0TP - Biologie & Physiologie des Organismes et Biologie des Populations, en relation avec le milieu de vie

Algues et Ligne verte 1 David BUSTI, Septembre 2007

Objectifs

Introduction : quest-ce quune algue ?

I/ Cyanobactries A) Organisation et cytologie B) Reproduction II/ Algues rouges ou Rhodophytes A) Organisation et cytologie

* Exprience dextraction de pigments photosynthtiques * Exprience dextraction de composants paritaux

B) Reproduction III/ Algues vertes A) Organisation et cytologie B) Reproduction C) Origine des plastes primaires (endosymbiose primaire) IV/ Algues brunes ou Phophytes A) Organisation et cytologie B) Reproduction C) Origine des plastes secondaires (endosymbiose secondaire) Conclusion

Bibliographie BRACEGIRDLE, MILES An Atlas of plant structure, Volumes 1 et 2 Heinemann Education Books 1985 et 1981 DE REVIERS Biologie et phylognie des algues, Tomes 1 et 2 Belin 2002 et 2003 DES ABBAYES Prcis de botanique - Tome 1, Vgtaux infrieurs Masson 1978 GAYRAL Les algues. Morphologie, cytologie, reproduction et cologie Doin 1975 GORENFLOT, GUERN Organisation et biologie des Thallophytes Doin 1990 LEE Phycology Cambridge University Press 1999 LOISEAUX, NURIT, MACHE Atlas micrographique de cytologie vgtale Masson 1974 ROBERT, ROLAND Biologie vgtale, Tome 1 Organisation cellulaire Doin 1998 ROBERT, CATESSON Biologie vgtale, Tome 2 Organisation vgtative Doin 1998 ROBERT, DUMAS, BAJON Biologie vgtale, Tome 3 - La reproduction Doin 1998 ROLAND, VIAN Atlas de biologie vgtale, Tome 1 Organisation des plantes sans fleurs Dunod 1999 SELOSSE La symbiose. Structures et fonctions, rles cologiques et volutifs Vuibert 2000 SELOSSE Les algues de la zone intertidale et leur zonation Biologie-Gologie n4, APBG 2000 SELOSSE Les Cyanobactries, dtonnants procaryotes autotrophes Biologie-Gologie n3, APBG 1996 SELOSSE La saga de lendosymbiose La Recherche n296, Mars 1997 SELOSSE Quels anctres pour nos cellules ? La Recherche n362, Mars 2003 TAIZ-ZEIGER Plant Physiology Sinauer Associates, Inc., Publishers 1998 VAN DEN HOEK, MANN, JAHNS Algae. Cambridge University Press 1993

Corrlations TPs La ligne verte 2 : les Embryophytes (B) Cours La zonation sur le littoral rocheux (B, Stage Roscoff) Sorties terrain Mare algues (B, Stage Roscoff) Leons La diversit des algues (O, B) Origine et volution des plastes (O, B) Pigments photosynthtiques et photosystmes (O, A) Les principes dune classification phylogntique (O, B) Lorigine endosymbiotique de la cellule eucaryote (O, B) Les surfaces dchanges chez les vgtaux terrestres (O, B) La classification phylogntique du vivant (CO biologie) Les surfaces dchanges chez les vgtaux terrestres (CO biologie)

Mots clsalgue / algae thallophyte / thallophyta sporocyste / sporangium gamtocyste / gametangium spermatocyste / antheridium oocyste / oogonium phycobilisome / phycobilisome pyrnode / pyrenoid carposporophyte / carposporophyte carraghnanes / carrageenans physode /physode alginates / alginates rceptacle / receptacle conceptacle / conceptacle endosymbiose primaire / primary endosymbiosis endosymbiose secondaire / secondary endosymbiosis Techniques Chromatographie Extraction de composants paritaux

Conceptacle mle de Fucus vesiculosus

Filament unisri de Nostoc

1Observations proposes

(sur matriel frais et lames histologiques) I CYANOBACTERIES

Nostoc Observer la gangue mucilagineuse retenant leau (adaptation la scheresse). Ecraser sur une lame un morceau de thalle et observer au microscope les filaments constitus de

cellules vgtatives et dhtrocystes.

II ALGUES ROUGES OU RHODOPHYTES Antithamnion sarniense (Cf. Fig.3A et Fig.17)

Observer au microscope le cladome structure uniaxiale avec les pleuridies typiques. Observer les synapses et les nombreux rhodoplastes dans chaque cellule (structure noplastidie). Chercher les zones fertiles (ttraspores possibles).

Chondrus crispus (Cf. Fig.15D) Observer lil nu le cladome iridescent. Extraire les composs paritaux (agars et de carraghnanes, utiliss industriellement).

Porphyra sp (Cf. Fig.5A et Fig.15B) Observer au microscope la lame monostromatique de cellules paroi paisse (gamtophyte). Observer le plaste en toile, en position centrale dans la cellule (structure archoplastidie). Rechercher ventuellement les gamtes (spermaties et carpogones) en marge du thalle.

Gracilaria gracilis (Cf. Fig.15C) Observer le thalle ramifi en forme de cordon cylindrique et structure uniaxiale. Chercher ventuellement les lments reproducteurs : ttrasporocystes, spermatocystes et

carposporophytes (le cycle est haplodiplophasique trigntique dimorphe). Raliser une CT tu thalle au niveau dun carposporophyte et observer les carpospores, le pricarpe

et les filaments nourriciers.

