Name: plant adaptations for land life
Uploaded: 2019-01-29T11:04:46.000Z
Duration: 6 min 40 s
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Ecosystems: Interactions, Energy And Dynamics

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Plant Diversity

Avant que les plantes ne colonisent les terres depuis la mer, les continents étaient stériles. Aujourd’hui, des millions d’espèces de microbes, de plantes et d’animaux vivent sur terre, et c’est l’évolution des plantes terrestres qui a rendu tout cela possible. Pour comprendre cette transformation stupéfiante, nous devons comprendre ce que sont exactement les plantes et comment elles ont évolué pour relever les défis de la vie sur terre. 
Il y a certaines caractéristiques que toutes les plantes partagent, des arbres les plus hauts à la plus petite mousse. Tout d’abord, toutes les plantes sont des eucaryotes multicellulaires. Deuxièmement, les plantes produisent le pigment photosynthétique chlorophylle dans des organites appelés chloroplastes, ce qui leur permet de produire leur propre nourriture en utilisant l’énergie du soleil. Troisièmement, toutes les plantes ont des cellules entourées de parois en cellulose. Enfin, toutes les plantes ont un cycle de vie caractérisé par l’alternance de générations, définie comme la transition entre les stades multicellulaires haploïdes et diploïdes au cours du cycle de vie. Ici, les générations font référence à deux phases multicellulaires différentes du cycle de vie. L’une d’entre elles est le gamétophyte haploïde. Le gamétophyte produit des gamètes par mitose, qui fusionnent pendant la fécondation pour former une cellule diploïde, qui subit ensuite une mitose pour se développer en sporophyte. Le sporophyte, à son tour, produit des spores haploïdes par miosis, complétant le cycle en donnant naissance à de nouveaux gamétophytes. 
Bien que toutes les plantes partagent ces caractéristiques, il existe des différences marquées entre les diverses lignées végétales dans la façon dont certaines de ces caractéristiques sont exprimées. Examinons cette diversité. Les plantes terrestres se divisent en trois grands groupes, les plantes non vasculaires, les plantes vasculaires sans pépins et les plantes à graines. Chacun de ces groupes contient plusieurs milliers d’espèces. 
Les mousses appartiennent à la division des Bryophytes. Ces plantes relativement simples ont trois caractéristiques principales, un manque de tissu vasculaire, le gamétophyte est le stade dominant de leur cycle de vie et le sporophyte est petit, non ramifié et dépendant du gamétophyte pour se nourrir. 
Le prochain grand groupe de plantes terrestres à évoluer était les plantes vasculaires sans pépins, représentées ici par la division Monilophyta. Ce groupe comprend les fougères et les prêles. Ces plantes ont un véritable tissu vasculaire mais ne produisent pas de graines comme les autres plantes vasculaires. Le sporophyte est dominant et ramifié avec une cuticule cireuse et des pores foliaires appelés stomates qui régulent les échanges gazeux. Le gamétophyte est beaucoup plus petit mais vit librement chez la plupart des membres de ce groupe. Les spores de fougère et les spermatozoïdes ont tous deux besoin d’eau liquide pour se disperser. Les systèmes racinaires et les tissus vasculaires étendus sont des innovations clés dans les plantes vasculaires sans pépins qui fournissent un support structurel et permettent une collecte efficace de l’eau du sol. 
Les plantes à graines ont été le prochain grand groupe à évoluer. Il existe deux lignées principales dans ce groupe, les gymnospermes et les angiospermes. Bien qu’elles diffèrent sur de nombreux détails, toutes les graines de gymnospermes et d’angiospermes sont constituées d’un embryon et d’une réserve de nourriture entourée d’une coquille protectrice appelée tégument. La réserve de nourriture fournit au semis des ressources jusqu’à ce qu’il soit capable de se nourrir. Les gymnospermes comprennent des arbres familiers comme les pins, les épinettes et les ginkgos. Le sporophyte est l’étape dominante du cycle de vie des gymnospermes. Les gamétophytes sont très petits et poussent sur des cônes mâles ou femelles. Le vent transporte les gamétophytes mâles, appelés grains de pollen, vers les gamétophytes femelles. Après la fécondation, une structure femelle appelée ovule se transforme en graine. Les angiospermes, ou plantes à fleurs, ont été le prochain groupe de plantes à graines à évoluer. Ce groupe est le groupe de plantes le plus répandu et le plus riche en espèces, y compris de nombreuses plantes et arbres familiers comme les lys, les chênes et les pommes. Comme les gymnospermes, les sporophytes des angiospermes sont grands et libres et les gamétophytes sont très petits et séparés en formes mâles et femelles. Mais contrairement aux gymnospermes, divers animaux peuvent polliniser les fleurs en plus du vent, recueillant du pollen lorsqu’ils visitent les fleurs et le distribuant lorsqu’ils partent rendre visite à d’autres. Après la pollinisation et la fécondation, l’ovaire se développe en un fruit qui contient les graines. 
Nous avons maintenant terminé notre tour simplifié de la diversité végétale qui a mis en évidence certaines caractéristiques clés des plantes, du tissu vasculaire à l’évolution des fruits. Ensemble, ces adaptations ont permis aux plantes de dominer la plupart des biomes terrestres. Dans ce laboratoire, vous étudierez la diversité végétale en examinant des spécimens des différentes grandes lignées de plantes et en observant leurs structures en laboratoire et sur le terrain.

