g31-Jean-Jacques-Pichard
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COMPTE-RENDU TP CELOE AVRIL 2016 LUCAS JEAN-JACQUES & BRICE PICHARD GROUPE 31 Sommaire Les unicellulaires eucaryotes Illustration des grandes fonctions physiologiques des eucaryotes : ................................................................................................................. 2 Liste et tableau récapitulatif ................................................................................................................................................................................... 2 Différentes fonctions assurées par les unicellulaires .............................................................................................................................................. 3 Illustration d’interaction chez des unicellulaires eucaryotes : ......................................................................................................................... 6 Le lichen : symbiose entre le mycète Xanthoria et l’algue unicellulaire Trebouxia .............................................................................................. 6 Parasitisme : Néréis par Grégarines ....................................................................................................................................................................... 6 Utilisation pratique .............................................................................................................................................................................................. 7 La complexification des organismes Mise en place de colonies : ................................................................................................................................................................................... 8 Exemple du Volvox ................................................................................................................................................................................................ 8 Exemple de Nostoc............................................................................................................................................................................................... 10 Position des choanoflagellés : ............................................................................................................................................................................ 11 Complexification des thalles d’algues unicellulaires : .................................................................................................................................... 12 Différents thalles .................................................................................................................................................................................................. 12 Fonctions des thalles ............................................................................................................................................................................................ 13 Le règne fongique, les Eumycètes : ................................................................................................................................................................... 13 Présentions d’organismes : ................................................................................................................................................................................... 13 Les fonctions vitales des eumycètes : .................................................................................................................................................................. 14 Champignon entre plante et animal :.................................................................................................................................................................... 15 Caractéristiques des organes végétaux types Embryophyte et comparaison aux ancêtres aquatiques :................................................... 16 Sources ………………………………………………..……….