III ALGUES VERTES Ulva sp (Cf. Fig.4A, Fig.5A et Fig.20)

Raliser plusieurs CT et observer les 2 couches de cellules formant la lame bistromatique. Observer le plaste parital unique en U dirig vers lextrieur (structure archoplastidie) et

pyrnode rfringent entour dune coque damidon (pyrnode colorable au lugol). Chercher les cystes en marge du thalle (pas toujours visibles).

Cladophora sp (Cf. Fig.4B et Fig.5B) Observer au microscope le thalle filamenteux hmisiphon (chaque article est plurinucl !) et

croissance intercalaire. Articles plaste en rseau unique (un plaste en rseau est constitu de plaquettes pigmentes

relies par des tubes non pigments : structure msoplastidie). Pyrnodes. Codium sp (Cf. Fig.3B et Fig.21)

Observer le cladome structure multiaxiale et siphone. Observer au microscope les siphons plusieurs noyaux. Raliser une CT de lextrmit de laxe, observer au microscope les utricules et les gamtocystes.

Zygnema sp (lames du commerce, Cf. Fig.22) Observer les filaments unisris (organisation haplostique). Observer les diffrents stades de conjugaison scalariforme et les zygotes forms.

2IV ALGUES BRUNES OU PHEOPHYTES

Laminaria saccharina (Cf. Fig.4E et Fig.28) Reprer les diffrentes rgions de lalgue : crampons, stipe, fronde et zone de croissance. Raliser une CT de stipe et observer le mristoderme et les cellules conductrices. Observer les sporocystes la surface de la fronde, au niveau des tches fonces (le cycle est

haplodiplophasique digntique htromorphe, sporophyte dominant). Dictyota dichotoma (Cf. Fig.31)

Observer lil nu le thalle en ruban, iridescent, et ramification dichotomique. Observer au microscope lunique cellule apicale, lextrmit dun rameau, ainsi que les

nombreux plastes par cellule (structure noplastidie). Raliser une coloration au bleu de Crsyl et observer les physodes. Observer, si le thalle sy prte, les lments reproducteurs : ttrasporocystes et gamtocystes

(le cycle est haplodiplophasique digntique isomorphe, le gamtophyte est dioque). Fucus vesiculosus (lames du commerce, Cf. Fig.30)

Observer le thalle fucode ramification dichotomique. Observer les flotteurs assurant le soutien du thalle mare haute. Observer sur les lames du commerce les conceptacles femelles oocystes et les conceptacles

mles spermatocystes (le cycle est diplophasique monogntique, le gamtophyte est dioque). Bifurcaria bifurcata

Observer le thalle fucode ramification dichotomique. Raliser des CT au niveau des rceptacles terminaux et observer les conceptacles oocystes et

spermatocystes (le cycle est diplophasique monogntique, le gamtophyte est monoque).

3Gnralits

Position systmatique des algues

Fig.1. Arbre phylogntique des Eucaryotes. La figure mentionne les acquisitions de plastes par endosymbiose primaire (cercle blanc), secondaire (cercles noirs, avec certaines incertitudes matrialises par un "?") ou tertiaire (cercle ray), ainsi que les groupes o existent quelques endosymbioses avec des algues (petits points), et les deux racines possibles des Eucaryotes (notes R1 et R2). Les symboles "n" et "p" indiquent respectivement la persistance dun nuclomorphe (noyau vestigial) et la perte secondaire de lalgue internalise. Les groupes dalgues ont t entours. (Daprs Slosse)

Haptophytes Cryptophytes

Cilis Dinophytes Sporozoaires

ALVEOLOBIONTES

Oomyctes

Phophytes XanthophytesDiatomophytes

HETEROCONTES

Chytridiomyctes

Ascomyctes Zygomyctes

Basidiomyctes

Chlorophytes s.s.Charophytes

Choanoflagells Mtazoaires

Embryophytes

LIGNEE VERTE = RHODOPHYTES + CHLOROBIONTES

OPISTHOCONTES = METAZOAIRES + EUMYCETES

?

Rhodophytes Glaucocystophytes

n

Htroloboss Euglnophytes Trypanosomides

ParabasaliensDiplomonadines EXCAVES

DISCICRISTES

Myxomyctes Plobiontes

Radiolaires en partie ForaminifresChlorarachniophytes

R 2

R 1

nCERCOZOAIRES

AMIBOZOAIRES Loboss, Entamoebids

?

Endosymbiose primaire ( plaste = cyanobactrie endosymbiotique)

Endosymbiose tertiaire (plaste = algue issue dune endosymbiose secondaire)

Existence, dans quelques espces, dalgues endosymbiotiques

R1, R2 Racines possibles de larbre

Endosymbiose secondaire (plaste = algue eucaryote endosymbiotique ; n : nuclomorphe, p : perte secondaire)

Principaux groupes dalgues

Hliozoaires en partie ?

p

p

?

p? U

NIC

ON

TE

S C

HR

OM

AL

VE

OL

ES

4Morphologie des thalles Fig.2. Structure des thalles non hirarchiss. (Des Abbayes 128 et Gorenflot 18) A, B et C = Archthalles. A, thalles unicellulaires. B, thalles coloniaux. C, thalles filamenteux. D, E, F, G, H, I = Nmatothalles. Les thalles sont des filaments plus ou moins ramifis avec des communications cytoplasmiques, linverse des prcdents. On distingue une partie dresse et une partie rampante (D) dont lune ou lautre peut rgresser (E et F). Dans certains cas, la ramification peut rgresser aboutissant un thalle filamenteux mais les communications cellulaires persistent (G). Parfois, des divisions cellulaires dans un autre plan aboutissent des thalles lamellaires (H) ou tubulaires (I).