diversité végétale

<h4>De l’eau à la terre</h4>
Le règne Plantae est apparu pour la première fois il y a environ 410 millions d’années, lorsque les algues vertes sont passées de l’eau à la terre. Bien que difficile, cette transition a profité aux premiers colonisateurs de plusieurs façons. Initialement, la plupart des organismes vivants (y compris les plantes et les animaux) vivaient dans l’océan, ce qui rendait les environnements aquatiques surpeuplés et très compétitifs. En revanche, la terre était un environnement relativement peu colonisé, avec d’abondantes ressources et peu ou pas de prédateurs ou de concurrents. Les environnements terrestres offraient également plus de lumière et de dioxyde de carbone, dont les plantes avaient besoin pour croître et survivre. En conséquence, de nouvelles niches terrestres étaient mûres avec la possibilité pour les premières algues semi-aquatiques qui ont fait la transition vers des environnements secs.
Cependant, les différences marquées entre la terre et la mer ont posé un défi redoutable aux premières espèces colonisatrices. Ces défis ont suscité de nombreuses nouvelles adaptations qui ont abouti à la grande variété de formes végétales observées aujourd’hui. L’adaptation à la vie terrestre a nécessité des changements fondamentaux dans la structure, les stratégies de reproduction, les mécanismes d’alimentation et de défense des espèces végétales. Par exemple, les plantes aquatiques dépendent généralement d’un environnement liquide pour l’absorption directe de l’eau et des nutriments, de la flottabilité pour le soutien physique et du transport des gamètes dans l’eau pour la fécondation. Pour les plantes terrestres, ces stratégies sont devenues impossibles. Ces obstacles à la vie sur terre ont joué un rôle essentiel dans l’évolution précoce des plantes terrestres et continuent de façonner leur évolution aujourd’hui.
L’une des premières adaptations a été le développement d’un revêtement cireux externe, appelé cuticule1. Les cuticules servent à protéger les plantes de la dessiccation, ou du dessèchement extrême, en emprisonnant l’humidité à l’intérieur. Cependant, cette adaptation a empêché l’échange direct de gaz à la surface des plantes. En conséquence, des pores se sont développés sur les surfaces extérieures des plantes, ce qui a permis l’absorption du dioxyde de carbone et la libération d’oxygène. Ces pores, appelés stomates, peuvent être ouverts ou fermés en fonction des conditions environnementales. En contractant les cellules de garde entourant les stomates, les plantes ferment ces ouvertures pendant les périodes sèches pour éviter une perte excessive d’humidité. Ces adaptations ont aidé à retenir l’eau pour les plantes terrestres. Cependant, des structures supplémentaires étaient nécessaires pour faciliter le transport de l’eau et des nutriments du sol vers les parties supérieures de la plante. En conséquence, un tissu vasculaire s’est développé qui sert non seulement à transporter l’eau et les nutriments vers toutes les zones de la plante, mais peut également fournir un soutien structurel à mesure que les tiges deviennent plus hautes et plus fortes.
Pour permettre la reproduction sur terre, plusieurs changements sont intervenus dans les structures et les mécanismes de fertilisation et de développement des plantes. Tout d’abord, les plantes terrestres ont développé des gamétangies, qui sont des structures reproductrices qui protègent les gamètes et les embryons de l’environnement hostile à l’extérieur de la plante. Chez les mâles, cette structure est appelée anthéridie tandis que chez les femelles, on l’appelle archégonie. Pour faciliter le transport des spermatozoïdes de l’anthéridie aux ovules à l’intérieur de l’archégonie, différentes stratégies ont évolué. Il s’agit notamment du sperme nageant d’une structure à l’autre, transporté par le vent ou transporté par des pollinisateurs comme les abeilles et les oiseaux. Le mode spécifique utilisé est propre à chaque classification de plantes. Après la fécondation, les ovules sont conservés dans l’archégonie pour protéger et nourrir l’embryon en développement, ou sporophyte.
