© 2014 American Society of Plant Biologists Pourquoi étudier les plantes?

© 2014 American Society of Plant Biologists

Pourquoi étudier les plantes?

www.plantcell.org/cgi/doi/10.1105/tpc.109.tt1009


Les plantes, comme les animaux, sont des eucaryotes pluricellulaires

BactériesArchaebactéries Animaux

Plantes

Champignons

Ancétres communsPhoto credits: Public Health Image Library; NASA; © Dave Powell, USDA Forest Service; tom donald


Les plantes sont diverses

Algues vertesBryophytes

Mousses

Plantes vasculaires

Lycophytes

Fougères

Plantes à graines

Plantes à fleurs

Conifères

Monocotylédones

Dicotylédones

Plantes terrestres

Les plantes ont acquis la capacité de pousser dans des milieux très divers

Images courtesy tom donald


Les plantes nous rendent heureux

Dravigne, A., Waliczek, T.M., Lineberger, R.D., Zajicek, J.M. (2008) The effect of live plants and window views of green spaces on employee perceptions of job satisfaction. HortScience 43: 183–187. Photo credit: tom donald

Les personnes bénéficiant d’un environnement professionnel fleuri témoignent d’une plus grande satisfaction au travail que celles qui n’en bénéficient pas.


Les plantes sont des organismes vivants

fascinants

La plus grande fleur (~ 1m)

La plus grande longévité (~ 5000 ans)

L’organisme vivant le plus grand (> 100m)

Photo credits: ma_suska; Bradluke22; Stan Shebs


Nous ne pourrions pas vivre sans les plantes

•Les plantes produisent la majeure partie de l’oxygène que nous respirons.

•Les plantes produisent la majeure partie de l’énergie chimique que nous consommons comme aliments ou que nous brûlons comme carburant.

•Les plantes produisent une panoplie de molécules utiles à l’homme.


Nous ne pouvons pas vivre sans oxygène!

XX

SANS oxygèneJoseph Priestley a constaté qu’un animal ‘nuit’ à la qualité de l’air par sa respiration. Un animal maintenu dans une enceinte fermée hermétiquement ne survivra pas.


OxygèneproduitPriestley a aussi constaté

que les plantes ont la capacité de restaurer la qualité de l’air. Nous savons maintenant que cela est lié à leur capacité de produire de l’oxygène comme sous-produit de la photosynthèse.

Nous ne pouvons pas vivre sans oxygène!


Les plantes assimilent le gaz carbonique pour synthétiser des molécules riches en énergie que les animaux utilisent comme

nutriments

CO2

Les plantes convertissent le CO2 atmosphérique en sucres grâce à la photosynthèse.


Les plantes synthétisent des molécules très diverses

vitamine A

vitamine Cvanilline

caféine

morphine

CO2



Pour sauvegarder les espèces végétales menacées et préserver la variabilité biologique.

Pour mieux connaître le milieu naturel.

Pour mieux utiliser la capacité des plantes à nous fournir aliments, médicaments et énergie.

Photo credit: tom donald


Nous apprenons sur notre univers à travers l’étude des plantes

Dessin de liège par Robert Hooke, le découvreur de la ‘cellule’

Les cellules ont été observées pour le première fois chez des plantes.

Photographie de cellules de liège

Photo credit: ©David B. Fankhauser, Ph.D


Les virus ont été purifiés la première fois à partir de plantes

Virus de la mosaïque du tabac

Les virus infectent aussi bien les humains que les plantes et provoquent de graves maladies comme le SIDA, l’hépatite, la grippe, la méningite, la varicelle et la polio.

Image Copyright 1994 Rothamsted Research.


Les études de Mendel sur le pois ont révélé les lois de l’hérédité



...qui nous aident à comprendre les maladies héréditaires chez l’homme comme l’anémie due aux globules rouges falciformes ...



...ou l’hémophilie sans compter les nombreuses maladies génétiquement transmissibles.

Pedigree de la famille portant l’allèle de l’hémophilie



Les travaux de Mendel ont jeté les bases de la génétique et de la sélection et amélioration des plantes.

L’excellent généticien et sélectionneur Norman Borlaug 1914-2009, Lauréat du prix Nobel en 1970


POURQUOI ETUDIER LES PLANTES?


La population mondiale augmente continuellement ...

On attend un triplement de la population mondiale entre 1950 (2.5 milliards) et 2020 (7.5 milliards)


La population mondiale augmente continuellement ...

