Name: water movement in plants
Uploaded: 2019-01-29T11:04:45.000Z
Duration: 3 min 58 s
Channel: JoVE

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Life Science

Structure and Function

HS-LS1-2.

Transpiration

Les plantes se trouvent dans presque tous les écosystèmes du monde, des déserts aux forêts tempérées, en passant par le fond de la mer. En conséquence de la sélection naturelle, les plantes ont développé une étonnante diversité d’adaptations pour faire face à différents défis environnementaux. L’un des principaux défis auxquels les plantes sont confrontées est de maintenir une bonne hydratation. L’eau est une ressource essentielle dont ils dépendent pour la photosynthèse, le soutien structurel et le transport des nutriments et d’autres molécules importantes. L’une des façons dont les plantes peuvent contrôler leur équilibre hydrique est de réguler un processus connu sous le nom de transpiration, qui est essentiellement l’évaporation de l’eau des parties aériennes d’une plante. Cette perte d’eau se produit principalement à partir des pores des feuilles appelés stomates. Mais comment l’eau arrive-t-elle ici ? 

Pour répondre à cette question, regardons de plus près sous terre. Ici, l’eau pénètre dans les racines des plantes par osmose, puis remonte jusqu’aux feuilles à travers un tissu vasculaire appelé xylème. Ce canal d’eau est connu sous le nom de courant de transpiration. Parce que les molécules d’eau se collent les unes aux autres et aux parois du xylème, lorsqu’elle s’évapore des stomates, l’eau du bas du flux de transpiration est tirée vers le haut pour prendre sa place... ce qui entraîne un écoulement ascendant des racines. Examinons maintenant de plus près une stomie. Chaque pore stomatique est bordé de deux cellules de garde qui peuvent s’étendre pour ouvrir le pore et se contracter pour le fermer. Les plantes ouvrent leurs stomates pour absorber le dioxyde de carbone nécessaire à la photosynthèse et libérer de l’oxygène gazeux. La perte d’eau par transpiration est un effet secondaire inévitable de ce processus. 

Ce compromis présente un défi particulier pour les plantes vivant dans des environnements arides et elles ont donc développé des stratégies pour réduire autant que possible leurs pertes d’eau. Une façon de le faire est de faire pousser des feuilles avec de petites surfaces, présentant une petite zone sur laquelle la transpiration peut se produire. C’est pourquoi les feuilles des plantes du désert telles que la créosote sont relativement petites. Mais pour aller plus loin, les plantes des environnements arides ont également moins de stomates par unité de surface sur leurs feuilles, ce qui leur permet de minimiser la perte d’eau par transpiration. 

En revanche, les plantes qui habitent des environnements où l’eau est abondante, comme les forêts tropicales, peuvent se permettre de perdre beaucoup d’eau par transpiration. Des plantes comme ce taro, par exemple, développent souvent des feuilles de grandes surfaces qui augmentent leur capacité à intercepter la lumière pour alimenter la photosynthèse. Ces plantes ont également une forte densité de stomates par rapport aux plantes des habitats arides, ce qui leur permet de maintenir des taux élevés de photosynthèse et de soutenir de grandes feuilles et tiges. 

Dans cet atelier, vous mesurerez les taux de transpiration et examinerez la fréquence des stomates foliaires chez diverses espèces de plantes afin de révéler comment les plantes de différents habitats résolvent le problème de la régulation de la transpiration.

transpiration

<h4>Arrière-plan</h4>

Tous les organismes vivants doivent remplir un ensemble de fonctions de base afin de se maintenir. L’un de ces processus implique le transport de matériaux dans tout l’organisme. Par conséquent, les organismes ont besoin d’échanger des matériaux avec l’environnement, ce que l’on peut voir à petite échelle des cellules transportant des protéines et d’autres matériaux entre eux ou à plus grande échelle comme le cycle de l’eau, où l’eau se déplace continuellement sur, au-dessus et au-dessous de la surface de la Terre. Dans les deux exemples, le mouvement des matériaux d’une zone à une autre est un processus dynamique régulé par des variables environnementales et biologiques.

