Chapitre 2 : DES MÉCANISMES DE DIVERSIFICATIONS DES ÊTRES VIVANTS

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1 Thème 1 A : La terre dans l'univers, la vie et l'évolution du vivant Génétique et évolution Chapitre 2 : DES MÉCANISMES DE DIVERSIFICATIONS DES ÊTRES VIVANTS l existence de mutations ainsi que le brassage génétique de la méiose et de la fécondation de chaque génération explique en grande partie la diversité génétique des êtres vivants. Cependant, d'autres mécanismes permettent d'expliquer la diversité des êtres vivants, avec ou sans modifications des génomes. 1- La polyploïdisation Une espèce polyploïde se caractérise par la possession de plus de deux chromosomes homologues pour chacune des paires. Ceux ci peuvent avoir pour origine la même espèce (auto-polyploïde) ou deux espèces différentes ( allopolyploïde). Doc 1a p. 36 : caryotype d'un plant de paspalum quadriforium Une auto-polyploïdie a pour origine un accident de la méiose où un gamète ne subit pas la division réductionnelle. Les individus obtenus présente le plus souvent des différences morphologiques et physiologiques avec leurs parents. La plupart des fruits et légumes cultivés sont polyploïdes et bien plus grand que leurs ancêtres sauvages Document 1b p. 37 Caryotype de Brachypodium phoenicoïdes, B. distachyon et B. sylvaticus) Brachypodium phoenicoïdes possède 2n = 28 chromosomes est issu de l'hybridation de B. distachyon (2n = 10 chromosomes) et B. sylvaticus (2n = 18 chromosomes) Doc. 1 p. 45 : Schéma explicatif des mécanismes d'une allopolyploïdie Dans le cas d'une hybridation (fécondation entre deux espèces différentes), le descendant possède un lot chromosomique de chaque parents qui ne correspondent pas à des chromosomes homologues (Les paires ne peuvent pas se former). Les hybrides sont donc le plus souvent stériles. Après une réplication et la division méiotique, on obtient des gamètes ne correspondant à aucune des deux espèces. Si un phénomène d'autofécondation se produit, alors les embryons obtenus formeront alors une nouvelle espèce fertile. 1/8

2 Fréquence de la polyploïdie Les événements de polyploïdisation sont fréquent dans le monde végétal (70 % des espèces végétales sont polyploïdes) mais semblent plutôt rares dans le monde animal. 2- Les transfert horizontaux de gènes document 2b p.37 (algues et Z galactivorans) document 2c p. 37 (fréquence de porphirase chez certaines populations humaines) Les bactéries de la flore intestinale des japonais possèdent des séquences ADN codant pour une enzyme capable de dégrader le porphyrane. Ce sucre est caractéristique de la paroi d'algues très consommées dans la culture japonaise. Les bactéries de la flore intestinale des autres individus appartenant à l'espèce humaine ne possèdent pas ce gène, celui-ci n'est présent que chez des bactéries marines consommées en même temps que les algues par les japonais. Ce constat met en évidence l'existence de phénomène de transfert de gène entre des espèces différentes : la bactérie marine (Z. galactivorans) et les bactéries de la flore intestinale. 2/8

3 Transfert par voie virale Les transfert interspécifiques peuvent être direct comme dans l'exemple évoqué cidessus mais également se réaliser par le biais de vecteurs, essentiellement par les virus. Un virus est un organisme constitué de quelques gènes entouré par une membrane, il est incapable de se dupliquer ou de traduire son propre gènotype. Il infecte des cellules pour y incorporer son ADN. La cellule va alors dupliquer cet ADN pour produire de nouveaux virus. De l'adn de la cellule hôte peut alors être entraîner accidentellement pour être ensuite incorporer dans le génotype du prochain organisme infecté. Exemple d'arbres contradictoires Arbre de parenté construit par comparaison de l'arn 16s Arbre de parenté construit par comparaison de la lectine Les lectines sont des protéines se fixant de manière spécifique et réversible sur des glucides. La lectine II-AFP peut se fixer aux cristaux de glace en formation jouant un rôle dans la protection contre le gel De tels transfert horizontaux entre espèces différentes sont de plus en plus invoqués en se basant sur des arbres de parenté contradictoires. La comparaison de séquences ADN permet d'établir des arbres de parenté mais il arrive que selon les séquences comparées, les arbres obtenus ne racontent pas la même histoire 3/8

4 évolutive. Ainsi, les similitudes génétiques s'expliquent par un héritage commun transmis de génération en génération. Mais elles peuvent également provenir d'un transfert horizontal de gène. Dans ce cas, la proximité ne traduit pas de filiation entre les espèces. 3- Les gènes du développement et plans d'organisation plan d'organisation des vertébrés plan d'organisation d'un insecte Les grands groupes d êtres vivants (Vertébrés, Insectes ) montrent une disposition constante des différents organes, disposition que l on désigne sous le nom de plan d organisation. La mise en place de ce plan d organisation durant le développement embryonnaire suit des étapes qui se déroulent toujours dans le même ordre. Mutant antenapedia Certains gènes, appelés gènes homéotiques ont été identifiés par des mutations qui modifient la morphologie de l organisme. Ces gènes codent pour des protéines qui possèdent une région appelée homéoboite (ou homéodomaine) permettant sa fixation sur l'adn et autorisant le contrôle de l expression d autres gènes. 4/8