Une autre adaptation reproductive importante a été la génération de graines. Bien que toutes les plantes terrestres ne soient pas ensemencées, l’utilisation de graines est avantageuse pour de nombreuses raisons. Sans ces structures, les plantes ont besoin d’environnements humides pour transporter les gamètes d’un endroit à un autre. Souvent, chez ces plantes, les spores mâles et femelles ont à peu près la même taille et voyagent. Cependant, les plantes à graines contiennent généralement de petites spores mâles adaptées pour être très mobiles, appelées grains de pollen. Le pollen se rend aux gamétophytes femelles pour déposer les spermatozoïdes directement dans l’ovule. Une fois la fécondation effectuée, une graine se forme qui contient l’embryon de la plante et un apport de nutriments. De nombreuses graines ont également une couche protectrice et sont capables de survivre dans des environnements secs et de se disperser sur de longues distances. Certains peuvent même exister à l’état dormant pendant de longs intervalles, en « attendant » que les conditions environnementales appropriées déclenchent la germination. Ces adaptations ont créé des espèces végétales bien adaptées à la vie dans les environnements terrestres.
<h4>Principales lignées de plantes</h4>
Bien qu’il existe aujourd’hui d’innombrables variétés de plantes, toutes peuvent être divisées en l’un des trois groupes suivants : non vasculaires, sans pépins vasculaires et à graines vasculaires. Les plantes non vasculaires sont les plus ancestrales et les moins complexes, notamment les mousses, les hépatiques et les hornworts. Parce que ces plantes n’ont pas de structures vasculaires et de graines et ne possèdent qu’une fine cuticule ou pas du tout, elles dépendent de l’eau pour survivre et se reproduire. Certaines espèces peuvent entrer en dormance pendant les périodes sèches jusqu’à ce que des précipitations supplémentaires facilitent la croissance ou la reproduction. L’absence de structures de soutien chez ces plantes se traduit par des formes généralement basses, semblant épouser la surface sur laquelle elles poussent. Pour se reproduire, les plantes non vasculaires libèrent du sperme nu qui doit nager dans l’eau environnante jusqu’à l’archégonie. Bien que ces plantes possèdent très peu des adaptations que d’autres groupes terrestres ont, les plantes non vasculaires sont spécialisées pour vivre dans l’environnement humide dans lequel elles se trouvent.
Ensuite, les plantes vasculaires sans pépins comprennent les fougères et les prêles. Ceux-ci peuvent être trouvés dans des habitats humides, généralement dans le sous-bois des forêts tropicales tempérées. Contrairement aux espèces non vasculaires, ces plantes ont une cuticule plus épaisse, des stomates fonctionnels et un tissu vasculaire qui leur permettent de grandir et de transporter activement l’eau et les nutriments. Les fougères n’ont pas de graines, mais utilisent plutôt des spores pour transporter les gamètes à travers l’humidité des anthéridies aux archégonies. En conséquence, ces espèces représentent une lignée évolutive intermédiaire qui peut vivre dans des environnements secs, mais nécessite des conditions humides pour se reproduire.
