DEVOIR DE TYPE G2E. BIOLOGIE Epreuve B Durée : 2 heures Merci de composer sur des copies séparées de celles de géologie

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1 Composition du 10 Décembre 2016, BCPST2 DEVOIR DE TYPE G2E BIOLOGIE Epreuve B Durée : 2 heures Merci de composer sur des copies séparées de celles de géologie Les calculatrices sont interdites. L usage de tout ouvrage de référence et de tout document est strictement interdit. Si, au cours de l épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d énoncé, il en fait mention dans sa copie et poursuit sa composition. Dans ce cas, il indique clairement la raison des initiatives qu il est amené à prendre. Les candidats doivent respecter les notations de l énoncé et préciser, dans chaque cas, la numérotation de la question posée. Une grande attention sera apportée à la clarté de la rédaction et à la présentation des différents schémas. Il n est pas nécessaire de rédiger une introduction et une conclusion. Les documents peuvent être découpés et collés sur la copie à condition d être légendés, commentés ou exploités. Attention : le sujet de biologie est composé de 2 parties indépendantes dont la numérotation est continue afin d'éviter toute confusion lors de vos réponses. Quelques aspects du fonctionnement stomatique et du développement floral des Angiospermes BCPST2 Lycée Poincaré Valérie Boutin 1 / 15

2 THEME 1 APPROCHE PHYSIOLOGIQUE ET GENETIQUE DE LA REGULATION DE L OUVERTURE STOMATIQUE CHEZ L ARABETTE DES DAMES, Arabidopsis thaliana La protéine OST1 des cellules de garde de l ostiole est reconnue comme un agent majeur intervenant dans cette régulation de l ouverture stomatique. Cette étude vise à préciser le rôle de cette protéine en corrélation avec l aide d une phytohormone, l acide abscissique ou ABA. 1A Comparaison des pertes en eau et du fonctionnement stomatique de deux mutants avec le type sauvage La figure 1 de la page suivante est un document multiple qui vous résume en A le principe physique général de la thermographie infrarouge en fonction de la température des objets analysés, température qui dépend fortement de la vaporisation ou non de l eau à la surface de cet objet. L application plus spécifique de ce principe général aux surfaces foliaires est explicitée dans les parties B et C de la figure 1, avec notamment le repérage des phénotypes végétaux selon l ouverture ou non stomates. La figure 2, également sous la forme d un document multiple, rassemble les principaux résultats expérimentaux de cette étude, qui feront l objet des questions suivantes. BCPST2 Lycée Poincaré Valérie Boutin 2 / 15

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5 I-A-1. Analyse des pertes en eau par thermographie infrarouge Une première expérience consiste à comparer les pertes d eau à la surface foliaire pour le type sauvage Ler et pour les deux mutants ost1-1 et ost1-2 par thermographie infrarouge, à un instant donné (figure 2-A) et aussi au cours du temps (figure 2-B). 1- Analysez ces deux documents. 2- Que pouvez-vous conclure sur les pertes en eau chez Arabidopsis thaliana? Qu apporte l étude des deux mutants? I-A-2. Acide abscissique et fermeture des stomates Sur la figure 2-C, la concentration en acide abscissique ou ABA est exprimée en µm. Les résultats obtenus avec l acide abscissique sont comparés avec l effet de la lumière ou de l obscurité sur les stomates. 3- Que pouvez-vous déduire de l analyse de ce document? I-A-3. Ouverture stomatique en réponse à l éclairement en fonction de la concentration en ABA et selon que l air est appauvri ou non en CO 2 Cette expérimentation a conduit aux résultats résumés dans la figure 2-D. 4- Analysez puis interprétez ces données. 5- Quelles hypothèses peut-on avancer en ce qui concerne la protéine OST1, en fonction des analyses et des interprétations portant sur les deux mutants ost1-1 et ost1-2? I-A-4. Acide abscissique et germination des graines d Arabidopsis thaliana On essaye maintenant de comprendre la place de la protéine OST dans la chaîne d événements liés à la réception de l acide abscissique par ses cellules-cibles. Pour cela, et bien qu il n y ait pas de corrélation directe avec les pertes en eau stomatiques, on étudie l influence de l ABA sur la germination des graines d Arabidopsis thaliana pour les trois génotypes testés. 6- Après analyse de la figure 2-E, que pouvez-vous déduire sur la protéine OST à partir de la comparaison des résultats obtenus pour les 3 génotypes? Cela vous permet-il de trancher parmi les hypothèses émises à la question précédente? I-B. Place de la protéine OST1 dans la voie de signalisation de l ABA On sait que la fermeture des stomates fait intervenir dans la chaîne de transduction des «espèces réactives à l oxygène» (en anglais ROS, reactive oxygen species), qui correspondent à différentes molécules dont la principale dans le contexte étudié est le peroxyde d hydrogène H 2 O 2. Une des questions qui se pose est la place de cette action de H 2 O 2 par rapport à celles de l acide abscissique et de protéine OST1. Les résultats de cette étude sont rassemblés dans la figure 3. BCPST2 Lycée Poincaré Valérie Boutin 5 / 15

