N. Pidancier Diversification du vivant avec modification du génome
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TS 1A2 CORRECTION du TP 12: Diversification du vivant avec modification du génome : N. Pidancier Atelier 1 : Transferts horizontaux de gènes et diversification du vivant Habituellement, les gènes sont transmis des parents à leurs descendants, il s'agit d'un transfert vertical des gènes de génération en génération au sein d'un même espèce. Mais il arrive que les gènes transitent d'un individu d'une espèce à un autre individu d'une autre espèce. On parle de transfert horizontal de gènes. C'est un événement très rare mais sur des centaines de millions d'années d'évolution de la vie, ils ont eu lieu à plusieurs reprises. Les mécanismes impliqués restent obscurs mais des virus, des bactéries entre autre, peuvent intervenir. Nos intestins sont colonisés par de nombreuses bactéries (=flore intestinale) participant de façon active à notre digestion. Mais les bactéries digestives et l'homme (sauf les Japonais) ne possèdent habituellement pas le gène de l'enzyme porphyrase permettant de dégrader la paroi cellulaire des algues (formée de porphyrane) et ils sont donc incapables de dégrader/digérer le porphyrane. Les Japonais, du fait de leurs habitudes alimentaires, mangent fréquemment des algues Porphyra (enroulés autour des sushis). Ces algues sont le milieu de vie des bactéries marines Zobellia. Les Japonais ingèrent donc les bactéries marines Zobellia mais celles-ci sont ''digérées, dégradées''. Lors du contact répété dans l'intestin des Japonais (sur de nombreuses générations) entre bactéries marines Zobellia (en cours de digestion) et bactéries digestives, il y a pu avoir un échange de gènes entre celles-ci. Les bactéries digestives des Japonais ont pu acquérir le gène de la porphyrase venant de Zobellia. Ce gène a été transmis à leurs descendants. Ainsi les Japonais possèdent des bactéries digestives équipés de l'enzyme porphyrase et ils digèrent donc mieux l'algue entourant les sushis. Les Japonais digèrent donc mieux les sushis grâce à un transfert horizontal de gènes entre deux espèces bactériennes. Quelques exemples de transferts horizontaux de gènes (livre p. 42-43): Espèce considérée Bactéries digestives des Japonais Ascidie (=animal) Nématodes (animal) Pucerons (animal) Homme et grand Primates Origine du gène transféré Bactérienne (bactérie marine Zobellia) bactérie bactérienne champignon virus Changement du phénotype lié au transfert de gène Les bactéries digestives des Japonais ont une enzyme dégradant le porphyrane (constituant la paroi des algues enroulées autour des sushis) Coloration des pucerons par des pigments orangés (caroténoïdes) Acquisition du placenta Intérêt du phénotype ainsi acquis pour les individus Meilleure digestion des algues enroulées autour des sushis Acquisition d'une Capacité à digérer enveloppe formée la cellulose, de cellulose normalement (uniquement pas impossible pour les chez les végétaux animaux. normalement) Protection de l'ascidie Digestion d'une plus grande partie de leur alimentation Dissimulation des Meilleur pucerons aux yeux développement des de leurs prédateurs. embryons. Les transferts horizontaux de gènes : Les individus peuvent acquérir un gène provenant d'autres espèces. Il s'insère au sein de leur génome et leur donne un nouveau caractère. Si ce caractère apporte un avantage aux individus, ces individus auront une meilleure survie et se reproduiront plus que ceux qui ne l'ont pas (c'est la sélection naturelle). La fréquence du gène dans les populations va donc augmenter dans l'espèce jusqu'à être présent chez tous les individus de l'espèce considérée. Atelier 2 : Gènes de développement et diversification 1- Chez la Drosophile, tous les gènes de développement sont situés sur le même chromosome. Chez le Poisson-zèbre et la souris, ils sont répartis sur 4 chromosomes, on parle de complexe pour l'ensemble des gènes de développement situés sur un chromosome donné. Ainsi, chez la Souris il y a 4 complexes. Les gènes représentés par la même couleur dérivent d'un gène ancestral. On constate que l'ordre des gènes sur un chromosome est correlé à la position des organes où ils s'expriment le long de l'axe antéro-postérieur chez l'embryon. 2-Comparaisons avec Anagène des gènes et séquences protéiques de Pax6 (un gène de développement ) chez la Drosophile, la souris et l'homme. On constate que les séquences protéiques ont un pourcentage d'identité élevés, de même pour les gènes. Ils dérivent donc d'un même gène ancestral. On ne peut pas parler de famille multigénique car ce sont des gènes de 3 espèces différentes. 