<h4>La transpiration : un moteur pour le transport de l’eau</h4>

Les plantes vasculaires, des plus petites fougères aux séquoias géants de Californie, transportent l’eau et les matières solubles dans l’eau dans toute la plante par un système de faisceaux de tissus vasculaires qui vont des racines aux extrémités de la plante. Plus précisément, l'eau et les nutriments sont absorbés par les poils racinaires et transférés par osmose dans le xylème de la plante, l'un des deux grands systèmes vasculaires que l'on trouve dans les plantes. L’eau est ensuite transportée vers le point le plus haut de la plante et vers l’extérieur dans les feuilles où la photosynthèse a lieu. Il est intéressant de noter que seulement 1 % de l’eau absorbée par les plantes est utilisée pour la photosynthèse. Les 99 % restants de l’eau ne sont pas directement utilisés par la plante et sont perdus de la plante en raison de l’évaporation ou de la guttation, également connue sous le nom de transpiration. L’évaporation est le mouvement de l’eau vers l’air, où la guttation fait spécifiquement référence à la sécrétion de gouttelettes d’eau par les pores des plantes. Les deux processus combinés constituent la transpiration chez les plantes.

Les feuilles des plantes jouent un rôle important dans la libération des sous-produits de la photosynthèse par le biais de leurs stomates, qui sont des ouvertures qui permettent l’échange de matériaux entre la plante et l’atmosphère. Les stomates sont bordés de cellules de garde, qui régulent l’ouverture et la fermeture des stomates. C’est le site actif où la majorité de l’eau est perdue en raison de l’évaporation, ainsi que le site où les gaz sont échangés avec l’atmosphère. Bien qu’il puisse sembler à première vue être une mauvaise stratégie pour une plante de perdre de l’eau en raison de l’évaporation, c’est inévitable afin de maintenir le transport des matériaux et de l’eau dans la plante tout en maximisant l’apport de gaz. La transpiration crée une concentration d’eau plus faible, donc un potentiel osmotique plus faible dans la feuille. Ces différences de concentration d'eau sont responsables du mouvement de l'eau dans les feuilles de la plante et de la libération de l'eau dans l'atmosphère.

Le potentiel hydrique détermine l’absorption de l’eau des poils racinaires et le transport de l’eau vers les extrémités des feuilles. Le potentiel hydrique est la mesure de l’énergie libre de l’eau, où les molécules d’eau se déplacent des zones à fort potentiel hydrique vers les zones à faible potentiel hydrique. Lorsque l’évaporation est élevée dans les feuilles, cela crée des zones avec un potentiel d’eau plus faible, ou des zones avec moins d’eau, de sorte que l’eau des racines et de la tige est conduite vers les feuilles. Les propriétés de cohésion et d’adhésion des molécules d’eau permettent ce mouvement de l’eau. La cohésion est l’attraction des molécules d’eau les unes vers les autres et l’adhésion est l’attraction des molécules d’eau vers d’autres matériaux, tels que les parois du xylème. Lorsque les molécules d’eau sortent par les stomates, elles attirent les molécules d’eau en dessous, ce qui fait que l’eau se déplace vers un potentiel d’eau plus faible.

<h4>Facteurs environnementaux</h4>

Les espèces végétales diffèrent considérablement dans leurs caractéristiques physiques ainsi que dans leur morphologie et leurs fonctions dans l’écosystème. Ces différences entre les espèces végétales ainsi que les similitudes entre les espèces végétales éloignées sont façonnées au fil du temps par l’évolution et plus particulièrement par la sélection imposée par les herbivores, les pollinisateurs et d’autres facteurs climatiques et environnementaux. Par conséquent, les différences de taux de transpiration sont influencées à la fois par l’environnement et par l’espèce végétale elle-même. Le principal facteur environnemental qui détermine le taux de transpiration est la température. Des températures plus élevées augmentent le taux de transpiration car l’eau est perdue plus rapidement par évaporation. Les plantes vivant dans des environnements chauds ont tendance à perdre plus d’eau que les plantes situées dans des climats plus frais. Des facteurs tels que la disponibilité de l’eau, le vent, la lumière du soleil et d’autres contribuent également à influencer le taux de transpiration des plantes.

Les plantes vivant dans des environnements chauds et arides ont des adaptations spécifiques qui les aident à contrôler les pertes d’eau, telles que la capacité de stocker ou de conserver l’eau. Un groupe de plantes de ces environnements, également connu sous le nom de métabolisme de l’acide crassulacée ou plantes CAM, ont développé des stratégies, telles que n’ouvrir leurs stomates pour les échanges gazeux que la nuit afin de réduire la perte d’eau1. Parmi les autres caractéristiques végétales spécifiques aux environnements arides, citons la réduction de la surface des feuilles, moins de stomates ou la présence de poils sur leurs feuilles pour conserver l’eau. Cependant, il y a un compromis à faire entre limiter les pertes d’eau et avoir un taux de transpiration optimal nécessaire à la photosynthèse. Le taux de photosynthèse est lié au taux de croissance et d’acquisition d’énergie d’une plante, qui est lié au taux d’absorption et de perte d’eau, il est donc extrêmement important pour les plantes d’être en mesure d’équilibrer ce compromis. D’autre part, dans des environnements où l’eau n’est pas une ressource limitative, comme les forêts tropicales humides, les plantes sont confrontées à différentes pressions sélectives qui entraînent des différences dans les taux de transpiration. Dans ces environnements, la sélection naturelle peut plutôt favoriser les espèces végétales qui peuvent transporter l’eau plus rapidement afin de dépasser leurs voisins concurrents ou de devenir suffisamment grandes pour éviter d’être mangées par les herbivores.