6 I-B-1. Influence de H 2 O 2 sur le fonctionnement stomatique On veut mesurer l influence de H 2 O 2 en fonction des concentrations indiquées. 7- Que pouvez-vous déduire de l analyse de la figure 3-A quant à l effet du peroxyde d hydrogène H 2 O 2 sur le fonctionnement stomatique? I-B-2. Acide abscissique, production d espèces réactives de l oxygène et conséquences On étudie le niveau de production des «espèces réactives de l oxygène» dont H 2 O 2 forme la molécule principale, en fonction de l utilisation ou non de l acide abscissique. Les résultats correspondent à la figure 3-B. 8- Que peut-on en déduire quant à l intervention de la protéine OST1 normale dans la voie de signalisation conduisant la fermeture stomatique? BCPST2 Lycée Poincaré Valérie Boutin 6 / 15

7 9- Comment caractériser de ce point de vue la mutation ost1-2? I-B-3. En guise de conclusion 10- Analysez puis interprétez la figure 3-C. 11- A partir de l ensemble des données fournies, de vos analyses et de vos déductions, proposez un modèle explicitant le rôle de cette protéine OST1 dans la chaîne de transduction de l acide abscissique ABA vis-à-vis du fonctionnement des stomates chez Arabidopsis thaliana. Donnez votre interprétation de la figure 3-C et le modèle fonctionnel sous la forme d un schéma-bilan commenté. BCPST2 Lycée Poincaré Valérie Boutin 7 / 15

8 THEME 2 L INTERVENTION D ARN DANS LES INTERACTIONS GENIQUES AU COURS DU DEVELOPPEMENT FLORAL Le RNA silencing correspond à l extinction de l expression génique via des interactions séquence-spécifiques impliquant de petites molécules d ARN simple-brin de 21 à 26 nucléotides. Découvert récemment chez les plantes, ce processus affecte différentes étapes de l expression du génome selon des mécanismes conservés. Il peut être induit notamment par des ARN non codants exprimés par le génome, appelés microarn. Au cours du développement floral d Arabidopsis thaliana, l identité des pièces florales est déterminée par des gènes homéotiques dont la mutation conduit au remplacement de certains organes par d autres. Parmi ces gènes, les gènes de classe A sont impliqués dans la spécification de l identité des pièces du périanthe (sépales et pétales) et les gènes de classe C dans la spécification de l identité des pièces fertiles (étamines et carpelles). Les mutations apetala2 et agamous, inactivant les gènes APETALA2 (AP2) et AGAMOUS (AG) qui codent respectivement les protéines AP2 et AG, ont été isolées. Les phénotypes des fleurs mutantes sont donnés à la Figure 1. Chez les plantes apetala2, la protéine AG s exprime dans les ébauches de toutes les pièces florales alors qu elle n est présente que dans celles des pièces fertiles des plantes sauvages. Chez les plantes agamous, la protéine AP2 s exprime dans les ébauches de toutes les pièces florales, mais elle n est présente que dans celles des pièces du périanthe des plantes sauvages. 12- Décrivez le phénotype des fleurs mutantes. 13- Qu en concluez-vous sur les gènes AP2 et AG? BCPST2 Lycée Poincaré Valérie Boutin 8 / 15

