TP génétique n°5

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TP n°5: de la diversification des êtres vivants à l’évolution de la biodiversité
Au niveau de la biodiversité, trois échelles sont présentes : la diversité des écosystèmes, la diversité des espèces
et la diversité génétique au sein des populations (même espèce). La biodiversité se modifie au cours du temps
(document 1). Ainsi, la biodiversité observée à un instant t est à la fois le résultat et une étape du processus de
l’évolution.
Problème posé : Quels mécanismes évolutifs sont à l’origine d’une diversification des êtres vivants et donc
une modification de la biodiversité?
Compétences :

Extraire des informations pour comprendre des exemples concrets
de l’histoire évolutive de certaines populations.

Modéliser les conséquences de la sélection naturelle
et de la dérive génétique.

Comprendre qu’un effet peut avoir plusieurs causes en étudiant les mécanismes de l’évolution et les
mécanismes de spéciation.

Manifester de l’intérêt pour les grands enjeux de la société comme la recherche pour vaincre le paludisme.

Analyser des informations relatives à la définition des limites d’une espèce vivante.

Analyser des exemples de spéciation à partir de documents.

Comprendre la nature provisoire, en devenir du savoir scientifique en étudiant la notion d’espèce et see
limites.

Savoir définir l’évolution, les mécanismes évolutifs, la diversité du vivant, la notion d’espèce et la
spéciation.
Ressources :
Documents, livre SVT.
Logiciels :
Anagène,
P.Consentino.
Matériel :
Matériel informatique.
évolution
allélique
de
Activité 1 : La résistance des moustiques aux insecticides.
On constate que les moustiques deviennent résistants à des traitements d’insecticides qui les éliminaient
auparavant. Or, ces insectes hématophages sont les premiers vecteurs de maladies humaines au monde (un vecteur
assure la transmission biologique active d’un agent pathogène d’un vertébré à un autre). Ceci constitue un réel
enjeu sanitaire car nombreuses espèces de moustiques tropicaux peuvent transmettre des maladies à l’homme
comme le Chikungunya, la dengue ou le paludisme ;
Depuis 1968, la population de moustiques Culex pipiens L. est contrôlée dans le Languedoc Roussillon par l’épandage
d’insecticides sur les étendues d’eau qui sont les réservoirs des larves. La période de reproduction (et d’épandage)
se situe entre avril et octobre. Les femelles ont 3 ou 4 générations par mois et passent ensuite l’hiver dans des
lieux privilégiés comme les caves. Cette utilisation d’insecticides s’est faite à partir de 1968, dans un rayon de 20
km autour de la côte, avec une très grande efficacité au début. Depuis 1991, en raison de la toxicité des produits
utilisés, des traitements de lutte biologique sont venus compléter l’arsenal utilisé contre les moustiques.
Les insecticides utilisés sont essentiellement des organophosphorés comme le chlopyrifos.
A partir de l’exploitation des documents et de leur mise en relation avec vos connaissances, proposez une
explication pour expliquer les origines possibles de cette résistance.
1
Activité 2 : L’avantage des drépanocytaires en milieu paludéen.
La drépanocytose est une maladie génétique qui a pour origine une anomalie de la chaîne béta de l’hémoglobine.
Le paludisme (malaria) est une maladie du sang causée par un parasite unicellulaire du genre Plasmodium. Le
parasite, transmis suite à une piqûre par un moustique Anopheles infecté, pénètre dans les globules rouges et les
détruit. Cela se traduit par des fièvres chroniques dont la fréquence caractéristique est en fonction de l’espèce
de plasmodium. Cette maladie aurait provoqué 584 000 décès en 2013 selon l’OMS (Organisation Mondiale de la
Santé) pour la plupart parmi les enfants africains.
1.
En prenant en compte les conséquences cliniques de la drépanocytose, proposer une explication au fait que
la fréquence de l’allèle HbS soit normalement très faible dans les populations comparativement à l’allèle
HbA.
2. Comparer les cartes de répartition de l’allèle HbS et du paludisme.
3. Proposer une explication du maintien de l’allèle HbS dans certaines populations alors qu’il entraîne une
maladie mortelle.
Activité 3 : L’évolution de populations d’éléphants sans défense.
Dans les populations sauvages d’éléphants, les individus dépourvus de défenses sont rares. Pourtant, dans
certaines populations, la fréquence d’éléphants sans défenses est particulièrement élevée.
1.
Suivre les pistes d’exploitation de votre livre p 67 pour comprendre comment la sélection naturelle et la
dérive génétique permettent-elles d’expliquer les fréquences des individus femelles sans défenses dans
les différentes populations décrites.
2. Utiliser le logiciel évolution allélique pour modéliser la dérive génétique et la sélection naturelle.
a.
La première stimulation est placée dans le cadre théorique d’un environnement stable au cours des
générations : l’allèle considéré ne procure aucun avantage sélectif.
b. Choisir un réglage particulier (choix de l’effectif de la population, choix du nombre de générations
étudiées). On peut ainsi illustrer l’aspect aléatoire de la variation de la fréquence allélique au fil des
générations.
c.
Faire varier l’effectif de la population initiale (possibilité de 10 à 1000) et en superposant les différents
tracés, on peut comprendre l’influence de ce facteur sur l’impact de la dérive génétique.
Attention cadre théorique : ne pas oublier que dans le même temps, de nouvelles mutations sont sources de