A B Fig.3. Structure des thalles hirarchiss = thalles cladomiens. (Des Abbayes 130) A, Cladome uniaxial dAntithamnion. Les cladomes sont des axes croissance indfinie alors que les pleuridies sont croissance dfinie. B, Cladome multiaxial de Codium.

H

I

cladome secondaire cladome primaire

pleuridie

cellule apicale unique

cellules apicales multiples

5Croissance des thalles A B C D E Fig.4. Croissance des thalles. Les zones de croissance sont grises. (Des Abbayes 117 et 118) A, Croissance diffuse chez Ulva. (Daprs Gorenflot 18) B-C, Croissance localise apicale donnant un filament haplostique (B, pas de cloisonnement longitudinal des cellules) ou polystique (C, cloisonnement transversal et longitudinal des cellules). D-E, Croissance localise intercalaire chez Ectocarpus (D) et les Laminaires (E). Cytologie A B C Porphyra Cladophora (algue rouge primitive) (algue verte) Ulva (algue verte) Rhodothamniella (algue rouge) Fig.5. Structure de quelques plastes dalgues. py = Pyrnode, n = noyau. (Des Abbayes 117 119) A, Structure archoplastidie : un plaste plus ou moins lob par cellule, en position centrale (Porphyra) ou paritale (Ulva). Cest la structure la plus archaque. B, Structure msoplastidie : un plaste unique en rseau (Cladophora). C, Structure noplastidie : plusieurs plastes par cellule (cas de nombreuses algues et de toutes les plantes suprieures !). Cest la structure la plus volue.

zone de croissance stipofrondale

6Cycles de dveloppement Fig.6. Les diffrents types de cycles morphologiques (gnrations, en haut) et nuclaires (phases, en bas) chez les vgtaux. Fcondation sans gamtes typiques SOMATOGAMIE Fcondation de lindividu entier HOLOGAMIE (algues unicellulaires vertes) Union du contenu de 2 cellules CYSTOGAMIE = CONJUGAISON

jouant le rle de gamtocystes (Zygnmatophyces : Zygnema, Spirogyra) Fcondation entre cellules quelquonques PERITTOGAMIE (Basidiomyctes)

Fcondation avec gamtes typiques MEROGAMIE 2 gamtes mobiles PLANOGAMIE ss

Gamtes semblables PLANOGAMIE ISOGAME (Chlamydomonas)

Gamtes de taille diffrente PLANOGAMIE ANISOGAME (Ulva, Codium)

1 gamte mobile et anisogamie des gamtes OOGAMIE (Fucus, Bryophytes, Ptridophytes, Prspermaphytes)

Pas de gamtes mobiles APLANOGAMIE Gamtes mles se fixant sur un trichogyne TRICHOGAMIE

(la plupart des Algues rouges, Ascomyctes)

Gamtes mles non librs, SIPHONOGAMIE conduits par un siphon (Angiospermes, Mildiou)

Fig.7. Modalits de fcondation chez les vgtaux et les champignons. (Gorenflot 76-81)

7Expriences sur les algues ralisables en leon

1. Extraction de pigments photosynthtiques (Slosse, APBG n4 2000, 800) Matriel :

- Thalles frais dalgues parois peu paisses, ce qui facilite le broyage : Dictyota, Ulva, Antithamnion, Porphyra

- Mortier, pilon et sable fin (pour le broyage des algues) - Plaque de silicagel (pour la chromatographie) - Pipettes pasteurs - Solution 1 : Solvant organique pour lextraction des pigments :

Actone 90 % (en volume) Mthanol 10 %

- Solution 2 : Solvant organique pour la migration des pigments : Ether de ptrole 60 / 80 60 mL Actone 20 mL Chloroforme 20 mL

Protocole : 1. Broyer rapidement dans un mortier les thalles avec un peu de sable fin et une goutte deau. Cette

tape doit tre ralise idalement labri de la lumire et basse temprature, de faon viter laltration des pigments.

2. Ajouter quelques mL de la solution 1, broyer nouveau puis prlever laide dun tube capillaire la solution avec les pigments.

3. Dposer laide de pipettes pasteur les extraits sur une plaque de silicagel, en limitant au maximum la taille du dpt. Veiller dposer au bas de la plaque au moins un cm du bord.

4. Scher au sche-cheveux les dpts de faon liminer au fur et mesure le solvant, sans chauffer excessivement les pigments.

5. Dposer la plaque dans un rcipient contenant la solution 2, de faon ce que le dpt pigmentaire soit au-dessus du niveau du solvant.

6. Laisser migrer lobscurit pendant environ 10 minutes. Surveiller la migration. 7. Calculer les Rf (rapport distance parcourue par un pigment/distance parcourue par le front de

migration) de chaque pigment. Dans ce systme, o la plaque est hydrophile et le solvant hydrophobe, les pigments sont dautant plus entrans (et donc leur Rf est dautant plus grand) quils sont hydrophobes.

2. Extraction de composants paritaux (Slosse, APBG n4 2000, 801) Cette manipulation trs simple permet dobtenir des carraghnanes dalgues rouges grossirement

purifis. On extrait lidentique les alginates dalgues brunes.

Matriel : - Une poigne dalgues rouges comme Chondrus crispus ou Mastocarpus stellatus - Solution disopropanol 500 mL - Solution de NaOH 2 % 10 mL - H2O distille 500 mL

Protocole : 1. Mettre 5 10 g de thalles schs dans une casserole. 2. Ajouter environ 350 mL deau distille et 10 mL de NaOH 2 %. 3. Faire bouillir pendant 15 minutes en agitant avec une baguette pour viter la mousse. Observer le

changement de couleur des thalles du fait de la dissolution des phycobiliprotines et de lapparition de la chlorophylle !

