027 – Germination

La germination est le moment où une graine sèche et dormante devient une plante vivante. L'eau absorbée par imbibition réactive le métabolisme de la graine, les enzymes décomposent l'amidon et les protéines stockés dans les cotylédons, la radicule émerge et ancrant la jeune pousse, et la tige pousse vers la surface. Rien de tout cela ne nécessite de lumière : une graine germe parfaitement bien dans l'obscurité, grâce aux réserves qu'elle contient. Ce qui nécessite de la lumière, c'est l'étape suivante. La chlorophylle ne peut pas se synthétiser dans l'obscurité, de sorte qu'une jeune pousse qui atteint l'air sans lumière reste pâle, garde sa tige courbée en un crochet protecteur et n'ouvre jamais ses feuilles ; elle vit sur ses réserves jusqu'à ce qu'elles soient épuisées. En présence de lumière, le crochet se redresse, les cotylédons et les premières feuilles se développent et verdissent, et la plante passe de la consommation de ses réserves à la production de son propre sucre par photosynthèse. Les semenciers, les cultivateurs et les exploitants de serres ont besoin de savoir exactement quelle quantité de lumière une jeune pousse a besoin pour effectuer cette transition, et à quelle vitesse. Dans ce laboratoire, vous ramollirez trois graines de haricot dans l'eau, vous les planterez dans trois pots numérotés identiques, puis vous placerez chaque pot dans un environnement lumineux différent : le pot 1 à l'intérieur d'une boîte à chaussures fermée, le pot 2 sur le comptoir à côté de l'évier sous un éclairage ambiant ordinaire, et le pot 3 directement sous une lampe allumée. Tous trois recevront la même terre et le même arrosage. Vous ferez ensuite avancer l'horloge de 24 heures à la fois et arroserez les plantes chaque jour pendant l'équivalent de dix jours, en photographiant les trois pots quotidiennement, de sorte que la lumière soit la seule variable qui les sépare.

Objectifs Éducatifs

Familiarisation avec l'environnement du laboratoire

• Localisez et identifiez les pots de fleurs, les béchers de 50 mL, la pissette, la lampe, la boîte à chaussures et l'horloge, et indiquez le rôle que joue chacun d'eux dans l'expérience.
• Trouvez le tableau d'images sur la tablette et comprenez qu'il contient une photographie de chaque pot pour chaque jour de l'expérience.

Conception d'une comparaison contrôlée

• Identifiez la lumière comme la variable indépendante et nommez ce qui est délibérément maintenu constant : le même type de graine, le même sol, le même pot, le même volume d'eau selon le même calendrier et la même température.
• Expliquez pourquoi les trois pots doivent être traités de manière identique à tous les autres égards pour qu'une quelconque différence entre eux ait une signification.

Préparation des graines et plantation

• Faites tremper une graine dans chacun des trois béchers de 50 mL remplis à moitié d'eau du robinet, et expliquez pourquoi le ramollissement du tégument accélère la germination.
• Plantez les graines trempées dans les pots numérotés et notez quelle graine se trouve dans quel pot pendant les dix jours.

Entretien quotidien et contrôle du temps

• Arrosez les trois pots avec la pissette chaque jour, en donnant à chacun la même quantité.
• Avancez l'horloge de 24 heures et répétez le cycle, afin que la séquence de dix jours soit complète et ininterrompue.

Observation et tenue de registres

• Pour chaque pot et chaque jour, notez si la pousse a émergé, sa hauteur approximative, sa couleur, ainsi que si le crochet s'est ouvert et si les feuilles se sont déployées.
• Utilisez les photographies quotidiennes pour déterminer le jour où chaque étape a eu lieu plutôt que de vous fier à votre mémoire à la fin.

Interprétation du résultat

• Il convient de distinguer la germination, qui a lieu dans les trois pots, de la croissance et du verdissement qui suivent, qui ne se produisent pas dans tous les pots.
• Établissez un lien entre l'aspect de chaque plant et la quantité de lumière dont il dispose, puis précisez ce que l'expérience permet et ne permet pas de démontrer avec une seule plante par condition.

