Karamö, le prof virtuelLeçon 3 sur 13
Zones et mécanisme d'absorption des ions par les végétaux
Je sais localiser la zone d'absorption des ions minéraux et expliquer qu'ils entrent dans la racine par diffusion ou par transport actif, de façon sélective.
- 1 h
- 5 exercices corrigés
- 2 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Localiser la zone d'absorption des ions et l'état sous lequel les éléments minéraux sont absorbés
- Distinguer diffusion passive et transport actif, et calculer un coefficient d'accumulation
- Relier le transport actif à la respiration des cellules de la racine
- Expliquer le rôle du complexe argilo-humique et des échanges d'ions
Avant de commencer : Les besoins nutritifs des végétaux chlorophylliens ; l'absorption de l'eau (zone pilifère, osmose) ; notions sur les ions (cations, anions).
1Je découvre
Au lycée de Kankan, Ibrahima et Hawa réalisent une petite expérience. Ils plongent les racines de deux plants de riz identiques dans la même solution nutritive. Le premier bac est bien aéré par un petit bulleur ; dans le second, on a chassé l'air en faisant bouillir puis refroidir la solution, qu'on recouvre d'huile.
Au bout de quelques jours, ils dosent le potassium restant dans chaque bac. Surprise : dans le bac aéré, la solution s'est appauvrie en potassium ; dans le bac sans air, beaucoup moins. Pourtant, les deux plants ont absorbé à peu près la même quantité d'eau.
« Si les ions entraient simplement avec l'eau, dit Hawa, les deux plants auraient pris autant de potassium ! »
Ibrahima ajoute : « Et j'ai lu que le suc des cellules de racine contient parfois beaucoup plus de potassium que la solution du sol. Comment les ions peuvent-ils entrer vers un milieu déjà plus riche qu'eux ? »
Où et comment les ions minéraux entrent-ils dans la plante ?
2Je comprends
1. Sous quelle forme les éléments minéraux sont-ils absorbés ?
Les sels minéraux du sol ne sont pas absorbés sous forme de cristaux mais dissous dans l'eau du sol, à l'état d'ions :
| Élément | Ion absorbé | Type |
|---|---|---|
| Azote | nitrate NO3^- (et ammonium NH4^+) | anion (cation) |
| Phosphore | phosphate H2PO4^- | anion |
| Soufre | sulfate SO42- | anion |
| Potassium | K^+ | cation |
| Calcium | Ca2+ | cation |
| Magnésium | Mg2+ | cation |
L'ensemble eau + ions absorbés constitue la solution du sol, qui deviendra la sève brute dans les vaisseaux du bois.
2. La zone d'absorption des ions
On plonge successivement différentes zones d'une jeune racine dans une solution contenant un ion marqué (un isotope radioactif du phosphore ou du potassium, facile à repérer). On mesure ensuite la radioactivité dans la plante. Les résultats montrent que les ions sont surtout absorbés au niveau de la zone pilifère, comme l'eau, et un peu par la zone d'élongation. La zone subéreuse, imperméable, n'absorbe pratiquement pas.
La zone pilifère est donc la zone d'absorption de la solution du sol : de l'eau et des ions. Mais eau et ions n'entrent pas par le même mécanisme.
3. L'absorption des ions est indépendante de celle de l'eau
Plusieurs observations le montrent :
- une plante peut absorber beaucoup d'eau et peu d'un ion, ou l'inverse ;
- la composition de la sève n'est pas celle de la solution du sol : certains ions y sont beaucoup plus concentrés, d'autres beaucoup moins ;
- des plantes différentes placées dans la même solution n'absorbent pas les mêmes ions dans les mêmes proportions.
On dit que l'absorption des ions est sélective et indépendante de celle de l'eau.
4. Le coefficient d'accumulation
Pour comparer la concentration d'un ion dans la cellule et dans le milieu, on calcule le coefficient d'accumulation :
k = concentration de l'ion dans le suc cellulaireconcentration de l'ion dans le milieu extérieur
- Si k > 1 : l'ion est accumulé dans la cellule (plus concentré dedans que dehors).