4. Hacher grossirement les thalles aux ciseaux, directement dans la casserole. 5. Faire bouillir nouveau 10 minutes avec agitation jusqu ce que le liquide ait beaucoup rduit

(il semble alors visqueux). 6. Prparer pour la suite un bcher contenant de lisopropanol, et le maintenir dans la glace. 7. Filtrer la passette les algues cuites, puis refroidir dans la glace le liquide obtenu. 8. Verser lentement 1 volume du liquide obtenu dans 2 volumes de lisopropanol refroidi, en

tournant une baguette de verre : les carraghnanes prcipitent autour ! Comparer le prcipit obtenu certains produits alimentaires (Danette, etc : E407) ou lagar des botes de Ptri.

8

Fig.8. Allure dune chromatographie sur papier des pigments des trois groupes dalgues pluricellulaires marines (voir protocole ci-dessus). Noter sur la chromatographie des algues brunes, la position des phlorotanins, et sur celle des algues rouges, la position des phycobiliprotines : ces composs hydrophiles ne migrent pas. (Slosse, APBG n4 2000, 785)

9

Fig.9. Formules de quelques pigments photosynthtiques des algues. Dans les cercles, figurent les symboles des groupes dalgues possdant les pigments : G = algues vertes ; B = Algues brunes ; R = Algues rouges.

XANTHOPHYLLES

10Cyanobactries

Fig.10. Quelques types de Cyanobactries. (Robert, Roland 7) Fig.11. Ultrastructure dune cyanobactrie. A, La cellule (10 m) est limite par une paroi de peptidoglycanes lextrieur de laquelle se trouve la gangue mucilagineuse. Dans la cellule, on distingue le chromoplasme, o se situent les thylakodes recouverts de phycobilisomes, et le centroplasme, o se trouvent le nuclode, les ribosomes et les carboxysomes. (Robert, Roland 8) B, Modle de lenveloppe cellulaire des Cyanobactries. Cest une enveloppe typique de procaryote Gram ngatif. Noter la connexion des thylacodes avec la membrane interne et les porines qui permabilisent la membrane externe. (Slosse, APBG n3 1996, 486)

A

B

11 A B Fig.12. Structure des phycobilisomes des Cyanobactries. (Slosse, APBG n3, 1996) A, Les phycobilisomes sont les antennes collectrices de photons des Cyanobactries. Ils sont constitus dassociations protiques ou phycobiliprotines associs 1 4 chromatophores, les phycobilines. B, Spectres dabsorption des phycobilines (phycorythrine, phycocyanine et allophycocyanine) et de la chlorophylle a (en haut), et sens de transfert de lnergie lumineuse entre les pigments de lantenne collectrice (en bas).

Phycorythrine (max = 565 nm)

Phycocyanine (max = 620-638 nm)

Allophycocyanine (max = 650 nm)

Chlorophylle a (max = 700 nm)

12

Fig.13. Le rle concentrateur de CO2 du carboxysome. Le carboxysome nest pas seulement le site o a lieu le cycle de Calvin, il a galement un rle concentrateur du CO2 au voisinage de la RubisCO. Le HCO3- pomp par le plasmalemme est retransform en CO2 dans le carboxysome grce lanhydrase carbonique. La concentration localement leve en CO2 limite lactivit oxydante de la RubisCO (photorespiration). (Slosse, APBG n3 1996)

Fig.14. Coopration entre cellules vgtatives et htrocystes dans la fixation du carbone et de lazote. Les htrocystes sont des cellules spcialises dans la fixation dazote grce la nitrognase. (Slosse, APBG n3 1996, 509)

13Algues rouges ou Rhodophytes

A B C D

Fig.15. Diversit de la morphologie des thalles dalgues rouges : thalle calcifi de Phymatholithon calcareum, une espce du marl (A) ; lame de Porphyra umbilicalis (B) ; filaments ramifis de Gracilaria gracilis (C), cladothalle dAntithamnion (Cf. Fig.3A) et thalle fucode de Chondrus crispus (D). (schma M.C. Noailles, station biologique de Roscoff) Amidon floriden Agarose (ou agar-agar) Fig.16. Formules de quelques composants chimiques des algues rouges. (Lee 9 et 23)

Fig.17. Cycle de lalgue rouge Antithamnion sarniense. Il sagit dun cycle haplodiplophasique trigntique dimorphe. La fcon-dation est une trichogamie. (Des Abbayes 138)

14Algues vertes

Fig.18. Position systmatique des diffrents groupes dalgues vertes. Pour chaque classe cite dalgues vertes, les genres les plus courants sont mentionns. Noter que les algues vertes forment un groupe paraphyltique et que les Archgoniates partagent un anctre commun avec les Charophyces.