…………………….17 1/17 Les unicellulaires eucaryotes Les êtres unicellulaires eucaryotes semblent être les individus les moins complexes du domaine Eucaryote. Cependant ils n’en restent pas moins évolués et répondent ainsi aux grandes fonctions physiologiques. Certains peuvent même entretenir des relations complexes avec d’autres espèces (notamment pluricellulaires). Illustration des grandes fonctions physiologiques des eucaryotes : Liste et tableau récapitulatif 2/17 Figure 2 : reproduction asexuée de la paramécie Différentes fonctions assurées par les unicellulaires Un hétérotrophe la paramécie : L'expérience réalisée a consisté à observer, au microscope optique, le comportement de paramécies mises en contact avec des levures (Figure 1). Nous avons aussi pu travailler sur une lame de paramécie en cours de fission (Figure 2). Figure 1 : paramécie et levures Comme l'illustre la Figure 1, la paramécie capture des proies comme la levure dans cette expérience. Ceci est possible grâce au mouvement des cils de la paramécie. Les proies sont ensuite emmenées vers le péristome où elles sont ingérées par phagocytose. 3/17 Elles seront ensuite digérées dans les lysosomes de la paramécie. Ce protiste consomme donc des organismes vivants pour se nourrir. La paramécie répond donc tout à fait à la définition de ce qu'est un hétérotrophe : un organisme vivant incapable de fabriquer sa propre matière organique et qui va la puiser dans d'autres organismes hétérotrophes ou autotrophes. De plus, la reproduction de la paramécie, schématisée sur la Figure 2, est remarquable. Ce schéma illustre une paramécie qui est en train de se scinder progressivement en 2. Le noyau s’allonge devenant de plus en plus fin puis s'étrangle en deux parties jusqu'à que celles-ci ne soient presque plus reliées. A ce moment l’organisme se scinde en deux à son tour au niveau de cette zone d'étranglement du noyau, emportant une partie du noyau dans chaque future cellule « fille ». Enfin, l’organisme se fissionne totalement en deux exemplaires comportant chacun une partie du noyau et du compartiment cytoplasmique de la cellule « mère ». La paramécie réalise donc une reproduction asexuée par fission binaire : aucun matériel génétique n'est échangé. Cependant, lorsque le milieu est carencé en nutriments, la paramécie va échanger un de ses micros noyaux (obtenus par méiose puis mitose) avec celui d'une autre paramécie. Ces micros noyaux vont fusionner dans la cellule (« fécondation ») puis l'unique micro noyau ainsi obtenu va se diviser par mitose en huit micro noyaux dont 4 deviendront des macros noyaux. Enfin la cellule (c'est-à-dire la paramécie), réalise deux mitoses afin d'obtenir quatre nouvelles paramécies comportant chacune un micro noyau et un macro noyau. Ce mécanisme est celui d'une reproduction sexuée, le mélange génétique engendré augmente ainsi les chances d'adaptation aux conditions du milieu. Un autotrophe la Chlamydomonas : Nous avons observé des chlamydomonas vivantes au microscope optique (Figure 3). Chlamydomonas est une algue unicellulaire verte. On peut noter la présence d'un unique gros chloroplaste qui occupe tout l'espace cellulaire (ce qui explique la couleur verte qui est donc due à la chlorophylle) comme illustré sur la Figure 3. Il s'agit donc d'un organisme autotrophe, c'est-à-dire qui produit sa propre matière organique à partir de CO2, d'H2O et d'énergie lumineuse : elle réalise la photosynthèse. Cet organisme réalise la mitose pour se reproduire de manière asexuée. De même que pour la paramécie, si les conditions du milieu sont mauvaises, deux cellules de polarité sexuelle différente peuvent fusionner pour former un zygote qui, par mitose, va générer quatre cellules haploïdes. C'est la reproduction sexuée. Figure 3 : chlomydomonas 4/17 L'ajout de Lugol dans le milieu fige complètement toutes les chlamydomonas alors qu'elles sont habituellement en mouvement de manière incessante et très rapide. Cela permet de distinguer deux petits flagelles joints à la cellule au même point. Ceux-ci sont responsables de la faculté de locomotion chez la Chlamydomonas. Un myxotrophe l’Euglène : L’euglène est un unicellulaire uniflagellé, depuis l’observation microscopique (figure 4) on peut noter la présence de chloroplaste (forme circulaire/rectangulaire de couleur verte). Cependant à partir des différentes cultures dont que nous avons pu observer, on peut conclure sur le caractère myxotrophe de l’Euglène. On note en effet ici que l’euglène peut se développer dans 2 cas de figures : en milieu organique (avec ou sans lumière) caractère hétérotrophe en milieu minéral avec lumière caractère autotrophe On conclut donc sur le caractère myxotrophe de l’Euglène. Figure 4 : Euglène observation avec lumière et MO Figure 4 : euglène 5/17 Illustration d’interaction chez des unicellulaires eucaryotes : Le lichen : symbiose entre le mycète Xanthoria et l’algue unicellulaire Trebouxia L’observation microscopique et les documents à disposition du lichen nous ont permis de mettre en évidence la relation de symbiose entre xanthoria et L’algue