Le dernier groupe, les plantes à graines vasculaires, comprend toutes les espèces restantes. Ce groupe est le plus diversifié et occupe la plus large gamme d’habitats2. Cependant, toutes les espèces sont caractérisées par plusieurs adaptations communes, notamment le tissu vasculaire, le pollen très mobile et les graines. Ce grand groupe est divisé en deux sous-groupes principaux, les angiospermes et les gymnospermes. Les angiospermes comprennent toutes les plantes à fleurs et à fruits, dont le pollen est transporté par le vent ou transporté par les pollinisateurs3-4. Le développement des fleurs et des fruits est adaptatif pour la distribution du pollen et des graines. De nombreux animaux, dont les abeilles et les colibris, aident au transport du pollen d’une fleur à l’autre. Les fruits produits par ce groupe sont extrêmement importants pour l’alimentation de nombreux animaux, y compris les humains. Selon sa définition biologique, le fruit comprend toute structure qui porte des graines et est formée à partir de l’ovaire, englobant des variétés couramment connues, notamment les pommes et les oranges, en plus de produits comme les tomates, les avocats et les concombres. La consommation ou le transport de fruits par les humains et d’autres animaux peut aider à propager les graines sur de grandes distances. En revanche, les gymnospermes sont des plantes non fleuries, notamment des conifères, des cycas et des ginkgos. Ces espèces produisent des graines nues non protégées par les fruits et le pollen transporté par le vent. Les angiospermes et les gymnospermes constituent la grande majorité des plantes observées aujourd’hui.
En plus des espèces qui ont évolué naturellement sur de longues périodes, les humains ont participé à la sélection artificielle et à la reproduction de nombreuses espèces de plantes pour l’utilisation ou la consommation humaines. Par exemple, la plante de moutarde sauvage du groupe des Brassica a fait l’objet d’une sélection artificielle extensive pour produire du chou frisé, du brocoli, des choux de Bruxelles, du chou, des navets, du chou-rave et du chou-fleur. Les humains ont également modifié le paysage de la vie végétale en introduisant des espèces envahissantes dans les zones non indigènes. Ces espèces surpassent souvent les organismes indigènes, car elles manquent souvent de concurrents naturels ou de prédateurs dans le nouvel environnement. Un exemple est le kudzu, une plante de pois grimpante qui pousse rapidement et se propage efficacement. Le kudzu a été intentionnellement introduit dans l’est des États-Unis depuis l’Asie du Sud-Est dans le but de stabiliser le sol et de prévenir l’érosion près des routes et des fermes. Cependant, une fois introduit, le kudzu est rapidement devenu trop grand pour les espèces indigènes, bloquant la lumière et surconsommant les ressources. On estime aujourd’hui que le kudzu cause chaque année plus de 500 millions de dollars en dommages forestiers et agricoles. Les impacts écologiques de cette espèce et d’autres espèces envahissantes sont une préoccupation majeure pour les biologistes et les économistes.
<h4>Références</h4>
<ol class="références">
	<li>Ziv, C., et al. (2018). « Rôles multifonctionnels de la cuticule végétale lors des interactions plante-pathogène. » Plante avant Sci 9 : 1088.</li>
	<li>Gupta, R. et R. Deswal (2014). « Les protéines antigel permettent aux plantes de survivre dans des conditions de gel. » J Biosci 39(5) : 931 à 944.</li>
	<li>Jurgens, A., et al. (2012). « Conflit pollinisateur-proie chez les plantes carnivores. » Biol Rev Camb Philos Soc 87(3) : 602-615.</li>
	<li>Thomann, M., et al. (2013). « Les plantes à fleurs en déclin mondial des pollinisateurs. » Tendances Plante Sci 18(7) : 353-359.</li>
</ol>

