pigments chlorophylliens des chaînes photosynthétiques de la membrane des thylakoïdes des chloroplastes absorbent l'énergie lumineuse, ce qui entraîne des transferts d'électrons le long de cette chaîne photosynthétique. Ces réactions s'accompagnent de l'oxydation de l'eau, ou photolyse de l'eau, qui libère de l'O₂. Le transfert d'électrons au niveau de la chaîne photosynthétique permet la production de différentes molécules dans le stroma du chloroplaste. Ces molécules sont utilisées pour réduire le CO₂ d'origine atmosphérique (absorbé par les feuilles) en molécules organiques. L'ensemble des réactions de réduction du CO₂, appelé cycle de Calvin, a lieu dans le stroma du chloroplaste et aboutit à la formation d'un premier glucide à 3 atomes de carbone, un triose-phosphate. Ensuite, l'association de deux trioses-phosphate permet la synthèse d'un glucide à six atomes de carbone, le glucose (C₆H₁₂O₆).
Après leur production lors de la photosynthèse, les glucides formés peuvent être stockés temporairement dans le chloroplaste ou rejoindre le cytoplasme de la cellule chlorophyllienne. Une partie des glucides sort de la cellule chlorophyllienne et rejoint la sève élaborée. Cette sève élaborée circule dans les vaisseaux conducteurs du phloème, permettant l'alimentation en matière organique de l'ensemble de la plante.
Les produits de la photosynthèse présents dans la sève élaborée parviennent ainsi dans les différents organes du végétal, où ils sont transformés, sous l'action d'enzymes, en molécules assurant différentes fonctions biologiques. En particulier, les glucides issus de la photosynthèse sont transformés en molécules de réserve dans des structures de la plante comme les graines ou d'autres organes de stockage, tels que les rhizomes ou les tubercules. Différentes formes de réserve de matières organiques existent : les glucides (comme l'amidon), les lipides ou encore les protéines. Par exemple, sur un fragment de tubercule de pomme de terre, la coloration à l'eau iodée permet de mettre en évidence la présence d'un glucide de réserve, l'amidon. L'observation au microscope d'un échantillon de tubercule coloré à l'eau iodée montre que l'amidon est stocké dans de nombreux organites spécifiques des cellules du tubercule : les amyloplastes.
Ainsi, la photosynthèse est ainsi un métabolisme autotrophe qui permet, à partir de matière minérale prélevée dans le milieu, de convertir l'énergie lumineuse en énergie chimique contenue dans la matière organique ainsi produite. L'équation-bilan de la photosynthèse est donc la suivante : 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂. Ces glucides synthétisés circulent ensuite dans les vaisseaux conducteurs du phloème où ils sont distribués à l'ensemble des organes de la plante. Au niveau des organes de stockage, ces glucides sont métabolisés en molécules de réserve de nature chimique variée. Comment les plantes cultivées ont-elles évolué sous l'effet de l'action humaine pour posséder des organes de réserve de plus en plus développés au cours du temps ?

2. La domestication crée des nouvelles plantes cultivées présentant des caractéristiques intéressantes pour l'espèce humaine

Les espèces végétales actuellement cultivées sont issues d'une domestication initiale d'espèces végétales précédemment sauvages. À partir du Néolithique, la domestication initiale a consisté en une sélection artificielle : l'espèce humaine a choisi des espèces sauvages intéressantes à cultiver. Cette sélection s'est poursuivie selon différentes modalités. Dans le passé, les paysans sélectionnaient certaines semences parce qu'elles produisaient des plantes avec des caractères intéressants, comme des organes de stockage plus développés ou des rendements plus élevés. Cette sélection empirique repose sur le contrôle génétique de caractères visibles des plantes et transmissibles à leur descendance, sans que ce déterminisme génétique ne soit connu à l'époque. Depuis les années 1900 environ, la sélection artificielle s'est poursuivie par une sélection moderne et programmée comme les hybridations provoquées. L'objectif est alors de réunir de manière permanente, dans une même variété, des caractères intéressants présents initialement dans deux variétés différentes. Plus récemment, depuis les années 1990, l'essor des biotechnologies permet la production de nouvelles variétés par génie génétique, c'est-à-dire par modification du génome (par transgénèse conduisant à la formation d'OGM ou Organismes Génétiquement Modifiés, ou encore par les techniques d'édition du génome avec l'outil CRISPR-Cas9).
Dans tous les cas, lors de cette sélection, ce sont des caractères gouvernés génétiquement et donc transmissibles à la descendance qui sont sélectionnés sous l'effet de l'action humaine. Ainsi ont été sélectionnées des variétés avec l'information génétique modifiée. L'expression de cette information génétique modifiée permet la réalisation de caractères intéressants pour la culture ou pour l'utilisation des plantes cultivées par l'espèce humaine. Par exemple, la betterave sucrière actuellement cultivée présente des organes de stockage plus développés que son ancêtre sauvage supposé, la betterave Beta vulgaris maritima. En effet, le tubercule de la betterave cultivée, formé par sa racine principale, est beaucoup plus volumineux (15 cm de diamètre) et beaucoup plus riche en sucres (20 % de sucre) que celui de Beta vulgaris maritima (diamètre de la racine de 3 à 4 cm et teneur en sucre de 4,5 %). Ainsi, à partir de la betterave ancestrale, la domestication humaine a conduit à l'obtention de la betterave sucrière actuelle. La taille importante et la forte teneur en sucre du tubercule de la betterave sucrière permettent l'obtention d'une quantité importante de saccharose, glucide couramment utilisé en alimentation humaine.

En conclusion, chez les plantes cultivées, la photosynthèse permet la production de glucides au niveau des feuilles. Ces glucides circulent ensuite dans les vaisseaux conducteurs et alimentent l'ensemble de la plante. Au niveau des organes de stockage, ces glucides sont métabolisés en molécules de réserve de différentes natures chimiques. Depuis la domestication initiale des plantes, l'espèce humaine a sélectionné par plusieurs processus des variétés végétales présentant de caractères intéressants pour la culture ou pour l'utilisation de ces plantes, comme des organes de réserve plus développés. Par ses actions de sélection, l'espèce humaine modifie donc les plantes cultivées. Cette sélection a des conséquences dans l'histoire des populations humaines, en contribuant à la sélection de certains caractères humains, comme la capacité à digérer efficacement l'amidon, glucide de réserve fréquent des plantes cultivées.