<h4>Évaluation des taux de transpiration</h4>

Les taux de transpiration peuvent être évalués indirectement à l’aide d’un potomètre, qui est un appareil qui mesure le taux d’absorption d’eau d’une plante à feuilles. L’hypothèse de la mesure du potomètre est que la transpiration provoquera l’absorption d’eau, dont la quantité peut être quantifiée. De plus, les scientifiques peuvent déterminer les taux de transpiration relatifs des plantes en observant les structures foliaires, telles que la taille et le nombre de stomates par unité de surface.

L’examen des taux de transpiration des plantes peut nous apprendre non seulement comment les plantes s’adaptent à différents environnements, mais peut également fournir des informations sur la meilleure façon de faire pousser des cultures dans différentes conditions environnementales pour augmenter la production alimentaire et ajuster notre utilisation des plantes pour nous adapter au changement climatique mondial et à la croissance démographique. Par exemple, les taux de transpiration sont modifiés par le réchauffement climatique et d’autres causes et peuvent affecter le cycle mondial de l’eau, qui à son tour peut affecter les écosystèmes ainsi que les populations humaines2. Ainsi, la compréhension de ces changements serait nécessaire pour élaborer des stratégies visant à remédier à leurs effets négatifs. De plus, l’étude des taux de transpiration de différentes cultures peut aider à identifier les cultures à haute efficacité d’utilisation de l’eau afin d’augmenter la production alimentaire par unité d’eau et de réduire le besoin d’irrigation3.

<h4>Références</h4>

<ol class="références">
	<li>IP, TIng. Métabolisme de l’acide crassulacéen. Ann REv Plant Physiol. 1985, vol. 36, 595-622.</li>
	<li>Schlesinger WH, Jasechko S. Transpiration dans le cycle mondial de l’eau. Météorologie agricole et forestière. 2014, vol. 189-190, 115-7.</li>
	<li>Coupel-Ledru A, Lebon E, Christophe A, Gallo A, Gago P, Pantin F, Doligez A, Simonneaua T. La réduction de la transpiration nocturne est un objectif de reproduction pertinent pour une efficacité élevée de l’utilisation de l’eau dans la vigne. PNAS. 2016, vol. 113, 32 : 8963-8.</li>
</ol>

Arrière-plan

Tous les organismes vivants doivent remplir un ensemble de fonctions de base afin de se maintenir. L’un de ces processus implique le ...

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Cellular Processes

Processus cellulaires

water movement in plants

Water movement in plants depends on transpiration and the vascular system. Plants must move water and dissolved nutrients from the roots to the leaves. They also exchange materials with the environment as part of normal life processes.

Vascular plants use bundles of tissues that run from the roots to the tips of the plant. Root hairs absorb water and nutrients, and osmosis moves water into the xylem, the main water-conducting tissue. Water then travels to the tallest parts of the plant and into the leaves, where photosynthesis takes place. Only about 1% of the water taken up is used for photosynthesis, while the rest is lost from the plant.

That water loss happens through evaporation and guttation, and together these processes are called transpiration. Evaporation moves water into the air. Guttation is the release of water droplets from plant pores. Most water is lost from leaves through stomata, which are openings that also allow gas exchange with the atmosphere.

Stomata are bordered by guard cells, which control when the openings open and close. This makes the leaf the main site for both water loss and gas exchange. Although water loss may seem harmful, it helps keep water moving through the plant while still allowing carbon dioxide and oxygen to move in and out.

Transpiration creates a lower water concentration in the leaf, which lowers osmotic potential there. Water potential is the free energy of water, and water moves from areas of higher water potential to areas of lower water potential. As evaporation increases in the leaf, water is pulled upward from the roots and stem toward the leaves.

Cohesion and adhesion help make this movement possible. Cohesion is the attraction between water molecules, and adhesion is the attraction between water and other materials, such as xylem walls. When water molecules leave through the stomata, they pull more water molecules behind them, which keeps the flow moving toward the areas of lower water potential.