Diversité végétale

De l’eau à la terre
Le règne Plantae est apparu pour la première fois il y a environ 410 millions d’années, lorsque les algues vertes sont passées de l’eau à la terre. Bien que difficile, ce ...

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Biology

Biologie

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Évolution

plant adaptations for land life

Plant adaptations for land life explain how plants moved from water to land and diversified over time. Kingdom Plantae first appeared about 410 million years ago, when green algae began transitioning from aquatic environments to dry land. That shift was difficult, but land offered more light, more carbon dioxide, and far less competition than crowded oceans.

Life on land forced plants to solve new problems. Aquatic plants can absorb water and nutrients directly from the surrounding liquid, use buoyancy for support, and move gametes through water for fertilization. On land, those strategies no longer worked, so early plants evolved new structures and reproductive methods that shaped the plant forms we see today.

One early change was the cuticle, a waxy outer layer that helps prevent desiccation, or extreme drying. But the cuticle also blocked direct gas exchange. Plants responded by developing stomata, which are surface pores that let carbon dioxide in and oxygen out, and by using guard cells to close those pores during dry conditions and limit water loss.

Plants also needed a way to move water and nutrients upward. Vascular tissue evolved for this job. It transports water and nutrients through the plant and also gives stems support so plants can grow taller and stronger.

Reproduction on land required more protection for gametes and embryos. Terrestrial plants developed gametangia, which are reproductive structures that protect gametes and embryos from the outside environment. Male gametangia are called antheridia, and female gametangia are called archegonia. Sperm may swim, be carried by wind, or be moved by pollinators such as bees and birds, depending on the plant group.

Seeds became another major advantage for many land plants. Seeded plants use small male spores called pollen grains, which carry sperm directly to the egg. After fertilization, the seed forms with a plant embryo, nutrients, and often a protective coat. Many seeds can survive dry conditions, spread long distances, or remain dormant until the right conditions trigger germination.

Modern plants are grouped into three main lineages: non-vascular, vascular seedless, and vascular seeded plants. Non-vascular plants, such as mosses, liverworts, and hornworts, are the most ancestral and least complex. They lack vascular tissue and seeds, have a thin cuticle or none at all, stay low to the ground, and depend on water for survival and reproduction. Their bare sperm must swim through water to reach the archegonia, and some can enter dormancy during dry periods until rain returns.

Vascular seedless plants, such as ferns and horsetails, are found in wet habitats, including the understory of temperate rain forests. They have a thicker cuticle, functioning stomata, and vascular tissue, so they can grow taller and move water and nutrients more efficiently. However, they still do not make seeds, and they need moist conditions to move gametes through water during reproduction.

Vascular seeded plants include the most diverse and widespread plant species. They share vascular tissue, mobile pollen, and seeds, and they are divided into angiosperms and gymnosperms. Angiosperms are flowering and fruiting plants, and their flowers and fruits help move pollen and seeds. Bees and hummingbirds often carry pollen between flowers, and fruits such as apples, oranges, tomatoes, avocados, and cucumbers help spread seeds when animals eat or transport them.

Gymnosperms are non-flowering plants such as conifers, cycads, and ginkgo trees. They produce bare seeds that are not protected by fruit, and their pollen is carried by wind. Together, angiosperms and gymnosperms make up most of the plants seen today. Human activity has also changed plant diversity through artificial selection, as seen in the Brassica group, where wild mustard was bred into kale, broccoli, Brussels sprouts, cabbage, turnips, kohlrabi, and cauliflower. Humans have also introduced invasive species, such as kudzu, which was brought from Southeast Asia to the eastern United States but now outcompetes native plants and causes major damage each year.