biodiversité génétique.
d. La deuxième stimulation est la sélection naturelle : l’allèle considéré procure un avantage sélectif.
Activité 4 : la notion d’espèce et la spéciation.
Suivre les pistes d’exploitation de votre livre p69 pour comprendre comment on définit une espèce vivante et
quels critères peut-on utiliser pour déterminer si des populations appartiennent ou non à une même espèce.
Suivre les pistes d’exploitation de votre livre p71 pour identifier quels sont les mécanismes possibles conduisant
à la formation d’une nouvelle espèce.
2
Document 1 : mise en évidence de la résistance de certains moustiques Culex pipiens aux insecticides.
Des larves de moustiques sont placées dans des coupelles contenant des solutions d’insecticides à des
concentrations différentes. Après 24 heures, on compte le nombre de larves qui sont mortes et celles qui sont
encore vivantes. On établit ainsi le pourcentage de mortalité en fonction de la concentration d’insecticide. Le
graphe ci-dessous représente les résultats obtenus pour une souche de moustiques sensibles (S) et pour une
souche de moustiques résistants (R).
Evolution de la mortalité chez les moustiques sensibles et résistants en fonction de la concentration
d’insecticide.
La résistance d’une population peut être caractérisée par la DL50 (DL=Dose létale) soit la concentration
d’insecticide pour laquelle on obtient la mort de 50% de moustiques. La DL50 de la population de moustiques
résistants est d’environ 400mg/l de propoxur (insecticide) alors que celle des moustiques sensibles est d’environ
0.4mg/l de propoxur.
Pour étudier l’état d’une population sauvage, et non d’une souche de laboratoire, on peut la soumettre à des
concentrations d’insecticide qui tuent tous les moustiques sensibles (concentration déterminée à partir d’une
souche de laboratoire de référence). Cette étude a été réalisée dans la région de Montpellier durant l’été 2002.
Le graphe ci-dessus présente les résultats. Les larves ont été soumises à des doses de propoxur qui induisait
100% de mortalité avant les années 1968.
Evolution de la fréquence des survivants en fonction de la distance depuis la mer
3
Document 2 : les mécanismes de cette résistance.
Les insecticides ont pour cible l’enzyme acétylcholine estérase (Ace présente au niveau des synapses
cholinergiques et ayant pour rôle l’hydrolyse du neurotransmetteur acétylcholine) qu’ils inhibent (voir vidéo). Les
anomalies de fonctionnement du système nerveux qui en résultent entraînent la mort de l’insecte sensible.
Cependant, pour qu’un insecticide soit efficace il faut qu’il puisse atteindre sa cible c’est-à-dire l’espace
synaptique. Il doit donc pénétrer dans l’organisme de l’insecte et circuler dans son milieu intérieur. La résistance
aux insecticides peut donc s’expliquer par des mécanismes qui empêchent ces insecticides d’atteindre leur cible
ou par une sensibilité moindre de la cible.
Molécule de parathion, insecticide très toxique
Des mécanismes empêchent donc les insecticides d’atteindre leur cible. Les estérases sont des enzymes
naturellement produites par les insectes. Elles hydrolysent les liaisons ester, notamment celles de certaines
molécules d’insecticides. Il existe chez le moustique 2 sortes d’estérases A et B.
Cette action permet d’empêcher l’insecticide de pénétrer et de circuler dans l’organisme de l’insecte, donc
d’atteindre sa cible. Il s’agit ici d’un mécanisme de détoxication par métabolisation de l’insecticide. Le rôle
physiologique des estérases est inconnu actuellement et celles-ci ne semblent pas indispensables à la survie de
l’insecte en milieu sans insecticide.
1. Mise en évidence de la quantité d’estérases produite chez les moustiques.
La quantité d’estérases produite par un moustique peut être évaluée par un test au papier filtre : les résultats
rouge foncé correspondent aux moustiques résistants alors que les autres résultats correspondent aux
moustiques sensibles.
Principe du protocole expérimental appliqué à la
population de moustiques de la région de Montpellier
(comprenant des moustiques résistants et sensibles aux
insecticides). On écrase les moustiques recueillis sur un
papier filtre, puis on ajoute les réactifs suivants :
un mélange de deux substrats sur lesquels
l’estérase agit en les coupant.
un réactif qui colore en rouge l’un des produits
obtenus.
Les résultats obtenus sont présentés sur le document
ci-contre (chaque case correspond à un moustique).
D’autres mécanismes permettent une résistance en rendant la cible moins sensible à l’insecticide : les mutations
de l’acétylcholinestérase. Ceci entraîne un changement de la structure spatiale de leurs molécules d’Ace, cible des
insecticides, changement qui insensibilise l’Ace à l’action de ces insecticides.
4
2. Localisation de la production d’estérases chez les moustiques.
Les estérases peuvent être mises en évidence par une technique d’immunofluorescence.
Document 3 : génome des moustiques en relation avec la résistance aux insecticides.
1. Le génome, pour les gènes des estérases, des moustiques sensibles.
Localisation des gènes des estérases
On a identifié plusieurs allèles pour chacun de ces gènes (A1, A2,…pour le gène A ; B1, B2,… pour le gèneB). Tous
ces allèles codent pour des estérases fonctionnelles.
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Electrophorèse de moustiques de différentes souches sensibles
2. Le génome des moustiques résistants par production accrue d’estérases.
a. Comparer les chaînes nucléiques avec le logiciel Anagène 2