Trebouxia. Dans cette relation le champignon apporte une niche écologique favorable à l’algue : protection en plus de l’apport en eau et ions. L’algue quant à elle apporte des produits de la photosynthèse. On note sur la reproduction que l’algue est défavorisée par rapport au champignon. En effet il y a deux types de reproductions utilisées mais une seule autorisant la multiplication et dispersion de l’algue : La reproduction sexuée : seul le champignon se reproduit de façon sexuée grâce à des hyphes fongiques sexuellement différenciés fusionnant et donnant, à la surface du thalle, des structures en forme de boutons (les apothécies dans lesquelles des cellules particulières (les asques) vont élaborer les ascospores. Les nouveaux hyphes « captureront » ensuite des algues pour élaborer la symbiose ; La reproduction asexuée : se fait par déchirure du thalle et dispersion de fragments (contenant les deux partenaires). Le lichen a été utilisé par l’homme dans la médecine traditionnelle, il était utilisé pour traiter diverses maladies comme la diarrhée. Aujourd’hui, bien qu’encore utilisé en médecine, alimentation et industrie (parfumerie), il sert surtout de bio-indicateur pour, par exemple, le taux de pollution ou la stabilité chimiques des sols. Parasitisme : Néréis par Grégarines Grégarines est un parasite (généralement spécifique) se logeant dans l’intestin d’invertébré, ici Néréis. Il se fixe grâce à sa tête dans la paroi de l’intestin puis profite ensuite de cet environnement qui lui est favorable (forte concentration de nutriment et abri). 6/17 Utilisation pratique Les eucaryotes unicellulaires sont exploités par l’homme dans différents domaines : 1 Alimentaire : depuis l’antiquité les unicellulaire notamment les levures sont utilisées pour produire du vin, du pain ou de la bière grâce à la fermentation. Récemment une entreprise : Euglena1 voudrait grâces au fort potentielle nutritives des euglènes régler des problèmes de malnutrition et sous-nutrition dans des pays tels que le Bengladesh. Cette entreprise commence aussi à diversifier cette utilisation vers les biocarburants et la médecine. Industrielle : du biocarburant à la parfumerie. Médecine : utilisation comme compléments de vitamines, traitement (pénicilline), homéopathie,… Ecologie : en tant que bio-indicateur (cas du lichen et de certaines algues). Ils ont aussi souvent un rôle majeur dans la décomposition et le renouvellement de leurs milieux https://www.euglena.jp/en/company/ 7/17 La complexification des organismes Après nous être focalisés sur les êtres unicellulaires, il est légitime de se demander comment nous sommes passés d’êtres peu complexes à des êtres composés de tissu et d’organes. Nous verrons donc au-travers de différents exemples la complexification des organismes de l’unicellulaire à l’organisme complexe en passant par l’état colonial et les thalles. Mise en place de colonies : Figure 5 : colonie de volvox Exemple du Volvox Après observation au microscope optique d'une colonie de Volvox, illustrée par la Figure 5, on constate des agglomérats de cellules au sein de la colonie. On observe donc des colonies filles en formation. Celles-ci sont obtenues par mitoses successives à partir d'une des cellules constituant la colonie. La division cellulaire a donc lieu à partir d'un seul génome : toutes les cellules de la colonie ainsi formées auront un génome identique. Néanmoins, si la colonie est placée dans un milieu où les conditions trophiques sont défavorables, elle modifiera son mode reproduction. La colonie produira des gamètes grâce à la méiose à partir des cellules gonidiales, présentent en périphérie de la colonie. Il y aura fécondation entre deux gamètes issus de deux individus différents : il y a donc une modification du génome. Volvox pratique ainsi la reproduction sexuée afin d'augmenter ses chances de se reproduire de manière viable. 8/17 Figure 6 : complexification d’organismes menant à la colonie (extrait du TD 2 sur les protistes) En observant les cellules qui composent la colonie de Volvox, on note qu'elles ont une forme plutôt arrondie, de couleur verte : c'est un organisme photosynthétique et certaines possèdent deux flagelles. Ces caractéristiques nous font tout de suite penser à celles d'une algue verte unicellulaire. On peut donc émettre l'hypothèse que la colonie de Volvox a pour origine un organisme tel qu'une algue verte unicellulaire. Les descendants de cet ancêtre auraient petit à petit arrêté de se séparer complètement après mitose pour former peu à peu un individu multicellulaire sous forme de colonie. L'un des représentants actuel de cet organisme (et observé en TP1) serait Chlamydomonas. En effet, ces deux organismes sont tous les deux des algues autotrophes au carbone et biflagellées. C'est ce que montre la figure 6 : l’augmentation progressive de la complexité de plusieurs caractères chez différentes espèces jusqu'à atteindre le stade Volvox. 