9 L ARN MIR172 est un ARN non codant de 21 nucléotides exprimé à partir du gène MIR172. L abondance de l ARN MIR172, de l ARNm AP2 et de la protéine AP2 a été analysée dans les inflorescences de plantes sauvages, de plantes agamous et de plantes transgéniques exprimant de façon importante le gène MIR172 sous le contrôle d un promoteur fort P (plantes P-MIR172, cf. Figure III-2). Les fleurs des plantes P-MIR172 présentent un phénotype semblable à celui des fleurs apetala Interprétez les résultats obtenus. BCPST2 Lycée Poincaré Valérie Boutin 9 / 15

10 La séquence de l ARN MIR172 est complémentaire d une courte région de l ARNm du gène AP2 (cf. Figure III- 3A). Les gènes AP2 ou AP2m (gène AP2 présentant des mutations dans la région de complémentarité avec l ARN MIR172, cf. Figure 3A) placés sous le contrôle d un promoteur fort P, ont été introduits artificiellement dans des plantes sauvages, de façon à obtenir des plantes transgéniques (plantes P-AP2 et plantes P-AP2m respectivement). Les fleurs des plantes P-AP2 présentent le même phénotype que les fleurs sauvages alors que celles des plantes P-AP2m sont comparables aux fleurs agamous. La quantité d ARNm AP2 et de protéine AP2 présente dans les inflorescences de ces plantes et des plantes sauvages a été étudiée (cf. Figure 4). 15- Comparez la séquence des protéines AP2 et AP2m à l aide du code génétique fourni. BCPST2 Lycée Poincaré Valérie Boutin 10 / 15

11 16- Interprétez les résultats de la figure 4. BCPST2 Lycée Poincaré Valérie Boutin 11 / 15

12 L expression de l ARN MIR172 a pu être suivie au cours du développement floral par la technique d hybridation in situ, qui permet de localiser les ARN d intérêt dans les coupes de tissus. Les profils d expression de l ARN MIR172 dans les inflorescences (stade 1 du développement floral) et les boutons floraux (stade 7) de plantes sauvages sont donnés dans la Figure Interprétez les résultats obtenus dans la figure 5. BCPST2 Lycée Poincaré Valérie Boutin 12 / 15