Cliquer sur :

BANQUE DE SEQUENCES
 SEQUENCES PERSONNELLES
 ESTERASE
 LOCUS B
 B1S (présent chez certains moustiques sensibles)
 B1R (présent chez certains moustiques résistants)
Effectuer une comparaison simple.
Traduire la séquence B1R dans Anagène « traduction des phases ouvertes ».
Comparer, au sein de B1R, le premier gène aux 7 autres : comparaison simple entre B1R et B1S,
puis repérer la position du premier nucléotide du deuxième gène, et décaler la séquence B1S
d’autant (positions 84, 168, 252, 336, 420, 504, 588).
 Schématiser la disposition des gènes (au locus B1) chez ces moustiques résistants.
 Comparer les séquences complètes des allèles A2 et B2.
b. Discuter des mécanismes d’évolution du génome et de leurs conséquences.



3. Le génome des moustiques résistants par production d’une AchE résistante.
a.
Comparer les séquences des chaînes nucléiques des allèles S et R (souche résistante par production d’une
AchE insensible aux insecticides) du gène de l’AchE.
b. Discuter des mécanismes d’évolution du génome et de leurs conséquences.
6
Document 4 : la drépanocytose.
1. Phénotypes/ génotype : rappels 1S
Phénotype
macroscopique
Phénotype cellulaire
Phénotype moléculaire
Génotype
-Vertiges,
essoufflements,
grande
fatigue,
anémie,
accidents
vasculaires occlusifs,
infections
bactériennes graves
-Plusieurs
organes
atteints : foie, rate,
rein, tube digestif,
destructions
osseuses, hépatiques,
pulmonaires.
-Circulation sanguine
perturbée due à une
mauvaise
irrigation
des organes, mauvaise
circulation du sang
dans les capillaires.
-Hématies en nombre réduit
et de forme anormale : forme
de faucille au lieu d’un
disque concave.
-Hématies falciformes dans
les capillaires (déformation
normale pour passer dans les
capillaires très fins pour les
hématies
de
phénotype
normal) : pas de déformation
donc éclatement et hématies
moins
nombreuses
et
encombrement
dans
les
capillaires
sanguins,
expliquant
les
multiples
accidents circulatoires et
l’anémie.
-Perturbation des échanges
gazeux
O2/CO2
des
territoires concernés.
Hématies : transport du dioxygène
dans les vaisseaux sanguins grâce à
une
protéine
responsable :
hémoglobine(Hb).
Individu drépanocytaire :
-HbS fibreuse, responsables de la
forme en faucille des hématies.
-HbS soluble dans le cytoplasme que
sous forme de oxyhémoglobine (Hb
liée à l’oxygène).
-HbS insoluble dans le cytoplasme
que sous forme de carboxy ou
désoxyhémoglobine (Hb liée au CO2
ou non liée à l’O2.
-Polymérisation des HbS entre elles
et formation de fibres entraînant
une
rigidification
puis
une
précipitation de l’Hb.
-Phénomène
particulièrement
important au niveau des capillaires
veineux dans lesquels la pression
partielle en O2 est faible.
Individu sain :
-HbA dissoute à l’intérieur des
hématies.
-HbA soluble dans le cytoplasme de
l’hématie sous les 3 formes.
-Répartition dans le cytoplasme de
manière homogène, donnant forme
biconcave.
-Gène de la beta
globine porté par
chromosome n°11.
-Substitution d’un
nucléotide
à
adénine par un
nucléotide
à
thymine
position
21.
-Substitution d’un
acide glutamique
(acide aminé n°6)
par
une
valine
(interaction avec
une leucine d’une
autre molécule Hb
et
donc
polymérisation).
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2. Dominance/récessivité
Génotype
Phénotype macroscopique
(HbA//HbA)
(HbS//HbS)
(HbA//HbS)
Individu sain
Individu atteint de drépanocytose
Individu sain
Electrophorèse de l’hémoglobine d’une famille
Phénotypes cellulaires et moléculaires des individus (HbA//HbS) : certaines hématies falciformes dans un
milieu pauvre en 02 donc codominance des allèles HbA et HbS à l’échelle du phénotype cellulaire et moléculaire.
3. L’allèle HbS et le paludisme.
Distribution géographique de l’allèle HbS
Distribution géographique du paludisme (Nathan)
4. Mortalité des individus d’une population en fonction de leur génotype pour le gène de la beta globine.
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