Fig.19. Stigma de Chlamydomonas. Ce systme permet de percevoir la direction do vient la lumire dans une cellule petite et donc translucide de toutes parts. Linterposition dun cran, absorbant au moins les longueurs dondes perues par le photorcepteur, limine les radiations provenant du cot de lcran. Ici le rtinal, un driv du carotne, absorbe vers 500 nm. (Daprs Slosse)

Fig.20. Cycle de lUlve. Il sagit dun cycle haplodiplophasique di-gntique isomorphe. (Des Abbayes 135)

CHLOROBIONTES = CHLOROPHYTES sl

CHLORO- PHYTES ss

STREPTO- PHYCO- PHYTES

EMBRYOPHYTES = ARCHEGONIATES

ALGUES VERTES

STREPTO- PHYTES

CHAROPHYCEES (Chara)

ZYGNEMATOPHYCEES (Zygnema, Spirogyra)

ULVOPHYCEES (Ulva, Enteromorpha, Codium, Cladophora, Acetabularia, Caulerpa)

CHLOROPHYCEES (Chlamydomonas, Volvox)

TRENTEPOHLIO- PHYCEES (Trentepohlia)

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Fig.21. Cycle de Codium. Il sagit dun cycle diplophasique monogn-tique. (Lee 224)

Fig.22. Cycle des Zygnmatophyces (Zygnema, Spirogyra). Il sagit dun cycle haplophasique monogntique. (Roland 33)

Fig.23. Cycle dun Chara monoque. Il sagit dun cycle haplophasique monogntique. La fcondation est une oogamie. (Lee 204)

Cystes

Fcondation (Planogamie anisogame)

Gamtophyte diplode

CT de lextrmit dun axe fertile

Coronule

Oogone

Filament de spermatocystes

Spermatozodes

Fcondation

Rameaux

(Fcondation) Mose

16Origine des plastes primaires

A premire vue, les plastes primaires ( 2 membranes) rsultent dune endosymbiose primaire : une cellule eucaryote htrotrophe primitive aurait phagocyt une cellule procaryote de type cyanobactrie, les membranes externe et interne du plaste qui en rsulte correspondant respectivement la membrane de phagocytose de la cellule eucaryote et la membrane plasmique de la cyanobactrie internalise. ARGUMENTS EN FAVEUR DE LENDOSYMBIOSE PRIMAIRE 1) Arguments structuraux : (surtout apports par la microscopie lectronique) - Les plastes des Chlorobiontes, des Rhodophytes et des Glaucocystophytes (petit groupe dalgues

flagelles) sont entours de 2 membranes ; - Les plastes des Glaucocystophytes ont une paroi vestigiale de peptidoglycanes entre les 2 membranes ; - Les thylakodes des Rhodophytes et des Cyanobactries portent des phycobilisomes ; - Les pyrnodes des Rhodophytes et algues vertes ressemblent aux carboxysomes ; - Les plastes se divisent par bipartition comme les cellules procaryotes ; - LADN plastidial est de type procaryotique (circulaire et non li des histones), mais rgress. 2) Arguments biochimiques et gntiques : - La membrane interne est purement procaryotique (contenant des sulfo- et galacto-lipides) ; - La membrane externe des plastes est dorigine mixte : eucaryotique pour le feuillet cytoplasmique,

procaryotique pour le feuillet interne. La membrane externe lipopolysaccharidique de la cyanobactrie (Gram- !) aurait donc fusionn avec la membrane de phagocytose (cf. Fig.24) ;

- Les Rhodophytes et les Cyanobactries prsentent les mmes pigments photosynthtiques. De plus, la chlorophylle a est prsente chez tous les plastes et Cyanobactries, mais pas chez les autres bactries.

- Les plastes et les Cyanobactries prsentent les mmes ribosomes (70S), ADN polymrases, promoteurs, chanes de transfert des lectrons ainsi que deux photosystmes (alors que les autres bactries photosynthtiques nen possde quun).

3) Des cas actuels de symbiose endocellulaire : Beaucoup de cyanobactries actuelles forment des symbioses endocellulaires avec divers groupes vgtaux (Anabaena dans les frondes dAzolla, Nostoc dans les racines de Cycas ). Il en va de mme pour les bactries du genre Rhizobium infectant les racines des Lgumineuses et formant des bactrodes. ORIGINE UNIQUE DES PLASTES PRIMAIRES - LADN de tous les plastes 2 membranes est proche de lADN des Cyanobactries (Cf. Fig.26). - Etant donn que tous les organismes prsentant des plastes deux membranes appartiennent une

mme ligne eucaryotique, la Ligne verte, il est donc plus parcimonieux de penser quun unique vnement endosymbiotique ait t lorigine de tous les plastes deux membranes (Cf. Fig.1).

- Cependant, les plastes des Chlorobiontes nont pas de phycobiliprotines et possdent la chlorophylle a et b, caractristiques qui rappellent les Prochlorophytes, un groupe de cyanobactries symbiotiques. Cest pourquoi, ce groupe avait t propos comme anctre de tous les plastes des vgtaux verts. Toutefois, aucun Prochlorophyte nest proche phylogntiquement des plastes des vgtaux verts. De plus, ce groupe est polyphyltique, suggrant que lacquisition de la chlorophylle b et la perte des phycobilisomes se sont produites plusieurs fois au cours de lvolution. Ces observations suggrent que les Chlorobiontes ont perdu leurs phycobilisomes au profit dantennes chlorophylles a et b.

UNE HISTOIRE POSSIBLE DE LA LIGNEE VERTE (Cf. Fig.25)

1) Un eucaryote primitif flagell internalise une cyanobactries libre en vue de les digrer. 2) Lassociation est avantageuse pour leucaryote qui y trouve une source dazote permanente et pour la

cyanobactrie qui y trouve un milieu stable. 3) La co-volution saccompagne dune rgression (Glaucocystophytes) ou dune perte de la paroi de

la cyanobactrie, dune rgression de son gnome et dune modification du carboxysome (se transformant en pyrnode). Lassociation devient obligatoire.