Plant Adaptations for Land Life

natural selection

Fitness and Selection in Populations

Fitness and natural selection shape how traits spread through a population over time. Variation in inherited phenotypes gives evolution its raw material. When a trait is heritable and affects survival or reproduction, natural selection can change how common that trait becomes in later generations. Fitness means reproductive success compared with others in the same population. A heritable trait that improves fitness is called an adaptation. Individuals with higher lifetime reproductive success...

artificial selection

Selective Breeding in Dogs and Crops

Artificial selection, also called selective breeding, is the human choice of which plants or animals reproduce. It uses natural variation in a population to produce traits people want. Over many generations, this can create domesticated organisms that look very different from their wild ancestors. Natural selection is a different process, but it helps explain how change happens in nature. In adaptive evolution, differences in traits can lead to differences in survival and reproductive success.

hardy-weinberg and genetic drift

Hardy-Weinberg Tests for Population Change

Hardy-Weinberg tests help scientists check whether a population is changing over time. Because evolution happens slowly and over large areas, researchers often use mathematical models to study it. These models use measurable data and computer simulations to predict how allele frequencies may shift across many generations. The Hardy-Weinberg equilibrium equation is one common model. It was developed independently in 1908 by G. H. Hardy and Wilhelm Weinberg. The equation gives the expected...

evolutionary relationships

DNA Evidence in Evolutionary Trees

DNA evidence helps scientists map evolutionary relationships between living things. Early classification began with Aristotle in the 4th century BC and was later improved during the Renaissance and by Carolus Linnaeus in the mid-1700s. These systems grouped species by physical similarity, such as the presence or absence of a backbone in vertebrates and invertebrates. Traits like a backbone are called synapomorphies, which are shared traits that likely came from a common ancestor. Physical...

plant diversity

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Animal Classification and Adaptation

Kingdom Animalia includes a wide range of organisms that share a few basic traits. Most animals are multicellular eukaryotes that move, consume organic matter, and reproduce sexually. Even with those shared features, animals are extremely diverse because each species adapts to a different niche. A niche is the place, role, and set of interactions a species has with living and nonliving parts of its environment. Specialization helps species survive, reproduce, and reduce competition with others...

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How Scientists Identify Bacteria and Fungi

Bacteria and fungi are highly diverse organisms, and scientists identify them by looking at their structure, growth, and role in health. Some species help people, while others can cause disease, so learning how to tell them apart matters in biology and medicine. Biological taxonomists group organisms by evolutionary relatedness. Life is divided into three domains: Bacteria, Archaea, and Eukaryota. Bacteria belong to the domain Bacteria, which includes single-celled prokaryotes. Prokaryotic...

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Trace how plants adapted from water to land, from cuticle and stomata to vascular tissue, seeds, flowers, and the major plant groups.

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An ecosystem is the interaction between all abiotic and biotic factors in an environment and can be classified as terrestrial or aquatic. ...

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Net production efficiency (NPE) is the efficiency at which organisms assimilate energy into biomass for the next trophic level. Due to low metabolic rates ...

Trophic Efficiency

Trophic level transfer efficiency (TLTE) is a measure of the total energy transfer from one trophic level to the next. Due to extensive energy loss as ...

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Measures of species biodiversity, such as richness (i.e., the number of species present) and evenness (i.e., their relative abundance), describe an ...

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Symbiotic relationships are long-term, close interactions between individuals of different species that affect the distribution and abundance of those ...

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Use mathematical and/or computational representations to support explanations of factors that affect carrying capacity, biodiversity and populations of ecosystems at different scales. Emphasis is on quantitative analysis and comparison of the relationships among interdependent factors including boundaries, resources, climate and competition. Examples of mathematical comparisons could include graphs, charts, histograms, or population changes gathered from simulations or historical data sets.

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The Phosphorus Cycle

Unlike carbon, water, and nitrogen, phosphorus is not present in the atmosphere as a gas. Instead, most phosphorus in the ecosystem exists as compounds, ...

Use mathematical representations to support claims for the cycling of matter and flow of energy among organisms in an ecosystem. Emphasis is on using a mathematical model of stored energy in biomass to describe the transfer of energy from one trophic level to another and that matter and energy are conserved as matter cycles and energy flows through ecosystems. Emphasis is on atoms and molecules such as carbon, oxygen, hydrogen and nitrogen being conserved as they move through an ecosystem.

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Plant Adaptations for Land Life

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