- Si k < 1 : l'ion est moins concentré dans la cellule ; il est peu absorbé ou rejeté.
- Si k = 1 : concentrations égales, équilibre.
Exemple
On mesure dans le suc des cellules d'une racine et dans la solution nutritive les concentrations suivantes (en mmol/L) : K+ : 60 dans la cellule, 1,5 dans la solution ; Na+ : 2 dans la cellule, 10 dans la solution. Calcule les coefficients d'accumulation et interprète.
K+ : k = 60 ÷ 1,5 = 40. Le potassium est 40 fois plus concentré dans la cellule : il est accumulé.
Na+ : k = 2 ÷ 10 = 0,2. Le sodium est moins concentré dans la cellule que dehors : il est peu absorbé.
Interprétation : la cellule ne laisse pas entrer les ions au hasard ; elle choisit (sélectivité) et peut accumuler un ion contre son gradient de concentration.
5. Deux mécanismes : diffusion et transport actif
a) La diffusion (transport passif). Un ion dissous se déplace spontanément du milieu où il est le plus concentré vers celui où il est le moins concentré, jusqu'à l'égalité des concentrations. Ce mouvement suit le gradient de concentration et ne demande aucune énergie à la cellule. Il suffit que la membrane laisse passer l'ion. Quand la solution du sol est plus riche en un ion que la cellule, cet ion peut entrer par diffusion.
b) Le transport actif. Quand un ion est accumulé (k > 1), il entre contre son gradient de concentration, du milieu pauvre vers le milieu riche. Cela ne peut pas être spontané : la cellule doit fournir de l'énergie. Des protéines de la membrane, les transporteurs (ou « pompes »), prennent l'ion à l'extérieur et le font passer à l'intérieur en consommant de l'énergie sous forme d'ATP.
- Suit le gradient de concentration
- Du milieu riche vers le milieu pauvre
- Aucune dépense d'énergie
- S'arrête à l'égalité des concentrations
- Indépendante de la respiration
- Contre le gradient de concentration
- Du milieu pauvre vers le milieu riche
- Consomme de l'énergie (ATP)
- Permet l'accumulation (k > 1)
- Liée à la respiration des cellules
6. Le transport actif dépend de la respiration
D'où vient l'ATP ? De la respiration des cellules de la racine, qui oxyde des glucides en consommant de l'oxygène (O2) et libère de l'énergie. Plusieurs expériences le prouvent :
- Privation d'oxygène : dans une solution non aérée, l'absorption du potassium diminue fortement (c'est l'expérience d'Ibrahima et Hawa).
- Poison respiratoire : si l'on ajoute du cyanure, qui bloque la respiration, l'accumulation des ions s'arrête presque complètement ; seule subsiste une faible entrée par diffusion.
- Température : au froid (vers 2 °C), la respiration est ralentie et l'absorption des ions diminue beaucoup ; elle augmente quand la température remonte vers l'optimum.
- Sucres : une racine riche en glucides (qui servent de carburant à la respiration) absorbe davantage d'ions.
Conséquence pratique en Guinée : un sol asphyxié, gorgé d'eau stagnante et mal drainé, nuit à la nutrition minérale des cultures qui ne sont pas adaptées à l'inondation. Le labour, le buttage et le drainage améliorent l'aération du sol. Le riz inondé, lui, possède des tissus à grandes lacunes qui conduisent l'air jusqu'aux racines.
- 1Les feuilles fabriquent des glucides, qui descendent jusqu'aux racines
- 2Les cellules de la racine respirent : glucides + O2 donnent CO2 + H2O + énergie
- 3L'énergie est mise en réserve sous forme d'ATP
- 4Les transporteurs de la membrane utilisent l'ATP pour faire entrer les ions contre leur gradient
- 5Les ions s'accumulent dans les cellules puis passent dans la sève brute
7. Le rôle du sol : le complexe argilo-humique
Dans le sol, beaucoup de cations (K^+, Ca2+, Mg2+, NH4^+) ne sont pas libres dans l'eau : ils sont fixés à la surface des fines particules d'argile et d'humus, chargées négativement. Cet ensemble est le complexe argilo-humique : il retient les cations et les empêche d'être emportés par les pluies (lessivage).