9/17 Exemple de Nostoc L'observation de Nostoc au microscope optique nous permet de visualiser sa structure cellulaire : la colonie est organisée en longs filaments de cellules, ce sont des trichomes. On note rapidement que certaines cellules, plus rares, sont différentes des autres : plus grandes, celles-ci possèdent une paroi plus épaisse : c'est les hétérocystes. La colonie est donc formée de deux types cellulaires différenciés : les hétérocystes sont spécialisées dans le métabolisme azoté, ils fixent l'azote atmosphérique pour la fabrication des acides aminés alors que les autres cellules sont différenciées pour la photosynthèse. Ces deux processus sont antagonistes (l’O2 est toxique pour la protéine de ce métabolisme azoté) et ne peuvent se produire au même moment dans la même cellule. Cette séparation des tâches dans des cellules distinctes permet donc au Nostoc de les réaliser toutes les deux en même temps, ce qui augmente le rendement métabolique du trichome et lui confère donc un avantage certain. Cependant, chaque cellule est un individu unique possédant son propre génome. Cela met en avant un des inconvénients de la multicellularité : si toutes les cellules n'ont pas le même génome il existe un risque de conflit génétique qui peut à terme nuire à l'organisme (exemple de l'amibe sociale). Figure 7 : colonie de nostoc 10/17 Position des choanoflagellés : On peut noter la structure particulière des choanoflagellés : une cellule pourvue d'un flagelle entouré d'une collerette de microvillosités. En observant une coupe de spongiaire au microscope, on note la présence de cellules différenciées sur les parois de la cavité interne. Celles-ci ont des formes plus ou moins variables mais elles possèdent surtout un flagelle. Ce sont donc des choanocytes, on sait aussi qu'ils sont aussi munis d'une collerette de microvillosités pour piéger les particules alimentaires. Les choanocytes sont donc très semblables à la cellule de choanoflagellés. De plus, les choanoflagellés peuvent former des colonies si les cellules filles ne se détachent pas complètement après mitoses successives de la cellule mère. Avec tous ses éléments, on peut donc supposer que la multicellularité chez les métazoaires prend sa source chez un ancêtre commun avec les choanoflagellés. Cette théorie est encouragée par l'analyse phylogénétique comme l'indique la figure 8 et l’arbre ci-dessus. Figure 8 : comparaison choanoflagellé et choanocyte de Grantia 11/17 Complexification des thalles d’algues unicellulaires : Différents thalles Nos observations microscopiques nous ont permis d’observer la complexification des thalles. Nous avons pu voir tout d’abord les archéthalles représentés par l’Euglène et Ulothix. Ces thalles sont simples et formés par des unicellulaires ou des cellules semblables qui se divisent par bipartition ou deviennent des cellules reproductrices. Ensuite les nématothalles avec Ulve et porphyra. Ces thalles sont formés par un filament rampant sur lequel sont joints des filaments dressés. L’ensemble pouvant prendre l’apparence d’une lame comme dans le cas de nos deux sujets d’observations. On retrouve le plus haut degré de complexité avec les cladothalles qui peuvent ressembler (du point de vue de la structure) à une tige feuillée. C’est le cas ici de Fucus. Figure 9 : archéthalle Figure 10 : nématothalle Figure 11 : nématothalle avec des cellules regroupées en îlots 12/17 Fonctions des thalles Les thalles offrent une optimisation de l’utilisation des ressources pour l’ensemble des cellules le composant, on se retrouve avec des avantages similaires à la mise en place de colonies (voir Mise en place de colonies). Les thalles forment aussi une adaptation aux niches écologiques, les ramifications ou la forme en lame permet d’augmenter la surface d’échange pour la photosynthèse. La portance par l’eau peut aussi être assurée par des flotteurs : les ballonnets (fucus) alors que les crampons fixent le tout sur le substrat. Le règne fongique, les Eumycètes : Présentions d’organismes : Le règne fongique est composé de différents organismes unis ou multicellulaires. Nous avons pu par exemple observer des cellules de levures : champignons unicellulaires de forme arrondie, les Hyphes des xanthoria qui donnaient une forme aplanie avec plusieurs couches de cellules (ressemblant à certains thalles d’algues) et pour finir des champignons de Paris avec une forme de « champignon » comme elle est désignée couramment. Comme chez les algues on passe d’unicellulaires à une forme multicellulaire plus complexe (cladothalle), il en va de même pour les champignons. On observe donc des ensembles de filaments donnant un mycélium, cette forme peu prendre une structure plus « classique » : le champignon avec un pied et un chapeau. Néanmoins sur ces différentes formes on note que les cellules sont indifférenciées : il n’y a ni tissu ni organes observables. 