Besoins de la graine : germination, témoin et utilisation des réserves

Les séries de résultats de ces exercices sont construites pour l'activité et ne proviennent pas d'une étude réelle.

La graine : un organisme en attente

Une graine est produite par une plante à fleurs après la reproduction. Elle contient un embryon, c'est-à-dire une très jeune plante déjà formée, entouré de réserves et protégé par un tégument. Chez le haricot, les réserves sont stockées dans deux cotylédons épais. Une graine sèche vit au ralenti : elle peut attendre longtemps avant de se développer.

Les conditions de la germination

La germination est la reprise du développement de l'embryon : la graine gonfle, le tégument se fend, puis une radicule (future racine) sort, suivie d'une tigelle (future tige). La très jeune plante obtenue s'appelle une plantule. Pour germer, une graine vivante a besoin de plusieurs conditions :

• de l'eau : la graine l'absorbe, se réhydrate et gonfle. Sans eau, le développement ne démarre pas ;
• de l'air, plus précisément du dioxygène : une graine totalement noyée en manque et germe mal ;
• une température convenable : trop basse, le développement est très ralenti ; trop élevée, la graine peut être abîmée. L'intervalle favorable dépend de l'espèce.

La lumière n'est pas nécessaire à la germination de la plupart des graines cultivées, comme le haricot, même si quelques espèces y sont sensibles. La terre n'est pas indispensable non plus : du coton humide suffit.

Que se passe-t-il dans la graine ?

Pendant la germination, la plantule n'a pas encore de feuilles vertes fonctionnelles. Elle utilise les réserves des cotylédons, qui diminuent. Une partie de cette matière organique est transformée pour construire la radicule et la tigelle : la plantule croît. Une autre partie est utilisée pour fournir l'énergie nécessaire au fonctionnement des cellules, grâce au dioxygène, avec rejet de dioxyde de carbone. La masse sèche totale de la plantule peut donc diminuer alors que ses organes grandissent.

Il faut distinguer matière et énergie. La lumière apporte de l'énergie, pas de la matière. Plus tard, avec des feuilles vertes éclairées, la plante pourra fabriquer sa matière organique à partir de matière minérale (eau, sels minéraux, dioxyde de carbone) : c'est la photosynthèse. Une plantule qui vit uniquement sur ses réserves ne produit pas de matière organique par photosynthèse.

Raisonner avec un témoin

Pour savoir quel facteur est nécessaire, on réalise une expérience comparative. Le lot témoin est placé dans les conditions de référence jugées favorables. Chaque autre lot ne diffère du témoin que par un seul facteur, par exemple l'eau. Tout le reste est identique : espèce, nombre de graines, durée, température. On utilise plusieurs graines par lot, car chaque graine est un individu légèrement différent. On compare ensuite des résultats chiffrés, comme le pourcentage de germination : nombre de graines germées divisé par nombre de graines semées, multiplié par 100.

Exemple analysé

On place 20 graines de haricot sur du coton humide à 20 °C et 20 autres sur du coton sec, dans les mêmes conditions. Après sept jours, 19 graines ont germé dans le premier lot et aucune dans le second. Le seul facteur qui varie est l'eau. Le pourcentage de germination est de 19 ÷ 20 × 100 = 95 % pour le lot humide, contre 0 % pour le lot sec. On conclut que, pour le haricot et dans ces conditions, l'eau est nécessaire à la germination. On ne conclut pas que l'eau suffit seule : le lot humide disposait aussi d'air et d'une température favorable.

Un piège à éviter

« Une plantule qui pousse dans le noir fabrique sa matière avec la lumière, comme une plante verte. » C'est faux. Dans le noir, la plantule grandit parce qu'elle consomme ses réserves. Elle est souvent pâle et allongée. Si elle reste à l'obscurité, ses réserves s'épuisent et elle finit par mourir. Grandir en longueur ne signifie pas produire de la matière à partir de matière minérale.

À retenir

• Une graine germe si elle dispose d'eau, de dioxygène et d'une température adaptée.
• La lumière n'est pas nécessaire à la germination du haricot.
• La plantule se développe d'abord grâce aux réserves de la graine.
• Un témoin et un seul facteur qui varie permettent de conclure correctement.

Les séries de résultats de ces exercices sont construites pour l'activité et ne proviennent pas d'une étude réelle.

Situation-problème

Une classe de sixième veut comprendre comment un haricot passe de la graine sèche à la plantule. Les élèves se demandent de quoi une graine a besoin pour germer, puis d'où vient la matière qui permet à la plantule de grandir dans l'obscurité, avant l'apparition de feuilles vertes. Ils réalisent d'abord une expérience comparative sur cinq lots de graines, puis suivent la masse sèche de plantules cultivées dans une boîte opaque. Vous devez exploiter les deux documents suivants pour répondre à la question : de quoi dépend la germination d'un haricot, et comment la plantule s'alimente-t-elle au début de sa croissance ?