Les racines savent récupérer ces cations par échange d'ions : elles libèrent des ions hydrogène H^+ (issus notamment du CO2 de leur respiration dissous dans l'eau) qui prennent la place des cations sur le complexe. Les cations ainsi libérés passent dans la solution du sol, puis dans la racine.
Les anions (nitrate, sulfate), peu retenus par le complexe, sont facilement entraînés par les eaux : c'est pourquoi les fortes pluies de l'hivernage appauvrissent vite les sols en nitrates, et pourquoi la matière organique (fumier, compost), qui enrichit le sol en humus, aide à garder les éléments nutritifs.
Méthode
Pour interpréter un tableau d'absorption d'ions :
- Je calcule, pour chaque ion, le coefficient d'accumulation k = concentration interne ÷ concentration externe.
- Si k > 1, l'ion est entré contre son gradient : je conclus à un transport actif.
- Je compare les conditions (avec ou sans O2, avec ou sans poison, température) : si l'absorption chute quand la respiration est bloquée, le transport actif utilise l'énergie de la respiration.
- Je compare les différents ions : des k très différents montrent la sélectivité.
Exemple
Deux lots de racines d'orge sont placés dans une solution contenant 1 mmol/L de K+. Lot A : solution aérée ; lot B : solution aérée + cyanure. Après 6 heures, la concentration de K+ dans les cellules vaut 25 mmol/L dans A et 1 mmol/L dans B. Interprète.
Lot A : k = 25 ÷ 1 = 25 > 1 : accumulation par transport actif.
Lot B : k = 1 ÷ 1 = 1 : simple équilibre de diffusion.
Le cyanure, qui bloque la respiration, supprime l'accumulation : le transport actif utilise l'énergie fournie par la respiration.
3Je retiens
Je retiens
Les éléments minéraux sont absorbés à l'état d'ions dissous (NO3−, H2PO4−, SO4 2−, K+, Ca2+, Mg2+…), surtout au niveau de la zone pilifère.
L'absorption des ions est sélective et indépendante de celle de l'eau.
Coefficient d'accumulation k = concentration dans la cellule ÷ concentration dans le milieu ; k > 1 : accumulation.
Diffusion : passive, sans énergie, dans le sens du gradient de concentration.
Transport actif : contre le gradient, grâce à des transporteurs membranaires qui consomment de l'ATP fourni par la respiration.
Manque d'O2, froid, poisons respiratoires diminuent l'absorption active.
Le complexe argilo-humique retient les cations ; les racines les récupèrent par échange contre des ions H+.
4Erreurs fréquentes
- Croire que les ions entrent « avec l'eau », par osmose : l'osmose concerne l'eau ; les ions entrent par diffusion ou transport actif, indépendamment de l'eau.
- Confondre le sens de la diffusion et celui du transport actif : la diffusion va du plus concentré au moins concentré ; le transport actif fait l'inverse.
- Calculer le coefficient d'accumulation à l'envers : on divise la concentration INTERNE par la concentration EXTERNE.
- Oublier que l'énergie du transport actif vient de la respiration des racines (donc de l'oxygène du sol), et non directement de la lumière.
5Je m’exerce
1Exercice 1
(Questions de cours)
a) Sous quelle forme l'azote, le potassium et le phosphore sont-ils absorbés par les racines ?
b) Définis : transport actif, coefficient d'accumulation, complexe argilo-humique.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) Azote : surtout ion nitrate NO3^- (et ammonium NH4^+) ; potassium : ion K^+ ; phosphore : ion phosphate H2PO4^-.
b) Transport actif : entrée d'un ion dans la cellule contre son gradient de concentration, grâce à des transporteurs membranaires qui consomment de l'énergie (ATP). Coefficient d'accumulation : rapport entre la concentration d'un ion dans la cellule et sa concentration dans le milieu extérieur. Complexe argilo-humique : association des particules d'argile et d'humus du sol, chargée négativement, qui retient les cations.