13/17 Les fonctions vitales des eumycètes : La reproduction : La reproduction peut d’abord être asexuée chez les champignons. On a pu observer le bourgeonnement chez les levures mais il existe aussi la possibilité de faire naître de nouveaux individus depuis des fragments du thalle (voir le paragraphe sur les lichens) Il existe plusieurs formes de reproduction sexuée chez les champignons. Pour les basidiomycètes dont fait partie le champignon de Paris, voici le cycle de reproduction type : Figure 12 : cycle de vie d’un basidiomycète 14/17 La nutrition : Les champignons sont hétérotrophes, ils absorbent leurs nourritures directement dans leur milieu (par le mycélium pour les plus complexes).Ce sont généralement des saprophytes décomposant les déchets organiques de leur milieu, on note donc qu’ils jouent un rôle majeur dans le renouvellement et le nettoyage du sol (ils sont parmi les rares organismes avec quelques bactéries à pouvoir digérer la lignine). Nous avons pu observer aussi la symbiose grâce au lichen Xanthoria. Il tire ici profit de l’apport en matière organique de leur symbiote. Cette association peut se faire au niveau des racines des plantes avec les mycorhizes (endomycorhizes, ectomycorhizes ou ectendomycorhyses). NB : La limite entre symbiose, commensalisme et parasitisme est mince, laissant ainsi de nouvelles possibilités de nutrition (sans retour bénéfique pour l’hôte). Champignon entre plante et animal : Sur le plan macroscopique, le champignon pourrait comme nous l’avons vu s’apparenter aux plantes et même plutôt aux algues (en considérant les champignons comme des thalles). Leur reproduction est d’ailleurs assez semblable aux « végétaux primaires ». Cependant cette parenté est discutée sur le plan cellulaire et moléculaire. Ces organismes possédants à la fois des caractères apparentés aux animaux et aux végétaux. Leur mode de nutrition est hétérotrophes et donc plutôt semblable aux animaux avec une molécule de réserve typique de ceux-ci : le glycogène. On note néanmoins des structures types végétales comme la paroi ou la vacuole (mais il faut noter que la paroi est notamment en Nacétylglucosamine (chitine) rapprochant l’organisme du règne animal). 15/17 Caractéristiques des organes végétaux types Embryophyte et comparaison aux ancêtres aquatiques : On peut noter en observant en disséquant la graine de haricot les informations suivantes : Observations Déductions Téguments Radicule Embryon comportant Gemmule=>vraies feuilles Graine ex albuminée Deux Cotylédons Hypocotyle se développe en premier Germination épigée => Cotylédons se développent hors du sol Le haricot est donc une plante à graine exalbuminée et à germination épigée. L'embryon végétal possède donc des organes. C'est la radicule, qui va donner les racines, la gemmule, à partir de laquelle se développeront les vraies feuilles, et deux cotylédons qui constituent les réserves de l'embryon nécessaires pour sa croissance. Figure 13 : la graine Quant à la plante adulte, elle possède des organes complètement différents de ceux de l'embryon : racines, tige et feuilles. L'embryon réalise donc une métamorphose pour se développer en plante adulte. Celle-ci forme un cormus c'est-à-dire un appareil végétatif complexe au contraire du thalle des algues étudiées précédemment. Figure 14 : l’organisme 16/17 Sources En plus des divers documents mis à notre disposition sur moodle ainsi que les TDs de CELOE nous avons utilisé des sources supplémentaires : Livre : Biologie animale des protozoaires aux métazoaires épithélioneuriens, André BEAUMONT et Pierre CASSIER, 2004 Biologie végétal, Jean-Claude LABERCHE, 2001 Site internet : http://www.digimages.info/listeoiseauxmonde/phylo/phylo.html http://www.cvc.u-psud.fr/spip.php?article138 https://www.euglena.jp/en/company/ http://www.lesbeauxjardins.com/cours/botanique/6-lichens/usages.htm __________________________________ 17/17
