N. Pidancier Diversification du vivant avec modification du génome

TS 1A2 CORRECTION du TP 12: N. Pidancier
Diversification du vivant avec modification du génome :
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)
Acquisition d'une
enveloppe formée
de cellulose
(uniquement pas
chez les végétaux
normalement)
Capacité à digérer
la cellulose,
normalement
impossible pour les
animaux.
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
Protection de
l'ascidie
Digestion d'une
plus grande partie
de leur
alimentation
Dissimulation des
pucerons aux yeux
de leurs prédateurs.
Meilleur
développement des
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 Hox-
c8.
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 Hox-
c6 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.