Un des objectifs majeurs des sciences végétales est l’augmentation de la production de nourriture; on estime qu’une augmentation de 70% de notre production est nécessaire dans les 40 années à venir


La malnutrition et la faim tuent surtout des enfants

En 2004, 60 millions de personnes sont mortes dans le monde.

(Source: World Health Organization, 2008)


10 millions parmi elles étaient des enfants de moins de 5 ans, dont 99% vivaient dans des pays pauvres.

(Source: The State of the World's Children, UNICEF, 2007)



5 millions d’enfants de moins de 5 ans meurent chaque année de malnutrition et maladies associées.Ceci correspond à un enfant en âge pré-scolaire qui meurt d’une mort en principe évitable toutes les six secondes.



La carence en vitamine A tue un million d’enfants chaque année.

(Source: Vitamin and Mineral Deficiency, A Global Progress Report, UNICEF)



Comment le monde réagirait à une maladie qui tuerait la population des

USA, du Canada, et de l’union européenne?


Dans le monde, globalement, un milliard de personnes souffrent de famine

chronique

C’est plus que les populations des USA, du Canada et de l’UE réunis.

(Source: FAO news release, 19 June 2009)


C’est presque la population totale des USA, du Canada, de l’UE, et de la Chine réunis.

(Source: World Health Organization, WHO Global Database on Anaemia)

Plus de deux milliards de personnes dans le monde souffrent d’anémie chronique due à la carence en fer


QUE PEUVENT FAIRE LES SCIENTIFIQUES FACE À

CELA?


En développant des plantes Résistantes à la sécheresse et autres stress Nécessitant peu d’engrais et peu d’eau Résistantes aux pathogènes De meilleure qualité nutritive

Les scientifiques végétalistes peuvent aider à lutter contre la faim dans le monde


Le développement des plantes est souvent limité par la sécheresse

Image source: IWMI

Régions du monde où l’eau est rare pour raisons physique ou économique


La sécheresse est une des conséquences du changement climatique

Gornall, J., Betts, R., Burke, E., Clark, R., Camp, J., Willett, K., and Wiltshire, A. Implications of climate change for agricultural productivity in the early twenty-first century. Phil. Trans. Royal Soc. B: 365: 2973-2989.m

Dans les régions les plus chaudes le rendement peut baisser de ~3 – 5% pour chaque 1°C d’augmentation de la température.

Un modèle d’augmentation moyenne de la température dans les régions cultivées aux environs de 2050.


Même une sécheresse modérée réduit le rendement

Une sécheresse modérée réduit l’activité photosynthétique et la croissance alors qu’une sécheresse sévère est létale.


Nous avons besoin de plantes qui poussent bien même en condition de

stress

Chaleur et sécheresse réduisent le rendement




stress



Il est nécessaire de valoriser de plus en plus de

terres pour les rendre propres à l’agriculture




La déforestation pour gagner des surfaces

cultivables entraine une augmentation des

émission de CO2 dans l’atmosphère

La déforestation pour gagner des surfaces

cultivables entraine une augmentation des

émission de CO2 dans l’atmosphère


stress








La manipulation de l’expression d’un seul gène peut conférer une résistance à

la sécheresse

Yu, H., Chen, X., Hong, Y.-Y., Wang, Y., Xu, P., Ke, S.-D., Liu, H.-Y., Zhu, J.-K., Oliver, D.J., Xiang, C.-B. (2008) Activated expression of an Arabidopsis HD-START protein confers drought tolerance with improved root system and reduced stomatal density. Plant Cell 20: 1134-1151.

Après ré-arrosagePlantes Arrosées 10 jours de sécheresse 20 jours de sécheresse

Plantes resistantes à la sécheresse

Sauvages


Une importante croissance du système racinaire contribue à la tolérance à la

sécheresse

Plantules Plantes adultes

SauvageTolérantSécheresse

La sélection de plantes avec un système racinaire à fort développement permet de les cultiver dans des régions susceptibles de subir la sécheresse.

Yu, H., Chen, X., Hong, Y.-Y., Wang, Y., Xu, P., Ke, S.-D., Liu, H.-Y., Zhu, J.-K., Oliver, D.J., Xiang, C.-B. (2008) Activated expression of an Arabidopsis HD-START protein confers drought tolerance with improved root system and reduced stomatal density. Plant Cell 20: 1134-1151.