5 Exercice rôle des gènes homéotiques : pourquoi les serpents ont-ils des pattes? Le plan d'organisation est contrôlé par l'expression des gènes homéotiques. C'est l'expression d'un ensemble précis de ces gènes dans une région donnée de l'organisme qui détermine les organes qui s'y développent. TP 4 gène homéotiques Correction TP (en ligne sur le site du lycée) Doc 1a p. 38 Histoire évolutive des gènes homéotiques L'ensemble des gènes homéotiques présente un taux d'identité supérieur à 40 % or on sait que cette valeur est considérée comme le minimum traduisant une parenté entre ces gènes. On peut donc en conclure que les gènes homéotiques forment une famille multigénique issu d'un même gène ancestral. Rastop ADN - antenapedia Il existe une très grande similarité entre les protéines architectes d'espèces dont l'histoire évolutive a divergé depuis longtemps. Ces gènes homéotiques sont des gènes architectes, les protéines se fixent sur l'adn par un site de fixation spécifique. On peut observer que les acides aminés en contact avec l'adn n'ont pas varié, le site de fixation reste, à peu de choses prés, le même chez des espèces très diverses : l'abeille (insecte), la souris (mammifère), le xénope (amphibiens). 5/8

6 ces gènes présentent peu de différences, en particulier le site de fixation mais les protéines correspondantes contrôlent la mise en place de plan d'organisation très varié. Si ce n'est pas les gènes qui varient d'une espèce à l'autre, on peut alors proposer comme hypothèse que c'est le temps d'expression et le lieu où ils sont exprimés qui changent. 4- Gènes du développement et différences morphologiques Doc 3 p. 39 : développement museau Toutes les races de chiens présentent le même aspect du museau à la naissance. Le développement est similaire mais varie, selon les races sur la durée et sur l'intensité : - le saint bernard à un rapide mais très intense (museau court et large) - le huski a un développement plus long mais plus léger (museau long et fin) Développement becs pinson l'observation de la traduction d'un gène du développement (Bmp4) montrent des conditions d'expression différentes : Des gènes du développement identiques s'expriment sur des périodes plus ou moins longues, leur traduction est plus ou moins intense. Ainsi, une très faible différence dans les génotypes touchant les gènes régulant l'expression des gènes du développement (chronologie ou intensité) permet des modifications radicale dans l'organisation, la forme, des êtres vivants. 6/8

7 5- Des associations entre êtres vivants permettent une diversification sans modification des génomes Certains êtres vivants vivent en association durable et à bénéfice mutuelle, on parle de symbiose. Les êtres vivants associés s'influencent mutuellement et peuvent entraîner une modification de leurs phénotypes. Document 1 p. 40/41 soja avec (champ normal) et sans mycorhize (champ stérile) Tableau comparatif de croissance avec et sans nodule les nodosités contiennent des bactéries du genre Rhizobium. La présence des nodules s'accompagne d'une croissance plus importante et particulièrement d'une absorption d'azote plus efficace. Graphique transfert de saccharose marqué radio-activement des cellules racinaires vers les bactéries La mise à disposition de dioxyde de carbone marqué permet de suivre (après photosynthèse, le devenir des sucres consommés par la plante. On remarque qu'il y a transfert du saccharose émis par la plante vers les bactéries des nodosités. La plante protège et nourrie les bactéries. Dans les nodosités, celles-ci produisent une enzyme : la nitrogénase, qui transforme l'azote atmosphérique en azote assimilable par la plante Les associations entre bactéries et les racines des végétaux favorisent la croissance des deux partenaires : - l'apport de nitrates favorise la croissance de la plante, - la bactérie bénéficie d'un apport de matière organique par la plante et d'une protection 7/8

8 Doc. 2 p. 43 : Exemple des cnidaires Doc 2b p. 43 : Des coraux avec des zooxanthelles absorbent des sels minéraux alors que des coraux sans associations avec une algues en rejettent doc 2c p.43 : On peut mesurer l'activité photosynthétique des zooxanthelles en leur mettant du dioxyde de carbone radioactif à disposition On remarque que sans les coraux, leur activité photosynthétique est plus plus faible qu'avec les coraux On remarque qu'en présence de broyat de coraux, les zooxanthelles émettent des sucres issus de la photosynthèse dans le milieu Le corail fournit protection et sels minéraux, les algues fournissent des sucres. Ainsi, sans modification des génomes, certaines associations entre deux êtres vivants peuvent se traduire par la synthèse de nouvelles substances, la mise en place de nouvelles structures ou encore la modification de comportements qui n'existent pas individuellement chez chacune des deux espèces. 6- La transmission des comportements Doc. 1b p. 42 : étude expérimentale des conditions d'apprentissage de la fauvette Voir Article : apprentissage des comportements Certains oiseaux, élevés sans adultes, présentent un chant déstructuré comportant certains motifs caractéristiques de l'espèce mais mal associés. Ceci met en évidence que c'est en imitant le chant de ses congénères qu'il s'élabore : c'est un apprentissage. Doc 2 p. 43 : analyse des dialectes du pinson des bois Voir article : apprentissage des comportements L apprentissage du chant par l'écoute des congénères aboutit à l'apparition de dialectes : les comportements sont une source de diversité. Chez les animaux, certains comportements peuvent donc être qualifiés de culturels. Ces comportements transmis dans des sociétés d'individus vivant en commun sont transmis par apprentissage sans être déterminé génétiquement. Ceci a pu être mis en évidence chez les singes, les oiseaux, les cétacés mais aussi chez les abeilles et les bourdons. 8/8