13 ATTENDUS DE CORRECTION THEME 1 APPROCHE PHYSIOLOGIQUE ET GENETIQUE DE LA REGULATION DE L OUVERTURE STOMATIQUE CHEZ L ARABETTE DES DAMES, Arabidopsis thaliana Question 1 Les images de thermographie infrarouge (figure 2-A) permettent de conclure que les 2 mutants ost1-1 et ost1-2 ont une température de surface foliaire globalement plus faible : on peut donc penser que leurs pertes en eau sont supérieures à celles du génotype sauvage Ler. Le graphique de la figure 2 B confirme cette hypothèse : les pertes en eau croissent rapidement pour les 3 génotypes pendant les premières minutes mais l augmentation est plus forte chez le mutant ost1-1 et encore plus chez le mutant ost1-2. Ensuite, à partir de 15 minutes environ, le niveau d augmentation des pertes est similaire, la perte totale restant beaucoup plus marquée chez les 2 mutants. Question 2 Il existe donc bien un mécanisme de régulation des pertes hydriques, mécanisme très efficace chez le type sauvage Ler. Les deux mutants étudiés présentent un déficit au moins partiel quant à cette régulation des pertes hydriques. Il s agit vraisemblablement de deux mutations différentes car le niveau de ces pertes est plus marqué chez ost1-2. Question 3 Le passage de la lumière à l obscurité provoque une fermeture partielle des stomates et inversement. Il n y a pas de différences significatives entre les 3 génotypes. Il ne s agit donc pas d une impossibilité de fermeture des stomates chez les mutants mais d un déficit de réaction vis-à-vis de l ABA. La concentration croissante en ABA conduit à une fermeture de plus en en plus prononcée de l ostiole stomatique chez Ler. Par contre, les 2 mutants ost1-1 et ost1-2 ne réagissent pas à l ABA, quelles que soient les concentrations utilisées : leurs stomates restent ouverts. Il n y a pas de différences significatives entre les 2 mutants dans ce contexte. Question 4 Une composition normale de l air ou bien un air appauvri en CO 2 conduisent aux mêmes réponses des 3 génotypes étudiés. L appauvrissement en CO 2 conduit bien à une ouverture de stomates mais la protéine OST1 n est pas impliquée dans ce contexte de réponse stomatique en fonction de la teneur atmosphérique en CO 2. Le passage de l obscurité à la lumière provoque bien l ouverture des stomates pour les 3 génotypes mais, à la lumière, l augmentation de la concentration en ABA conduit à une fermeture de plus en plus importante des stomates seulement pour le type sauvage Ler, alors que les 2 mutants ne présentent pas de réponse ou très peu. Par rapport au mutant ost1-1, le mutant ost1-2 a un déficit plus marqué de régulation de la fermeture stomatique, ce que l on peut corréler avec son niveau plus intense de pertes hydriques (cf. figure 2 B). Donc la protéine OST1 est bien impliquée ici dans le mécanisme de fermeture des stomates déclenché par l ABA. Les 2 mutants n ont pas de protéine OST1 fonctionnelle ou du moins pas totalement efficace. Question 5 1) la protéine OST1 pourrait être un récepteur de l ABA présent dans les cellules de garde stomatiques. 2) cette protéine OST1 pourrait intervenir en tant que relais dans la chaîne de transduction, suite à la fixation de l ABA sur son récepteur (ou l un de ses récepteurs). Elle pourrait contrôler une des étapes conduisant finalement à la fermeture plus ou moins prononcée des stomates, ce qui limiterait ainsi les pertes en eau. Les deux mutations ost1-1 et ost1-2, bien que différentes, sont du même type et correspondent à une perte de fonction pour la protéine OST1. Question 6 L étude des pourcentages de germination obtenus montre que les 2 mutants ost1-1 et ost1-2 ont le même niveau de réponse que Ler, à savoir une inhibition croissante de la germination quand la concentration en ABA augmente (ce qui est un effet bien connu de l ABA dans le maintien des différents états de vie ralentie des semences). Donc ces 2 mutants ne sont pas déficients en ce qui concerne ce récepteur de l ABA et la voie de transduction conduisant à cette inhibition des semences d Arabidopsis thaliana. On ne peut affirmer qu il s agit du même récepteur à l ABA que celui des cellules de garde mais la protéine OST1 n intervient pas dans l inhibition de germination et son action semble spécifique des cellules de garde des stomates. Vraisemblablement cette protéine OST1 n est pas un récepteur de l ABA mais un relais de transduction dans ces cellules stomatiques. BCPST2 Lycée Poincaré Valérie Boutin 13 / 15

14 Question 7 Le peroxyde d hydrogène H 2 O 2, à une concentration de 0,2 mm, déclenche la fermeture partielle de l ostiole, aussi bien pour le type sauvage LER que pour les 2 mutants. Donc ces derniers sont capables de fermer leurs stomates si ce peroxyde d hydrogène est présent en quantité suffisante dans les cellules de garde. ð Selon toute vraisemblance, ce n est pas la fin de la chaîne de contrôle de la fermeture des stomates qui est concernée par les 2 mutations OST1. Question 8 On n étudie ici que le mutant ost1-2, en comparaison avec le type Ler. On constate que le génotype Ler est capable d augmenter de 20% sa production «d espèces réactives de l oxygène» (ROS), notamment d H 2 O 2, sous l influence de l ABA. Le mutant ost1-2 n est pas capable de modifier cette quantité de ROS : ce mutant est donc caractérisé par une protéine OST1 absente ou déficiente et la conséquence est une incapacité à produire plus de ROS en présence d ABA. Ainsi les stomates ne peuvent pas se fermer dans ce contexte physiologique. Question 9 La protéine OST1 est donc bien un intermédiaire dans la voie de transduction de l ABA conduisant à la fermeture des stomates, intermédiaire qui permet normalement une production accrue «d espèces réactives de l oxygène» ou ROS. Question 10 La figure 3 C permet de constater que la protéine OST1, qui a une masse moléculaire de 42 kda, n est présente que chez le génotype sauvage Ler, et seulement si celui-ci est soumis à l influence de l ABA sur ces cellules de garde. Le mutant ost1-2 ne présente pas cette protéine, qu il y ait ou non de l ABA. Donc l induction du gène OST1 est sous la dépendance, directe ou indirecte, de l ABA et la protéine OST1 ainsi synthétisée contrôle une des étapes permettant la fermeture des stomates, en cas de déficit hydrique : c est en effet dans ce contexte que des espèces comme Arabidopsis thaliana produisent de l acide abscissique ABA qui permet la fermeture au moins partielle des stomates, par l intermédiaire de la protéine OST1. La conséquence en est, bien évidemment, une limitation des pertes hydriques. Question 11 BCPST2 Lycée Poincaré Valérie Boutin 14 / 15