4) La perte des flagelles conduit aux Rhodophytes alors que la perte des phycobilisomes et lacquisition de la chlorophylle b sont lorigine des Chlorobiontes.

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Fig.24. Composition des feuillets membranaires des plastes des Glaucocystophytes. (De Reviers 60)

Fig.25. Origine des plastes deux membranes des Glaucocystophytes, des Rhodophytes (Algues rouges) et des Chlorobiontes (algues vertes et Embryophytes), par endosymbiose primaire. Noter que, dans ce modle, un seul vnement endosymbiotique suffit pour expliquer lapparition des diffrents groupes de la Ligne Verte (Cf. Fig.1). (Lee 50, modifi)

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Fig.26. Arbre phylogntique des plastes bass sur les squences de lADN ribosomique 16 S (gne situ dans le stroma des plastes). (Slosse, la symbiose 119)

19Algues brunes ou Phophytes

Fig.27. La flagellation des Htrocontes. Le flagelle antrieur est couvert de poils glycoprotiques tubulaires tripartites (mastigonmes) tandis que le flagelle postrieur est lisse. Un petit fouet prolonge les 2 flagelles. (Van Den Hoek, 172) A B C Fig.28. Morphologie et anatomie des Laminaires. (Lee 506) A, Organisation de Laminaria saccharina. B, Section de stipe de Laminaire montrant la varit des types cellulaires. De la surface vers le centre : le mristoderme (mr) assurant la photosynthse, le cortex (cx) et la zone mdullaire (me) avec des hyphes. C, Dtail de la transition entre les cellules corticales et les hyphes conductrices (hy) dont certaines prsentent des connexions renfles en trompette : ce sont les cellules trompette (th).

Alginates Monomre phnolique (fucol de Fucus)

Polymre phnolique Laminarines (ttrafucol) Fig.29. Formules de quelques composants chimiques dalgues brunes. Les alginates sont des composs paritaux de la matrice. Les laminarines sont des rserves contenues dans des vsicules entourant souvent le plaste. Les phlorotannins sont drivs de monomres phnoliques (fucol de Fucus) qui peuvent se polymriser (ttrafucol). (Lee 9, 23 et Slosse APBG n4 2000, 789)

sens du dplacement

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Fig.30. Cycle de Fucus vesiculosus. Il sagit dun cycle diplophasique monogntique. La fcondation (F) est une oogamie. M = mose. (Gayral 39)

Fig.31. Cycle de dveloppement de Dictyota dichotoma. Il sagit dun cycle haplodiplophasique digntique isomorphe. Spmc = spermatocystes. (Lee 530)

Gamtophyte

Gamtophyte

Gamte

Gamte

Gamte

Paraphyse

Paraphyse

Spermatocyste Spermatocyste

Oocyste

Oocyste

Endochite

Msochite

Exochite

Gamte

Gamte

Fcondation (Oogamie)

Mose

Spmc

Oocystes

Ttrasporophyte

Gamtophyte dioque

21Origine des plastes secondaires

A premire vue, les plastes secondaires ( 4 membranes) rsultent dune endosymbiose secondaire au cours de laquelle une cellule eucaryote htrotrophe A aurait phagocyt une cellule eucaryote photosynthtique B contenant un plaste deux membranes (Cf. Fig 32A). Ces plastes prsentent alors de lextrieur vers lintrieur : (1) la membrane de phagocytose de A, (2) la membrane plasmique de leucaryote B et (3) les deux membranes du plaste de leucaryote B. Ils seraient donc issus de deux vnements endosymbiotiques successifs, en poupe russe ! ARGUMENTS EN FAVEUR DE LENDOSYMBIOSE SECONDAIRE 1) Arguments structuraux : (surtout apports par la microscopie lectronique) - Les plastes des Htroconthophytes, des Cryptophytes (algues planctoniques), des Haptophytes

(= Coccolithophorids) et des Chlorarachniophytes (algues flagelles des mers tropicales, contenant un plaste vert chlorophylles a + b) sont entours de 4 membranes. Toutefois, les plastes secondaires des Euglnophytes et de certaines Dinophytes ne possdent que 3 membranes : une membrane plastidiale aurait donc t perdue.

- Les plastes de certains groupes dalgues (Cryptophytes, Cf. Fig.32B) possdent un noyau vestigial (nuclomorphe) dans lespace priplastidial situ entre la 2e et 3e membrane plastidiale !

- Lespace priplastidial constitue un cytoplasme vestigial puisque lon observe des ribosomes et des vsicules probablement impliques dans les changes plaste-cytosol (Cf. Micrographie 20).

2) Les cas actuels de symbioses endocellulaires : De nombreuses algues forment des endosymbioses trs nettes dans des animaux diblastiques et protozoaires, ce qui pourrait constituer des tapes de transition vers des plastes secondaires (Cf. Fig.1) : - les Chlorelles (algues unicellulaires vertes symbiotiques comprenant notamment les genres Chlorella,

Chlamydomonas) se retrouvent dans les cellules de certains Cnidaires (Hydre deau douce) ou de certains Cilis (Paramecium bursaria)

- les Xanthelles (Dinophytes symbiotiques) sont prsentes dans les cellules endodermiques de certains Cnidaires (Coraux, Anmones de mers), Foraminifres ou Radiolaires.

ORIGINE MULTIPLE DES PLASTES SECONDAIRES - LADN plastidial des Htrocontophytes est phylogntiquement proche de lADN des rhodoplastes

(Cf. Fig.26), suggrant que lendosymbionte lorigine des Htrocontophytes est une algue rouge ! De mme, lADNr du nuclomorphe des Cryptophytes prsente de fortes analogies de squence avec lADNr du noyau des algues rouges ! Et la plupart des Dinophytes possdent des plastes secondaires drivant dune algue rouge endosymbiotique.