SauvageTolérantSécheresse


La production d’engrais est consommatrice d’énergie

•La culture de plantes d’intérêt agronomique nécessite des engrais – potassium, phosphate, azote, et autres éléments

• Les mines de potassium et de phosphate ne sont pas inépuisables

•La synthèse des engrais azotés est fortement consommatrice d’énergie Photo credits: Mining Top News; Library of Congress, Prints & Photographs Division, FSA-OWI Collection, LC-USW361-374


L’utilisation des engrais dans l’agriculture est une source de pollution

Photo courtesy of NASA/Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio

Le lessivage des engrais provoque des marées vertes – les algues en consommant l’oxygène de l’eau perturbent la vie de la faune


Yuan, L., Loque, D., Kojima, S., Rauch, S., Ishiyama, K., Inoue, E., Takahashi, H., and von Wiren, N. (2007). The organization of high-affinity ammonium uptake in Arabidopsis roots depends on the spatial arrangement and biochemical properties of AMT1-type transporters. Plant Cell 19: 2636-2652.

Des systèmes racinaires de transport d’ions plus efficaces peuvent aider à réduire l’utilisation d’engrais

L’absorption des éléments minéraux par les plantes peut être améliorée


Des croisements entre plantes d’intérêt agronomiques et plantes pérennes sont tentés pour réduire le besoin en eau et en engrais dans l’agriculture.

Wes Jackson du ‘Land Institute’ tient une graminée pérenne proche du blé, Thinopyrum intermedium

Les plantes pérennes absorbent l’eau et les éléments minéraux de manière plus efficaces

que les plantes cultivées

Photo credit: Jodi Torpey, westerngardeners.com


A présent deux maladies menacent sérieusement les récoltes

Phytophthora infestans, qui provoque le mildiou, est redevenu une sérieuse menace.

Puccinia graminis tritici, un champignon qui provoque la rouille de la tige du blé a muté dans une forme plus agressive.

Photo credits: www.news.cornell.edu; www.fao.org


Le mildiou détruit les plants de Pomme de Terre

Le mildiou de la pomme de terre est provoqué par Phytophthora infestans. Une très forte infestation dans les années 1840 a détruit les cultures et provoqué plus d’un million de morts en Europe.

Photo credits: USDA; Scott Bauer

Infecté Traité


Recherche de gènes de résistance

Résistant

Inoculé par le champignon Non inoculé

Sensible

Le plant de pomme de terre à gauche exprime le gène de résistance. Il ne présente pas de symptômes de la maladie.

Song, J., Bradeen, J.M., Naess, S.K., Raasch, J.A., Wielgus, S.M., Haberlach, G.T., Liu, J., Kuang, H., Austin-Phillips, S., Buell, C.R., Helgeson, J.P., Jiang, J. (2003) Gene RB cloned from Solanum bulbocastanum confers broad spectrum resistance to potato late blight. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100:9128–9133.

Les généticiens ont identifié un gène de résistance et l’ont introduit dans les variétés comestibles.


La rouille de la tige du blé est une menace émergente

•Une souche hautement pathogène est apparue en Ouganda en 1999 – elle est appelée Ug99.

•La majorité des variétés de blé n’ont pas de résistance à cette souche.

Blé infectéPhoto credit: ARS USDA


Ug99 menace le blé partout dans le monde

Ceci est un problème global qui nécessite une réponse globale. Les spores de Ug99 ne s’arrêtent pas à la frontière des états ... – La FAO: United Nations Food and Agriculture Organization

Photo credit: ARS USDA


Le champignon est transporté par le vent

Ug99 est rencontré en Ouganda, Kenya, Ethiopie, Soudan, Yémen et Iran. Il menace des régions du proche Orient, l’Est de l’Afrique, l’Asie centrale et l’Asie du Sud.

Les vents transportant les spores sont montrés en rouge.

Photo credit: www.wheatrust.cornell.edu


Le blé est la principale denrée alimentaire dans ces régions menacées, spécialement pour les populations les plus pauvres.

Les trajectoires probables de Ug99

Photo credit: www.wheatrust.cornell.edu

Le champignon est transporté par le vent


Des équipes internationales de scientifiques coopèrent pour étudier la propagation de Ug99 et pour développer des variétés de blé résistantes.

A ce jour nous ne savons pas si des blés résistants seront obtenus à temps pour éviter d’importantes famines ...

Photo credits: Bluemoose; FAO


Les biologistes végétalistes étudient comment garder leur fraîcheur aux plantes

après la récolte

Après la récolte les fruits mûrissent, ramollissent et éventuellement pourrissent.

