© 2014 American Society of Plant Biologists
Pourquoi étudier les plantes?
www.plantcell.org/cgi/doi/10.1105/tpc.109.tt1009
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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
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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
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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.
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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
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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.
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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.
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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!
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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.
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Les plantes synthétisent des molécules très diverses
vitamine A
vitamine Cvanilline
caféine
morphine
CO2
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Pourquoi étudier les plantes?
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
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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
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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.
© 2014 American Society of Plant Biologists
Les études de Mendel sur le pois ont révélé les lois de l’hérédité
© 2014 American Society of Plant Biologists
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 ...
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Les études de Mendel sur le pois ont révélé les lois de l’hérédité
...ou l’hémophilie sans compter les nombreuses maladies génétiquement transmissibles.
Pedigree de la famille portant l’allèle de l’hémophilie
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Les études de Mendel sur le pois ont révélé les lois de l’hérédité
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
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POURQUOI ETUDIER LES PLANTES?
© 2014 American Society of Plant Biologists
La population mondiale augmente continuellement ...
On attend un triplement de la population mondiale entre 1950 (2.5 milliards) et 2020 (7.5 milliards)
© 2014 American Society of Plant Biologists
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
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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)
© 2014 American Society of Plant Biologists
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)
La malnutrition et la faim tuent surtout des enfants
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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 malnutrition et la faim tuent surtout des enfants
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La carence en vitamine A tue un million d’enfants chaque année.
(Source: Vitamin and Mineral Deficiency, A Global Progress Report, UNICEF)
La malnutrition et la faim tuent surtout des enfants
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Comment le monde réagirait à une maladie qui tuerait la population des
USA, du Canada, et de l’union européenne?
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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)
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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
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QUE PEUVENT FAIRE LES SCIENTIFIQUES FACE À
CELA?
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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
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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
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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.
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Même une sécheresse modérée réduit le rendement
Une sécheresse modérée réduit l’activité photosynthétique et la croissance alors qu’une sécheresse sévère est létale.
© 2014 American Society of Plant Biologists
Nous avons besoin de plantes qui poussent bien même en condition de
stress
Chaleur et sécheresse réduisent le rendement
Chaleur et sécheresse réduisent le rendement
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Nous avons besoin de plantes qui poussent bien même en condition de
stress
Chaleur et sécheresse réduisent le rendement
Chaleur et sécheresse réduisent le rendement
Il est nécessaire de valoriser de plus en plus de
terres pour les rendre propres à l’agriculture
Il est nécessaire de valoriser de plus en plus de
terres pour les rendre propres à l’agriculture
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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
Nous avons besoin de plantes qui poussent bien même en condition de
stress
Chaleur et sécheresse réduisent le rendement
Chaleur et sécheresse réduisent le rendement
Il est nécessaire de valoriser de plus en plus de
terres pour les rendre propres à l’agriculture
Il est nécessaire de valoriser de plus en plus de
terres pour les rendre propres à l’agriculture
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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
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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
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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
© 2014 American Society of Plant Biologists
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
© 2014 American Society of Plant Biologists
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
© 2014 American Society of Plant Biologists
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
© 2014 American Society of Plant Biologists
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
© 2014 American Society of Plant Biologists
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
© 2014 American Society of Plant Biologists
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.
© 2014 American Society of Plant Biologists
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
© 2014 American Society of Plant Biologists
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
© 2014 American Society of Plant Biologists
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
© 2014 American Society of Plant Biologists
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
© 2014 American Society of Plant Biologists
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
© 2014 American Society of Plant Biologists
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
© 2014 American Society of Plant Biologists
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
© 2014 American Society of Plant Biologists
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
© 2014 American Society of Plant Biologists
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
© 2014 American Society of Plant Biologists
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
© 2014 American Society of Plant Biologists
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
© 2014 American Society of Plant Biologists
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
Photo credit: tom donald
© 2014 American Society of Plant Biologists
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)
© 2014 American Society of Plant Biologists
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
© 2014 American Society of Plant Biologists
Le protozoaire Plasmodium transmet la malaria
Plasmodium à l’intérieur d’une cellule de souris
Image by Ute Frevert; false color by Margaret Shear.
© 2014 American Society of Plant Biologists
Le Plasmodium est transmis aux humains par un moustique infecté
Photo credit: CDC
© 2014 American Society of Plant Biologists
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
© 2014 American Society of Plant Biologists
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.”
© 2014 American Society of Plant Biologists
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.
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Les scientifiques végétalistes sont en train de développer une Armoise
annuelle nouvelle à forte productivité
Photo credit: www.york.ac.uk/org/cnap/artemisiaproject/
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Les plantes peuvent servir à la production de vaccins et d’anticorps sûrs et peu coûteux
OU ?
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Les parois des cellules végétales fournissent des matériaux durables
Le bois est essentiellement composé de parois de cellules végétales.
Photo credit: tom donald
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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.
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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
© 2014 American Society of Plant Biologists
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
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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
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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
© 2014 American Society of Plant Biologists
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.
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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
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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.
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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
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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
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Production de plastique à partir de matière végétale
Photo Illustration courtesy S. Long Lab, University of Illinois, 2006
Les plantes peuvent être source de matériaux recyclables et biodégradables
Energie du soleil
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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.
Photo Illustration courtesy S. Long Lab, University of Illinois, 2006
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Pourquoi étudier les plantes?
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 !
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“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)
Pourquoi étudier les plantes?
Pourquoi étudier les plantes?
Translated by Anis Limami, Professor of Plant Physiology, University of Angers, France,
and Sylvain Chaillou,
Professor of Plant Physiology, AgroParisTech, France