Protocole

La préparation et l'observation

1. Placez une graine de haricot dans chacun des trois béchers de 50 mL.
2. Remplir chaque bécher de 50 mL à moitié avec de l'eau du robinet pour ramollir les graines de haricots.
3. Plantez les graines de haricots dans les pots de fleurs numérotés de 1 à 3 (pour les ramasser, placez votre main ouverte face vers le haut à la base du bécher).
4. À l'aide de la bouteille d'arrosage, arrosez les plants de haricots numérotés de 1 à 3.
5. Placez le plant de haricot 1 dans la boîte à chaussures, le plant de haricot 2 sur le comptoir à côté de l'évier, et le plant de haricot 3 doit être sous la lampe.
6. Allume la lampe.
7. Vous devez attendre quelques jours pour observer la germination du haricot en fonction des conditions d'arrosage et de lumière.
8. Cliquez sur le bouton rouge de l'horloge pour avancer le temps de 24h.
9. Arrosez chacune des trois plantes à l'aide du flacon de lavage.
10. Répétez l'étape d'avancement du temps de 24 heures et d'arrosage des trois plantes (étapes 8 et 9) et observez l'évolution du plant de haricot jusqu'à ce qu'une période équivalente à 10 jours se soit écoulée.
11. Observer l'évolution de la germination des plants de haricots en fonction de l'exposition à la lumière sur plusieurs jours.
12. Les résultats se trouvent dans le tableau de la tablette.

Résultats attendus

Les résultats sont disponibles via ce lien (PDF)

Les trois graines germent. Ce qui les différencie, c'est tout ce qui se passe une fois que la pousse a atteint la surface. Le tableau ci-dessous présente l'état de chaque pot à la fin de la séquence de dix jours, tel qu'il a été consigné dans les photographies quotidiennes de la simulation.

Les photos prises quotidiennement permettent également de dater le déroulement même de la germination. Le haricot étant une plante à germination épigée, les étapes se succèdent dans un ordre bien défini, et cet ordre est le même dans les trois pots, même si seuls deux d’entre eux finissent par développer des feuilles.

Pourquoi la lumière n'est pas nécessaire pour germer mais est nécessaire pour survivre. La germination nécessite de l'eau, de l'oxygène et une température adéquate, et son énergie provient de la graine, et non du soleil : les cotylédons d'un haricot constituent une réserve d'amidon, de protéines et de lipides, et les amylases hydrolysent cet amidon en sucres que l'embryon en croissance respire. C'est pourquoi le pot 1 germe dans l'obscurité totale selon le même calendrier que les deux autres. Les réserves sont cependant limitées. Une plantule ne devient autonome qu'une fois qu'elle peut faire de la photosynthèse, 6 CO₂ + 6 H₂O + énergie lumineuse → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂, et cela nécessite du tissu vert. La dernière étape de la construction de la chlorophylle, à savoir la conversion du protochlorophyllide en chlorophyllide, est elle-même stimulée par la lumière chez les plantes à fleurs, si bien qu'une jeune pousse plongée dans l'obscurité est physiquement incapable de fabriquer le pigment. Le pot 1 ne meurt donc pas de faim au 10e jour — il a encore des réserves —, mais il n'a aucun moyen de devenir autotrophe et, s'il est laissé dans la boîte, il épuisera ses cotylédons et mourra.

Deux programmes de croissance, un seul plant. Une graine dans le noir ne manque simplement pas de pousser ; elle suit un programme différent et parfaitement sensé, appelé skotomorphogenèse. L'allongement de la tige est favorisé par rapport à l'expansion des feuilles, la chlorophylle n'est pas produite, et l'extrémité est protégée à l'intérieur d'un crochet, car dans la nature, l'obscurité signifie que la jeune pousse est encore sous terre et que son seul mouvement utile est d'atteindre la surface. La première lumière qu'elle reçoit est détectée par des photorécepteurs — des phytochromes pour la lumière rouge et rouge lointain, des cryptochromes pour le bleu — et fait basculer la plante vers la photomorphogenèse : le crochet s'ouvre, l'élongation de la tige ralentit, les cotylédons et les feuilles se développent, et la chlorophylle s'accumule. Le pot 1 montre le programme sombre, les pots 2 et 3 montrent le programme lumineux, et la différence entre les pots 2 et 3 montre que le programme lumineux réagit toujours à la quantité de lumière présente.