2Exercice 2
Calcule le coefficient d'accumulation de chaque ion et dis s'il est accumulé.
| Ion | Dans le suc cellulaire (mmol/L) | Dans la solution (mmol/L) |
|---|---|---|
| K^+ | 48 | 0,8 |
| Ca2+ | 3 | 1,5 |
| Na^+ | 1 | 4 |
| NO3^- | 30 | 2 |
Voir le corrigéCacher le corrigé
K^+ : k = 48 ÷ 0,8 = 60 : fortement accumulé.
Ca2+ : k = 3 ÷ 1,5 = 2 : légèrement accumulé.
Na^+ : k = 1 ÷ 4 = 0,25 : non accumulé.
NO3^- : k = 30 ÷ 2 = 15 : accumulé.
Les valeurs très différentes montrent la sélectivité de l'absorption.
3Exercice 3
Explique pourquoi un plant de tomate cultivé dans un sol constamment gorgé d'eau présente souvent des signes de carence minérale, alors que le sol est riche en engrais.
Voir le corrigéCacher le corrigé
Dans un sol gorgé d'eau, l'air est chassé : les racines manquent d'oxygène et respirent mal. Elles produisent peu d'ATP, donc le transport actif des ions fonctionne mal. Même si le sol contient beaucoup d'ions, la plante les absorbe peu et présente des carences.
4Exercice 4
Le potassium K^+ est fixé en grande partie sur le complexe argilo-humique. Explique comment la racine peut le récupérer, et pourquoi les nitrates sont plus facilement perdus que le potassium lors des grosses pluies.
Voir le corrigéCacher le corrigé
Les racines libèrent des ions H^+ qui prennent la place du K^+ sur le complexe argilo-humique : c'est l'échange d'ions. Le K^+ libéré passe dans la solution du sol et peut être absorbé. Les nitrates sont des anions ; ils ne sont pas retenus par le complexe (lui-même chargé négativement) et restent libres dans l'eau du sol : les pluies les entraînent facilement en profondeur (lessivage).
5Exercice 5
(Type examen) On mesure l'absorption de K^+ (en µmol par gramme de racine et par heure) par des racines de maïs placées dans une solution à concentration constante, dans différentes conditions.
| Condition | Absorption de K^+ |
|---|---|
| A : 25 °C, solution aérée | 8,0 |
| B : 25 °C, solution sans oxygène | 1,2 |
| C : 2 °C, solution aérée | 1,0 |
| D : 25 °C, aérée + cyanure | 0,8 |
a) Quelle condition sert de référence ?
b) Calcule, pour B, C et D, le pourcentage de diminution par rapport à A.
c) Quel point commun y a-t-il entre les conditions B, C et D ?
d) Déduis-en le mécanisme principal d'absorption de K^+ et sa source d'énergie.
e) Comment expliques-tu la faible absorption qui subsiste en D ?
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) La condition A (25 °C, solution aérée), où les racines respirent normalement.
b) B : (8,0 − 1,2) ÷ 8,0 × 100 = 6,8 ÷ 8 × 100 = 85 %. C : (8,0 − 1,0) ÷ 8,0 × 100 = 87,5 %. D : (8,0 − 0,8) ÷ 8,0 × 100 = 90 %.
c) Dans les trois cas, la respiration des cellules de la racine est fortement réduite : manque d'oxygène (B), froid qui ralentit les réactions (C), blocage par un poison respiratoire (D).
d) Quand la respiration est empêchée, l'absorption chute de 85 à 90 %. Le potassium est donc absorbé principalement par transport actif, qui utilise l'énergie (ATP) fournie par la respiration.
e) La faible absorption restante (0,8) correspond à une entrée passive, par diffusion, qui ne demande pas d'énergie et n'est donc pas bloquée par le cyanure.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
Choisis une réponse pour chaque question : la correction s’affiche aussitôt.
Crée ton compte élève gratuit pour cocher les leçons terminées, suivre ta progression et gagner des points au QCM.