15 THEME 2 L INTERVENTION D ARN DANS LES INTERACTIONS GENIQUES AU COURS DU DEVELOPPEMENT FLORAL Question 12 Chez le mutant apetalata2, il n y a ni sépales ni pétales. Il manque des étamines mais il y a des carpelles surnuméraires. Chez le mutant agamous, il n y a pas de pièces fertiles (ni étamines, ni carpelles) mais des pétales surnuméraires. Question 13 Les gènes AP2 et AG sont des gènes impliqués dans l identité des pièces florales. Le gène AP2 est impliqué dans l identité des pièces du périanthe. C est un gène de classe A. Le gène AG est impliqué dans l identité des pièces fertiles. C est un gène de classe C. La mutation apetalata 2 entraîne une expression d AGAMOUS dans toutes les pièces florales et la mutation agamous entraîne l expression d APETALATA dans toutes les pièces florales alors que normalement ces gènes ne s expriment que dans la catégorie d organes qu ils spécifient. ð Le gène AGAMOUS inhibe l expression du gène APETALA2 et réciproquement. Question 14 La comparaison des quantités d ARN et de protéines chez les plantes agamous et les plantes sauvages montre que : - les quantités d ARNm AP2 sont identiques mais que la protéine AP2 est plus abondante chez les plantes agamous. - Une quantité plus faible d ARN MIR172 chez les plantes agamous que chez les plantes sauvages - Aucun changement concernant les ARN totaux, les ARNm et les protéines témoins. Chez les plantes surexprimant MIR172, corrélativement à l abondance de l ARN MIR172, la quantité d ARNm AP2 est identique aux plantes précédentes mais la protéine AP2 est absente. ð L action du gène AGAMOUS sur l expression du gène APETALATA2s effectue par l intermédiaire de l ARN MIR172 qui exerce une action inhibitrice sur la traduction de l ARNm AP2 en protéine AP2. Il s agit d un RNA Silencing. Question 15 La redondance du code génétique fait que l ARNm AP2m conduit à la même protéine que l ARNmAP2. Question 16 L absence de complémentarité entre l ARNmAP2 et l ARN MIR172 pour les plantes AP2m a pour conséquence une synthèse plus active de protéine AP2 (environ 2 fois plus). ð C est la fixation de l ARN MIR172 que l ARNm d AP2 qui inhibe sa traduction en protéine (division par 2 de la traduction). Question 17 L hybridation in situ permet de localiser l ARM MIR 172 dans l ensemble des méristèmes floraux à un stade précoce. Plus tard, lors de la formation des verticilles floraux, on ne le localise plus que dans les pièces des verticilles à l origine des pièces fertiles. ð Dans les ébauches de pièces fertiles, le gène AGAMOUS s exprime et active la production d ARN MIR 172 qui, en retour, inhibe la production de la protéine AP2 à partir du gène APETALATA. ð Un processus similaire doit intervenir dans l inhibition par le gène APETALATA de la synthèse de la protéine AG. BCPST2 Lycée Poincaré Valérie Boutin 15 / 15