Pourquoi la lampe bat le comptoir. Les trois positions diffèrent plus qu'on ne pourrait le supposer. L'éclairage intérieur indirect sur un comptoir est typiquement de l'ordre de 100 à 500 lux, une lampe de bureau à courte portée donne plusieurs milliers de lux, et la lumière du jour en plein air varie d'environ 10 000 lux à plus de 100 000 lux. Une feuille de haricot atteint son point de compensation — où la photosynthèse équilibre exactement la respiration — à quelques dizaines de µmol de photons par m² par seconde, et ne se sature que bien au-delà. Le pot 2 se trouve donc au-dessus du seuil auquel il peut survivre et verdir, mais bien en deçà du niveau auquel il grandit aussi vite qu'il le pourrait, tandis que le pot 3 est plus proche de ce niveau, ce qui explique pourquoi il accumule une surface foliaire plus importante au cours des mêmes dix jours. Le classement des trois pots est celui de la lumière qu'ils reçoivent.

Résumé du devoir par tranche d'âge

Classe de 3e à la 2de

• Focalisation la différence entre la germination et la croissance, et le vocabulaire d'une comparaison contrôlée.
• Activités : installez les trois pots et arrosez-les selon le même calendrier ; enregistrez la couleur, la hauteur et l'état des feuilles pour chaque pot chaque jour dans un tableau semblable au Tableau 1 ; identifiez la seule variable qui a été modifiée et énumérez-en trois qui ont été maintenues constantes ; indiquez quel pot a eu les meilleurs résultats et lequel a eu les pires, et expliquez en une phrase pourquoi le pot dans la boîte est pâle.

11e année

• Focalisation comparaison quantitative des trois traitements et chimie de la couleur.
• Activités : relever les hauteurs à partir des photographies quotidiennes et tracer la hauteur en fonction du jour pour les trois pots sur un même ensemble d'axes ; expliquer pourquoi la chlorophylle ne peut pas être synthétisée dans l'obscurité et nommer l'étape pigmentaire que la lumière débloque ; rendre compte de la crochue et de son ouverture ; expliquer comment la plantule dans la boîte parvient à survivre, et prédire ce qui lui arriverait si elle était placée sous la lampe le 10e jour ; classer les trois positions par éclairement et relier ce classement à la croissance observée.

12e année / Niveau universitaire

• Focalisation plan d'expérience, et ce qu'une seule plantule par traitement peut et ne peut pas établir.
• Activités : Énumérez toutes les variables que ce protocole laisse non contrôlées et spécifiez la réplication, la randomisation de la position des pots et le scoring en aveugle qui seraient nécessaires pour transformer la démonstration en mesure ; argumentez en faveur de la masse sèche et de la surface foliaire plutôt que de la hauteur comme variable de réponse, et décrivez comment chacune serait mesurée ; expliquez l'étiolement comme une stratégie adaptative plutôt que comme un défaut, et distinguez les rôles du phytochrome et du cryptochrome ; concevez une expérience de suivi qui sépare l'effet de la quantité de lumière de la qualité de la lumière, par exemple un traitement bleu uniquement et un traitement rouge uniquement à flux photonique égal ; et expliquez pourquoi l'ouverture de la boîte chaque jour pour arroser le pot 1 affaiblit le traitement à l'obscurité et comment vous l'éviteriez.

Essentiels de laboratoire

Instruments

• Pots de fleurs (3, numérotés de 1 à 3)
• Bêchers (50 mL, un par graine)
• Flacon laveur
• Boîte à chaussures
• Lampe
• Horloge (avance le temps de 24 h)

Produits

• Graines de haricot (3)
• Sol
• Eau du robinet