Ce processus rend les fruits moins appétissants et affecte leur qualité nutritive. Photo credits: Cornell University ; ARC


Le verdissement et l’accumulation de Solanine se produisent dans les tubercules de pomme de terre mal conservés. La Solanine peut être toxique en grande quantité.

Photo credits: Dr. C.M. Christensen, Univ. of Minnesota.; WSU; Pavalista, A.D. 2001

Moisissure d’Aspergillus sur grain de Maïs.

Les pertes post-récolte peuvent endommager plus de 50% de la récolte de grains.

Les biologistes végétalistes étudient comment garder leur fraîcheur aux plantes

après la récolte


Carence en Vitamine A

Famine

Souvent la qualité nutritive des aliments est pauvre. Nous avons besoins de vitamines et éléments minéraux aussi bien que de calories. La malnutrition est d’abord une maladie de pauvres.

Anémie (jeunes enfants)

L’amélioration de la qualité nutritive des productions végétales peut aider à

lutter contre la malnutrition

Image sources: Petaholmes based on WHO data; WHO


L’enrichissement des aliments avec des vitamines (comme le folate et la vitamine A) et oligo-éléments (comme le fer, le zinc et l’iode) a sensiblement réduit la malnutrition dans le monde.

Photo credit: © UNICEF/NYHQ1998-0891/Giacomo Pirozzi


La manioc est un aliment de base en Afrique mais de qualité nutritive pauvre

Les scientifiques ont découvert récemment une variété bien plus riche en vitamine A que la variété standard.

Welsch, R., Arango, J., Bar, C., Salazar, B., Al-Babili, S., Beltran, J., Chavarriaga, P., Ceballos, H., Tohme, J., and Beyer, P. Provitamin A accumulation in cassava (Manihot esculenta) roots driven by a single nucleotide polymorphism in a phytoene synthase gene. Plant Cell: tpc.110.077560.

Variété standard

Nouvelle variété découverte, jaune


Des plantes de qualité nutritive plus riche grâce à la génétique

Riz enrichi en Fer

Tomate, sauvage (haut) et enrichie en antioxydants

Photo credits: Golden Rice Humanitarian Board © 2007; Credit: ETH Zurich / Christof Sautter; Reprinted by permission from Macmillan Publishers, Ltd: Butelli, E., et al., Nature Biotechnology 26, 1301 - 1308 copyright (2008).

Riz enrichi en Vitamine A


Les plantes nous

fournissent plus que de la nourriture

Les plantes:• Sont des sources de nouveaux médicaments• Nous fournissent des fibres de meilleure

qualité pour la production de papier et tissus• Sont des sources de produits biodégradables• Sont des sources d’énergie durable



Les plantes produisent des centaines de composés que nous utilisons comme

médicaments

•Saule (Salix) son écorce est source d’aspirine (acide acetylsalicylique)•Digitale (Digitalis purpurea) source de digitaline (traitement des problèmes cardiaques)•L’If de l’ouest (Taxus brevifolia) source de taxol (traitement anti cancer)•Café (Coffea arabica) et thé (Camellia sinensis) sources de caféine (stimulant)


Le malaria tue des millions de personnes

Les régions du monde à haut risque de malaria.

Hay, S.I., et al., (2009) PLoS Med 6(3): e1000048. doi:10.1371/ journal.pmed.1000048


Le protozoaire Plasmodium transmet la malaria

Plasmodium à l’intérieur d’une cellule de souris

Image by Ute Frevert; false color by Margaret Shear.


Le Plasmodium est transmis aux humains par un moustique infecté

Photo credit: CDC


Mais le Plasmodium est en train de développer une résistance à la quinine. D’autres sources de composés anti-malaria devront alors être découvertes. Image credits: Köhler; CDC

L’écorce de l’arbre quinquina contient de la quinine, qui tue le Plasmodium


Le Gin et la quinine?

(Crown copyright; Photograph courtesy of the Imperial War Museum, London - Q 32160)

Des soldats britanniques ont reçu de la quinine pour les prémunir de la malaria. Pour édulcorer son goût amer la quinine a été mélangée avec de l’eau gazeuse (“tonic”) et souvent avec du gin – c’est l’origine du “gin - tonic.”


Artemisia annua est une nouvelle plante ayant une activité anti-malaria

Photo credit: www.anamed.net

Artemisinine

L’Armoise annuelle est utilisée par des herboristes chinois depuis des milliers d’années. En 1972 le principe actif, l’artemisinine, a été purifié.