Transpiration rate changes with both the plant and the environment. Temperature is the main environmental factor, and higher temperatures usually increase transpiration because evaporation happens faster. Water availability, wind, sunlight, and other conditions also affect how quickly water is lost.

Plants in hot, dry environments often have adaptations that reduce water loss. Some CAM plants, or Crassulacean acid metabolism plants, open their stomata at night to limit water loss. Other arid-environment traits include smaller leaf surface area, fewer stomata, and hairs on leaves. These features help conserve water, but they also create a tradeoff because plants still need enough transpiration for photosynthesis and growth.

In wet environments such as tropical rainforests, water is less limiting. In those settings, natural selection may favor plants that move water quickly so they can grow faster than nearby plants or grow tall enough to avoid herbivores. Differences in transpiration rates therefore reflect both environmental pressures and plant species traits.

Scientists can estimate transpiration rates with a potometer, a device that measures water uptake in a leafy plant. The idea is that transpiration drives the water uptake that the potometer records. Researchers can also compare plants by looking at leaf features such as stomata size and number per unit area.

Studying transpiration helps explain how plants adapt to different environments. It can also guide crop growth under changing climate conditions and rising food demands. Transpiration affects the global water cycle, ecosystems, and human populations, so understanding it can support better water use and crop breeding. Plants with high water-use efficiency may help increase food production per unit of water and reduce the need for irrigation.

Water Movement in Plants

photosynthesis

Photosynthesis: Light, Sugars, and Carbon

Photosynthesis turns sunlight into chemical energy in the form of glucose. This process powers most life on Earth by helping autotrophs, or primary producers, make food. The glucose they make can provide quick energy or be stored as starch for later use. Consumers depend on these producers for energy. Photosynthesis happens in many kinds of organisms. Cyanobacteria, some protists such as algae, and plants can all carry out this process. In eukaryotic cells, it takes place in the chloroplast.

cellular respiration

Cellular Energy From Glucose Breakdown

Cellular respiration is the process cells use to release usable energy from biomolecules such as sugars and lipids. Living things need a steady energy supply for growth, repair, movement, defense, and reproduction. Cells use that energy mainly by converting adenosine diphosphate (ADP) to adenosine triphosphate (ATP). Autotrophs and heterotrophs get the molecules for respiration in different ways. Autotrophs, such as plants, algae, and photosynthetic and chemosynthetic bacteria, build...

cell division

Cell Cycle, Mitosis, and Meiosis

Cell division is essential for growth, repair, and reproduction in living organisms. It lets single-celled organisms create a new organism and helps multicellular organisms make new cells for development and for replacing damaged cells. In multicellular species, cell division also makes reproductive cells needed for reproduction. Before a cell divides, it must copy its genetic material and split it into two daughter cells. This process is called the cell cycle. Although the timing can vary...

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Factors That Shape Enzyme Function

Enzymes are biological catalysts that help living things run biochemical reactions faster. They lower activation energy, which is the energy needed to start a reaction. Enzymes are not used up in the process, so they can keep working again and again. Most enzymes are proteins, although some ribonucleic acid molecules also have catalytic activity. Each enzyme usually binds only one or a few specific substrates. This selectivity depends on the enzyme’s active site, which fits its substrate like...

cellular processes

Learn how transpiration moves water through plants, how stomata and guard cells control loss, and how temperature and plant traits affect the rate.

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Biology is a natural science that studies life and living organisms, including their structure, function, development, interactions, evolution, ...

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Cell Structure

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Cells represent the most basic biological units of all organisms, whether it be simple, single-celled organisms like bacteria, or large, ...

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What are Cells?

Cell Diversity

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The Central Dogma

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In ovo Electroporation of Chicken Embryos

Electroporation is a technique used in biomedical research that allows for the manipulation of gene expression via the delivery of foreign genetic ...

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Quantifying Environmental Microorganisms and Viruses Using qPCR

Source: Laboratories of Dr. Ian Pepper and Dr. Charles Gerba - The University of Arizona
Demonstrating Author: Bradley Schmitz
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Induced pluripotent stem cells (iPSCs) are somatic cells that have been genetically reprogrammed to form undifferentiated stem cells. Like embryonic stem ...

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RNA Analysis of Environmental Samples Using RT-PCR

Source: Laboratories of Dr. Ian Pepper and Dr. Charles Gerba - The University of Arizona
Demonstrating Author: Bradley Schmitz
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Live Cell Imaging of Mitosis

Mitosis is a form of cell division in which a cell&#8217;s genetic material is divided equally between two daughter cells. Mitosis can be broken down into ...

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Construct an explanation based on evidence for how the structure of DNA determines the structure of proteins which carry out the essential functions of life through systems of specialized cells.

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