- Etant donn la position systmatique proche des Htrocontes, des Cryptophytes, des Haptophytes et des Dinophytes (Cf. Fig.1), il est possible quune seule endosymbiose secondaire ait t lorigine de tous les plastes secondaires des Chromalvols ! Dans cette hypothse, il faut cependant admettre quune perte secondaire des plastes soit survenue chez lanctre des Cilis (la perte secondaire des plastes a t dmontre chez lanctre des Oomyctes).

- Les plastes secondaires des Euglnophytes et des Chlorarachniophytes drivent dalgues vertes. UNE HISTOIRE POSSIBLE DES HETEROCONTOPHYTES (Cf. Fig.33) 1) Un eucaryote primitif flagell internalise une algue rouge en vue de la digrer. 2) Lassociation est avantageuse pour leucaryote qui dtourne les photosynthtats de lalgue, et pour

lalgue rouge qui y trouve un milieu stable. 3) La co-volution saccompagne dune fusion de la membrane nuclaire externe avec la membrane

externe du plaste (conduisant la formation du complexe nuclo-plastidial), la dgnrescence des mitochondries de lalgue et la perte de son noyau (ce dernier ne subsiste qu ltat de nuclomorphe chez les Cryptophytes).

Les endosymbioses primaires, secondaires et mme tertiaires chez certaines Dinophytes ont permis lacquisition de fonctions nouvelles et lmergence de nouvelles lignes dalgues phylogntique-ment loignes les unes des autres (cf. Fig.34).

22A B

Fig.32. Origine des plastes 4 membranes issus dendosymbiose secondaire. (Slosse, symbiose 121) A, Embotement des symbiontes dans une emdosymbiose secondaire, dans le cas de plastes 4 membranes sans nuclomorphe (Htroconthophytes et Haptophytes). B, Plaste 4 membrane dote dun nuclomorphe chez une Cryptophyte.

Fig.33. Origine des plastes secondaires des Htrocontophytes = Htrocontes photosyn-thtiques (Phophytes, Diatomophytes et Xanthophytes) et des Cryptophytes. Noter quune seule endosymbiose secondaire est lorigine des plastes de lensemble des Htrocontophytes. Les plastes des Cryptophytes, de position incertaine dans la phylognie des Eucaryotes (Cf. Fig.1), pourraient tre issus de la mme endosymbiose ou dune endosymbiose secondaire indpendante. (Lee 54, modifi)

Noyau Chloroplaste

Amidon

Mitochondrie

Eucaryote primitif

Algue rouge

Phagocytose

Algue rouge endosymbiotique

Membrane de squestration

Fusion

Rticulum endoplasmique

Htrocontophytes Haptophytes (?)

Perte du nuclomorphe

Dgnrescence de la mitochondrie

Nuclomorphe

Complexe nuclo-plastidial

Cryptophytes

Maintien du nuclomorphe ?

Perte des phycobilisomes Acquisition de la chlorophylle c

23

A

Fig.34. Rle des endosymbioses plastidiales primaires (A), secondaires (B) et tertiaires (C) dans lmergence de nouvelles lignes eucaryotes. Sur ce schma, lauteur met lhypothse quune endosymbiose secondaire dune algue rouge a t lorigine de lensemble des plastes des Chromalvols (Htrocontes, Cryptophytes, Haptophytes et Alvolobiontes, Cf. Fig.1). Dans le groupe des Dinoflagells, des endosymbioses tertiaires ont conduit des plastes dorigine multiple. (Keeling 2004, Am Journ Bot 91 (10) p.1481)

A B C

24Liste des photographies jointes

MO = microscopie optique

MET = microscopie lectronique transmission

MEB = microscopie lectronique balayage

CYANOBACTERIES 1. Cyanobactrie unicellulaire (Gloeothece) se reproduisant par fission et dont les cellules restent associes dans la paroi externe mucilagineuse de la cellule-mre. (MEB, Barre : 5 m, APBG n3 1996)

2. Allure gnrale dune cellule de Pseudanabaena : la cellule comporte un espace priplasmique (p), encadr par les membranes externe et interne, qui comprend la couche peptidoglycane (pg, trs dvelopp entre les deux cellules mais peu visible sinon). On observe aussi des thylakodes (t) qui portent des phycobilisomes (points noirs) spars par des grains de glycogne (taches claires), et des inclusions comme les carboxysomes (ca) et les vacuoles gaz (v). (MET, barre : 0,5 m, APBG n3 1996)

3. Coupe de Nostoc avec des vacuoles gaz (v), des granules de cyanophycine (cy) et des carboxysomes (c). De forme cylindrique, les vacuoles gaz apparaissent en coupe longitudinale ou transversale. (MET, barre : 0,5 m, APBG n3 1996)

4. Coupe dhtrocyste de Nostoc. (MET, diamtre cellulaire : environ 10 m, APBG n3 1996) A, faible grossissement, noter la diffrence entre les cytoplasmes et les parois des cellules vgtatives et des htrocystes (m = paroi externe mucilagineuse). B, fort grossissement, noter la paroi paisse plusieurs couches des htrocystes, les ponctuations, les petits granules noirs de polyphosphate (rserves phosphores) et les granules gris de cyanophycine (rserves azotes, petite flche).