3- Doc 4 : Chez le serpent (python) possèdant des côtes quasiment tout le long de la colonne vertébrale, les deux gènes Hox-c6 et Hox-c8 s'expriment tout le long de la colonne vertébrale (sauf dans la partie postérieure). Chez le Poulet, l'expression conjointe des gènes Hox-c6 et Hox-c8 est limitée à la région correspondant à l'emplacement des côtes mais le gène Hox-c8 s'exprime aussi au-delà vers l'arrière. Or les membres se développent en avant et en arrière de la zone où s'expriment les gènes Hox-c6 et Hoxc8. On en déduit que les côtes se forment sur les régions de la colonne vertébrale où les deux gènes Hox-c6 et Hox-c8 s'expriment en même temps. C'est le cas sur toute la longueur de la colonne vertébrale chez les serpents donc ils n'ont pas de pattes. Doc 5 : On voit que la souris mutée possède des côtes sur toute la portion de la colonne vertébrale située entre les membres au lieu seulement de la partie correspondant à la cage thoracique. On en déduit qu'étendre la zone d'expression du gène Hox-c6 chez la souris conduit à la formation de côtes surnuméraires. Donc changer la région d'expression d'un gène de développement comme Hoxc6 conduit à un nouveau plan d'organisation. Doc 5 et 6 p. 41 Le développement du bec chez les Pinsons fait intervenir le gène de développment Bmp4. L'expression de Bmp4 est plus intense et plus précoce chez l'embryon du pinson à gros bec que celui du pinson à bec moyen. La différence de forme du bec chez les pinsosn s'explique donc par un niveau d'expression et une chronologie de l'expression différente des gènes de développement chez ces deux espèces. On constate que la surexpression du gène Bmp4 chez l'embryon de 10 jours conduit à un oiseau avec un bec 4 fois plus large et 2 fois plus épais que la normale. La sous-expression du gène Bmp4 chez l'embryon de 10 jours conduit à un bec moins large et moins épais que la normale. Modifier le niveau d'expression du gène de développement Bmp4 conduit à modifier la taille et forme du bec des Pinsons. Si la modification du niveau d'expression de Bmp4 est héréditaire, elle pourra se transmettre au cours des sgénérations et conduire à la formation d'espèces différentes. Modifier le niveau d'expression, la région d'expression ou le moment de l'expression de gènes de développement chez l'embryon conduit à des modifications du plan d'organisation ou de variation de taille et/ou forme de certains organes. Les gènes de développement participent donc à la diversification du vivant. Atelier 3 : Association de génome et diversification du vivant L'ensemble des chromosomes de Triticum urartu sont notés A, ce lot comporte 7 paires de chromosomes différentes. Le génome complet est noté AA Pour distinguer les chromosomes de Aegilops speltoides de ceux de T. urartu sont notés B et ceux de T. taushii sont notés D. Histoire évolutive du blé et événement de polyploïdisation Un polyploïde contient plus de deux lots complets de chromosomes. Les cellules polyploïdes sont généralement plus volumineuses que les diploïdes. Les plantes polyploïdes donnent généralement (mais pas toujours) des fruits plus gros que les plantes diploïdes. C’est pourquoi des événements de polyploïdisation spontanée ont été sélectionnés à plusieurs reprises au cours de l’histoire de l’agriculture. Pour l'obtention du blé dur : Il y a d'abord eu hybridation de deux espèces Triticum urartu et Aegilops speltoides (-17000 ans). Les hybrides possèdant des chromosomes non homologues (7 de type A et 7 de type B), ils étaient certainement stériles car les chromosomes ne pouvaient pas s'apparier lors de la méiose (pas de formation de gamètes). Un événement secondaire de polyploïdisation (méiose anormale) a permis le doublement des chromosomes. Ceci conduit à l'apparition d'une nouvelle espèce T. turgidum tétraploïde (génome AABB) sauvage. L'homme a sélectionné certains individus du fait de leurs caractéristiques, peu à peu et cela a conduit à la formation d'une variété domestiquée de T. turgidum (blé dur). [voir chapitre sur la plante domestiquée] Hybridation et polyploïdisation (d'après schémathèque Dijon) Pour l'obtention du blé tendre : Il y a eu croisement du blé dur cultivé par l'homme avec une espèce diploïde sauvage (T. tauschii). Les hybrides triploïdes (ABD) étaient certainement stériles car leurs chromosomes de type A, B et D ne sont pas homologues. Un événement de polyploïdisation a permis de doubler le nombre de chromosomes de façon accidentel et a conduit à l'apparition d'individus hexaploïdes fertiles. C'est la naissance d'une nouvelle espèce, le blé tendre. Les hybridations entre espèces, suivies de polyploïdisation peuvent donc être à l'origine de nouvelles espèces et c'est donc un processus permettant la diversification du génome.