Document 1 : Germination de graines de haricot dans cinq conditions

Données pédagogiques simplifiées. Les graines viennent du même sachet. Chaque lot compte 20 graines, placées dans une boîte transparente ou opaque (mais aérée, sauf pour le lot E). Le nombre de graines germées est relevé après 7 jours.

Compte rendu d'observation : en A et B, les radicules mesurent de 3 à 6 cm. Les tigelles de A sont vertes ; celles de B sont blanc jaunâtre et plus longues. En C, les graines sont dures et inchangées. En D, les graines sont gonflées et une seule porte une radicule de 2 mm. En E, les graines sont gonflées, l'eau est légèrement trouble et trois radicules très courtes sont visibles.

Document 2 : Masse sèche de plantules de haricot cultivées à l'obscurité

Données pédagogiques simplifiées. Cinquante graines germent sur du coton humide à 20 °C, dans une boîte opaque aérée. Tous les 3 jours, 10 plantules sont prélevées au hasard. On sépare les cotylédons du reste (racine et tige), puis chaque partie est séchée jusqu'à masse stable et pesée. La masse sèche est la masse une fois l'eau éliminée. Les valeurs sont des moyennes par plantule.

Exercice 1 : Les conditions de la germination

1. Calcule le pourcentage de germination de chacun des lots A à E.
2. Indique le lot témoin et le facteur qui varie entre A et B. Que peux-tu conclure sur le rôle de la lumière dans la germination du haricot ?
3. Quelles comparaisons permettent de conclure sur le rôle de l'eau, puis sur celui de la température ? Explique pourquoi comparer A et D ne permettrait pas de conclure sur la température.
4. Le lot E contient beaucoup d'eau mais germe peu. Propose une hypothèse cohérente avec les besoins d'une graine et précise ce que les données ne permettent pas d'affirmer.

Exercice 2 : Que deviennent les réserves ?

1. Calcule la masse sèche totale d'une plantule (cotylédons plus racine et tige) à chaque date.
2. Calcule la perte de masse sèche des cotylédons entre le jour 0 et le jour 12, en mg puis en pourcentage de la masse initiale (arrondi à l'unité).
3. Calcule le gain de masse sèche de la racine et de la tige entre les jours 0 et 12. Quelle part de la perte des cotylédons retrouve-t-on dans ces organes (en %, arrondi à l'unité) ? Que devient le reste ?
4. Entre quelles dates les cotylédons perdent-ils de la masse le plus vite ? Donne cette vitesse en mg par jour.

Exercice 3 : Argumenter et concevoir un protocole

1. Léa affirme : « Dans le noir, la plantule fabrique sa matière à partir de l'air et de l'eau, comme une plante verte. » Confronte cette affirmation aux documents 1 et 2.
2. Propose un protocole réalisable en classe pour tester si les cotylédons sont nécessaires au développement de la plantule. Précise le témoin, le facteur qui varie, ce qui reste identique et ce que tu mesures. Un cotylédon peut être détaché à la main sur une graine gonflée après 24 heures dans l'eau.
3. Prévois ce qui arrivera à la plantule du document 2 si elle reste dans le noir après le jour 12. Que changerait la présence de feuilles vertes éclairées ? Justifie en distinguant matière et énergie.
4. Ces résultats permettent-ils de conclure pour toutes les graines ? Justifie.

Correction complète

Exercice 1 : correction

1. Pourcentage = graines germées ÷ 20 × 100. Lot A : 19 ÷ 20 × 100 = 95 %. Lot B : 18 ÷ 20 × 100 = 90 %. Lot C : 0 %. Lot D : 1 ÷ 20 × 100 = 5 %. Lot E : 3 ÷ 20 × 100 = 15 %.
2. Le lot A est le témoin : conditions favorables (eau, air, 20 °C, lumière). Entre A et B, seul l'éclairage varie. Les résultats sont proches (95 % et 90 %, soit une graine d'écart) : la lumière n'est pas nécessaire à la germination du haricot. Elle modifie l'aspect des tigelles (vertes en A, pâles en B), pas la germination. Cette conclusion vaut pour le haricot dans ces conditions.
3. Pour l'eau, on compare A et C : seul le support (humide ou sec) change, et on passe de 95 % à 0 %. L'eau est donc nécessaire. Pour la température, on compare B et D : tous deux sont dans l'obscurité, seule la température change (20 °C ou 4 °C), et on passe de 90 % à 5 %. Une température très basse empêche presque la germination. Comparer A et D ne convient pas car deux facteurs varient en même temps, la lumière et la température : on ne pourrait pas attribuer la différence à l'un des deux.
4. Hypothèse : dans l'eau et en boîte fermée, les graines manquent de dioxygène, ce qui limiterait la germination. Les données ne le prouvent pas : le dioxygène n'a pas été mesuré, et d'autres facteurs liés à l'immersion (eau trouble) pourraient jouer. Il faudrait un lot supplémentaire immergé mais avec de l'air renouvelé.