5. Phycobilisomes spars des membranes des thylakodes dans un tampon phosphate 0,75 M puis purifis sur gradient de saccharose. (MET, barre : 0,1 m, APBG n3 1996)

6. Diffrenciations cellulaires sur des filaments de Cylindrospermum : akintes (a) et htrocystes (h). (MO, barre : 50 m, APBG n3 1996)

7. Hormogonies (ho) de Nostoc et filaments vgtatifs torsads sur eux-mmes, en mlange. (MO, barre : 50 m, APBG n3 1996)

ALGUES ROUGES OU RHODOPHYTES 8. Vue mdiane de Porphyridium rubrum. Avec un large plaste toil central (C), bord damidon floriden cytoplasmique. Observer le noyau excentr (N), le pyrnode (P), lappareil de Golgi et les inclusions lipidiques. (MET, x 13 110, Bold 452, micrographie quivalente dans Roland 11)

9. Synapse de Nemalion faisant communiquer entre elles deux cellules adjacentes. Les synapses sont des perforations de la paroi, analogues des plasmodesmes des vgtaux suprieurs. Observer le matriel granuleux prs de la paroi (pc), le bouchon synaptique (b), le plasmalemme (pl) et le rticulum endoplasmique (c). (MET, x 42 800, Des Abbayes 101)

10. Anaphase de division nuclaire chez Porphyridium rubrum. Noter les rgions polaires proches de la membrane plasmique et le fuseau mitotique (flche). La membrane nuclaire persiste tout au long de la division : la mitose est ferme. (MET, clich non publi)

11. Rameau carpogonial dune Rhodophyte. Le carpogone met un long filament, le trichogyne (tr) ayant collect des spermaties (s). (MO, Robert, Dumas 274)

12. Carposporophyte mr de Gloiosiphonia verticillaris se dveloppant en parasite dans les tissus du gamtophyte (ga). Des carpospores (c) sont produits lextrmit des filaments gonimoblastiques (Go) dont les cellules striles sont fortement vacuolises. Fc = masse de cellules fusionnes. (MET, x 17 200, Robert, Dumas 62)

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ALGUES VERTES 13. Section transversale dune algue deau douce : Chlamydomonas. Noter la vacuole pulsatile au-dessus du noyau qui se vide priodiquement et assure ainsi losmorgulation de la cellule, les microtubules des flagelles locomoteurs et lamidon stock lintrieur de lunique chloroplaste et formant une coque autour du pyrnode. (MET, x 22 500, Roland 13)

14. Stigma de Pandorina morum (Chlorophyces / Volvocales). Noter les granules lipidiques de carotne (Gr) dans le chloroplaste et les deux membranes plastidiales. (MET, x 14 400, Gorenflot 51)

15. Organes reproducteurs de Chara. Le globule (organe mle) est surmont de lorgane femelle (nucule). Le nucule est constitu dun oogone (en noir) et dune coronule sommitale constitue de cinq petites cellules. (MO, x 50, Gorenflot 208)

16. Organes reproducteurs de Chara vus en coupe. Loogone est entoure de cinq filaments corticants spirals, constitus chacun dune cellule coiffe dune autre petite cellule qui forme la coronule. Le globule est constitu de cellules organises en cussons qui sengrnent entre eux, et de filaments de 100 200 spermatocystes fournissant chacun un spermatozode. (MO, x 125, Bracegirdle Vol 2, 11)

ALGUES BRUNES OU PHEOPHYTES 17. Zode htrocont de Ralfsia verrucosa. Ce zode porte deux flagelles, lun antrieur, portant des mastigonmes, lautre postrieur, plus court, nu et termin par un fouet. (MO, x 1500, Loiseaux 55) 18. Section de spore Pylaiella littoralis montrant un plaste pyrnode (py) sortant du plaste et couvert de vacuoles transparentes (v) stockant les laminarines. Des mitochondries crtes tubulaires (m), des physodes (t) sont visibles. (MET, x 16 650, Bold 269)

19. Coupe longitudinale de lapex dune lame de Dictyota dichotoma. Les deux apicales (A) proviennent de la bipartition rcente dune apicale unique. Chacune sera lorigine dune nouvelle lame : la ramification est dichotomique. d = cellules drives se recloisonnant. (MO, x 300, Robert, Catesson 106)

20. Complexe nuclo-plastidial. A, coupe de Pleurochrysis pseudoroscoffensis, montrant deux plastes contenant des pyrnodes (py) et des thylacodes. La membrane externe des plastes est en continuit avec la membrane externe du noyau (n), si bien que le compartiment dlimit par les 2 membranes externes du plaste constitue la lumire du rticulum endoplasmique (rec). (MET, x 16 650, Photo C. Billard) B, dtail du complexe nuclo-plastidial dElachista fuciola montrant le plaste 4 membranes (p) troitement associ au noyau (N). Noter aussi que la troisime membrane est spare des 2 membranes plus internes par lespace priplastidial, contenant parfois des vsicules en bourgeonnement. (MET, x 128 000, Loiseaux 29). 21. Organes reproducteurs de Dictyota dichotoma. Les cystes sont groups en structures appeles sores. (MO, x 250, Bracegirdle Vol 2, 16) A, Spermatocystes contenant les anthrozodes en cours de dveloppement. B, Oocystes contenant les oosphres en cours de dveloppement.

CRYPTOPHYTES 22. Nuclomorphe (NM) dune Cryptophyte. Le nuclomorphe se situe entre la 2e et 3e membrane du plaste (C). CER = les 2 membranes les plus externes du plaste. N = noyau de la cellule hte. (MET, x 40 000)