Les scientifiques végétalistes sont en train de développer une Armoise

annuelle nouvelle à forte productivité

Photo credit: www.york.ac.uk/org/cnap/artemisiaproject/


Les plantes peuvent servir à la production de vaccins et d’anticorps sûrs et peu coûteux

OU ?


Les parois des cellules végétales fournissent des matériaux durables

Le bois est essentiellement composé de parois de cellules végétales.



Les parois

Photo credit: www.wpclipart.com/plants; Zhong, R., et al., (2008) Plant Cell 20:2763-2782 .

Les parois primaires des cellules végétales sont essentiellement composées de sucres et de protéines.

Certaines cellules forment une paroi secondaire qui contient de la lignine, un composé insoluble.


Le bois et les fibres sont partout

Rembrandt van Rijn (1631)

Les habits sont fabriqués à partir de fibres végétales (coton, lin)

Les fibres végétales sont utilisées pour la fabrication de papier et avant cela la fabrication de papyrus

Le bois est utilisé pour la construction de logements et la fabrication de meubles.

Les toiles de peinture sont fabriquées à partir de fibres de lin ou de chanvre


Les plantes fournissent les fibres pour la fabrication de tissu ou de papier

L’amélioration génétique du coton est poursuivie dans le but d’améliorer la qualité des fibres et la résistance aux organismes agresseurs

Photo credits: Chen Lab; IFPC


Le séquençage du génome du peuplier, source de fibres à papier, a été achevé

récemment

Ces informations sont utilisées pour améliorer la production de papier

Photo credit: ChmlTech.com


creativecartoons.org.

Malheureusement, il a fallu des millions et des millions d’années pour transformer la matière organique morte en pétrole .... Et nous sommes en train d’épuiser le stock.

Les plantes peuvent remplacer le pétrole pour de nombreux usages

Le pétrole n’est PAS une ressource durable


Les plantes peuvent remplacer le pétrole pour de nombreux usages

Le pétrole n’est PAS une ressource durable

Quand je serai grand je

voudrais être un carburant

fossile

creativecartoons.org.

Malheureusement, il a fallu des millions et des millions d’années pour transformer la matière organique morte en pétrole .... Et nous sommes en train d’épuiser le stock.


Energie du soleil

Image source: Genome Management Information System, Oak Ridge National Laboratory

Sucres, amidon et cellulose peuvent produire de l’éthanol par fermentation.

Les plantes peuvent être source de biocarburants


Les plantes peuvent être source de biocarburants

Image sources: Tilo Hauke, University of Minnesota, Iowa State University Extension.

Les biocarburants produits à partir du colza, de micro-algues et du soja sont en train de remplacer les carburants issus du pétrole.


La production de plantes destinées à devenir des biocarburants ne doit

affecter ni la production ni le coût des plantes à intérêt agronomique

Miscanthus giganteus est une plante pérenne adaptée à la production de biocarburants grâce à sa croissance rapide et son importante biomasse. Elle est cultivée sur des terres impropres à la culture de plantes d’intérêt agronomique.

Photo Illustration courtesy S. Long Lab, University of Illinois, 2006


L’éthanol issu de la cellulose des parois végétales est une importante source d’énergie

Parois à partir de tiges de maïs ou d’autres végétaux

Ethanol

Image source: Genome Management Information System, Oak Ridge National Laboratory


Production de plastique à partir de matière végétale


Les plantes peuvent être source de matériaux recyclables et biodégradables

Energie du soleil


Energie du soleil

Biodégradation

Les plantes peuvent être source de matériaux recyclables et biodégradables

Les scientifiques étudient comment transformer la matière végétale en plastique par des procédés à coût raisonnable.




Etudier les plantes accroît notre connaissance du vivant en général et nous aide en particulier à les utiliser pour mieux nous nourrir, nous habiller, construire nos logements, nous maintenir en bonne santé, et pour être heureux !


“Why Study Plants?”

Created by the American Society for Plant Biology and published in

the series “Teaching Tools in Plant Biology” on the website of

The Plant Cell (http://www.plantcell.org)



Translated by Anis Limami, Professor of Plant Physiology, University of Angers, France,

and Sylvain Chaillou,

Professor of Plant Physiology, AgroParisTech, France

Documents

© 2014 American Society of Plant Biologists Pourquoi étudier les plantes?