Exercice 2 : correction

1. Masse totale = cotylédons + racine et tige. Jour 0 : 300 + 10 = 310 mg. Jour 3 : 240 + 25 = 265 mg. Jour 6 : 150 + 60 = 210 mg. Jour 9 : 80 + 95 = 175 mg. Jour 12 : 40 + 115 = 155 mg.
2. Perte des cotylédons : 300 − 40 = 260 mg. En pourcentage : 260 ÷ 300 × 100 ≈ 87 %. Les cotylédons ont donc perdu presque toutes leurs réserves.
3. Gain de la racine et de la tige : 115 − 10 = 105 mg. Part de la perte retrouvée : 105 ÷ 260 × 100 ≈ 40 %. Le reste (155 mg, environ 60 %) n'est pas retrouvé dans les organes de la plantule. Cette matière organique a été mobilisée par la respiration, qui fournit de l'énergie aux cellules et produit notamment du dioxyde de carbone et de l'eau. Les données ne mesurent pas le détail de ce bilan, donc on ne peut pas dire que ces 155 mg correspondent à une masse de dioxyde de carbone rejeté. La masse sèche totale baisse de 310 à 155 mg, soit 50 %.
4. Pertes par période : jours 0 à 3 : 60 mg en 3 jours, soit 20 mg par jour. Jours 3 à 6 : 90 mg, soit 30 mg par jour. Jours 6 à 9 : 70 mg, soit environ 23 mg par jour. Jours 9 à 12 : 40 mg, soit environ 13 mg par jour. La perte est la plus rapide entre les jours 3 et 6, à 30 mg par jour.

Exercice 3 : correction

1. Le document 1 montre que 90 % des graines germent dans le noir (lot B), et le document 2 que les cotylédons perdent 260 mg de masse sèche en 12 jours alors que la racine et la tige gagnent 105 mg. On sait par ailleurs qu'une plantule sans feuilles vertes, à l'obscurité, ne réalise pas la photosynthèse, car la lumière apporte l'énergie nécessaire à cette fabrication de matière. Sa croissance s'explique donc par les réserves des cotylédons, transférées vers la racine et la tige ou consommées par la respiration. La baisse de masse totale (310 à 155 mg) ne prouve pas à elle seule l'absence de toute production de matière, car un bilan net peut baisser si la production est inférieure à la consommation. C'est la connaissance du rôle de la lumière, associée à l'utilisation des réserves, qui permet de réfuter l'affirmation de Léa pour une plantule sans feuilles vertes.
2. Protocole possible : deux lots de 15 graines de haricot gonflées 24 heures. Lot témoin : graines intactes, manipulées de la même façon sans retirer de cotylédon. Lot test : un cotylédon détaché à la main. Le seul facteur qui varie est la quantité de réserves. Restent identiques : même sachet, coton humide, 20 °C, boîte opaque aérée, durée de 7 jours. On mesure la longueur des plantules (en mm) ou on compte les graines germées, puis on compare les moyennes. Résultat attendu : croissance plus faible avec moins de réserves. Limite : le geste peut abîmer l'embryon, d'où l'intérêt du témoin manipulé.
3. Après le jour 12, il ne reste que 40 mg de réserves : la croissance ralentirait puis s'arrêterait, et la plantule mourrait si elle restait dans le noir. Avec des feuilles vertes éclairées, la lumière fournirait l'énergie permettant de fabriquer de la matière organique à partir de matière minérale (eau, sels minéraux, dioxyde de carbone) : c'est la photosynthèse. La matière vient de la matière minérale, la lumière apporte l'énergie.
4. Non. Les données portent sur une seule espèce, des lots de 20 graines et une seule série de mesures, ici simplifiée. D'autres espèces ont d'autres besoins (certaines sont sensibles à la lumière ou à la température). Il faudrait répéter l'expérience et tester d'autres espèces.

Critères de réussite : calculs corrects avec unités ; lot témoin et facteur qui varie bien identifiés ; conclusions limitées aux conditions testées ; distinction nette entre matière et énergie ; protocole avec un seul facteur qui varie.