Objectif : l'action de l'homme sur le génome des plantes cultivées et sur la biodiversité - observation, B2I Observation : l'utilisation des plantes par l'homme est une très longue histoire, qui va des pratiques empiriques les plus anciennes à la mise en œuvre des technologies les plus modernes. Problème : comment domestiquer une plante afin d'augmenter les ressources pour l'humanité? Matériel : blouse, livre p. 246, Rastop, TS-tp-p2B-20-glu amylose.pdb, TS-tp-p2B-20-glu amylopectine.pdb, GéniGen, TS-tp-p2B-20-waxy.edi. Capacités et attitudes Activités expérimentales Compétences Partie 1 : Des méthodes empiriques Extraire des informations Réaliser un tableau Extraire des informations Mettre en relation Réaliser une manipulation Utiliser un logiciel de données 1 - La domestication Tâche complexe : à partir de l'exemple du mais, compléter le tableau p2 et expliquer ce qu'est la domestication (utiliser les documents p. 246 et 247, p. 2 à 4 du tp et site AFD). 2 - La sélection et l'hybridation Exo 4 p. 248 définir la sélection. Exo 5 p. 252 (utiliser les p. 250 à 253), définir ce qu'est un hybride. 3 - Application sur le riz Réaliser une ECE p. 6 et 7. Comparer une plante cultivée et son ancêtre naturel supposé. Recenser, extraire et exploiter des informations afin de comprendre les caractéristiques de la modification génétique d'une plante. Bilan Réaliser une synthèse Expliquer l'origine des maïs actuels. Rédaction d un compte-rendu sur feuille double faisant apparaître la démarche expérimentale. 1
1 - Domestication Éléments comparés Plante Épis femelles Glumes Grains par paire ou simple Nombre de rangées de grains Maïs Téosinte L'origine du maïs dans l'espace et le temps. Au début du XXe siècle, un botaniste, le Russe Nicolaï Vavilov, parcourt le monde à la recherche de plantes cultivables utiles. Au cours de ses voyages, il établit que la zone d'origine d'une plante est probablement celle où poussent le plus grand nombre de variétés de celle-ci. En suivant ce raisonnement, il situe en particulier l'origine du maïs en Mésoamérique (du Mexique au Costa-Rica). Après Vavilov, plusieurs botanistes américains émettent l'hypothèse que son ancêtre sauvage est la Téosinte, une plante fourragère qui pousse notamment au Mexique et au Guatemala. Des découvertes archéologiques : Dolores Piperno, de la Smithsonian Institution, et Kent Flannery, de l'université du Michigan, ont daté de 4250 avant notre ère environ trois spécimens de maïs très primitifs trouvés à Guila Naquitz, un abri sous roche de la vallée d'oaxaca au Mexique. Le rachis rigide de ces trois spécimens prouve qu'ils appartiennent à une espèce qui dépend de l'homme pour sa survie. La domestication de la Téosinte était donc déjà bien avancée il y a plus de 6 000 ans. Classification Le genre Zea comprend cinq espèces - Le maïs cultivé : Zea mays et des sous espèces Zm mays, Zm parviglumis, Zm mexicana, Zm huehuetenangensis - Les téosintes : Zea luxurians, Zea nicaraguensis, Zea diploperennis, Zea perennis Génétique Toutes les espèces et sous-espèces du genre Zea ont le même nombre de chromosomes (2n=20) sauf Zea perennis (tétraploïde 4n=40). Presque toutes les espèces de Téosinte sont hybridables avec le maïs. Les Tripsacum originaires d'amérique peuvent former des hybrides le plus souvent stériles avec Zea. 2
Le maïs. Masse des grains : 10 grains de maïs = 2,7 g 10 grains de Téosinte = 0,6 g Les grains de Téosinte sont entourés d une cupule = glumes soudées. Les grains de maïs possèdent des glumes réduites 3
Le maïs : architecture de la plante, des inflorescences et de ses grains. Architecture des plants Architecture des inflorescences femelles Architecture des inflorescences mâles Inflorescence mâle (panicule) Soies ou styles Glume Rafle Glumelle Étamine Inflorescence femelle (spadice) Bractées ou spathes Coupes transversales des épis femelles Coupes longitudinales des grains (caryopses) Comportement des grains à maturité La rafle Rachis Albumen Péricarpe Les grains de maïs ne se détachent pas spontanément de la rafle. Cette opération est réalisée au moment de la récolte par les agriculteurs. Paire de grains Embryon Longueur = 0.8 cm Masse = 0.27 g Nombre de grains par épi = 500 Réserves de l albumen : amidon 4
La Téosinte : architecture de la plante, des inflorescences et de ses grains. Architecture des plants Architecture des inflorescences femelles Architecture des inflorescences mâles Inflorescence mâle styles Inflorescence femelle Glume Glumelle Étamine grains Glumes soudées Coupes transversales des épis femelles Coupes longitudinales des grains (caryopses) Comportement des grains à maturité Grains Rachis Glumes soudées Endosperme embryon Il n y a pratiquement pas de rachis : les grains sont soudés les uns aux autres ; à maturité l épi se désarticule et les grains tombent sur le sol. Longueur = 0.4 cm Masse = 0.06 g Nombre de grains par épi = 8 à 10 Réserves de l albumen : amidon 5
3 - Application Fiche sujet candidat (1/2) Mise en situation et recherche à mener Le riz est une céréale riche en amidon dont la domestication a débuté il y a 8000 à 10000 ans en Inde et en Chine. Il existe plus de 150 000 variétés de riz, cette variabilité repose sur une diversité allélique (forme de grain, couleur, gluant ou pas après cuisson, le type d amidon). Ainsi, plus l amidon est riche en amylopectine et pauvre en amylose, plus il sera gluant. On cherche à déterminer si la sélection d un riz gluant par l Homme repose sur une mutation conduisant à des grains de riz dont l amidon est pauvre en amylose. Ressources Les amidons Schéma simplifié de la synthèse de l amylose et de Les amidons sont de très longues répétitions de molécules de glucose. Il existe deux types l amylopectine d amidon : l amylose et l amylopectine : - l amylose se colore en bleu violacé lors d un test à l eau iodée. Sa synthèse fait intervenir une enzyme (l'amidon synthétase) liée aux granules d amidon contenus dans les cellules des grains de riz. Cette enzyme est codée par le gène Waxy. - l amylopectine se colore en rose clair à rose violacé lors d un test à l eau iodée. Sa synthèse fait intervenir différentes amidon synthétases solubles codées par les gènes SS-I à IV. Les amidons en suspension dans l eau et cuits présentent des propriétés différentes (viscosité, etc.) suivant les proportions d amylose et d amylopectine. Étape 1 : Concevoir une stratégie pour résoudre une situation problème (durée recommandée : 10 minutes) Proposer une stratégie de résolution réaliste, permettant de déterminer si la sélection d un riz gluant par l Homme repose sur une mutation conduisant à des grains de riz dont l amidon est pauvre en amylose, en étudiant le génome et la composition des grains de riz Appeler l examinateur pour présenter oralement votre proposition et obtenir la suite du sujet. 6
Fiche sujet candidat (2/2) Étape 2 : Mettre en œuvre un protocole de résolution pour obtenir des résultats exploitables Mettre en œuvre le protocole d étude de la composition et du génome des grains de riz afin de déterminer si la sélection d un riz gluant par l Homme repose sur une mutation conduisant à des grains de riz dont l amidon est pauvre en amylose. Appeler l examinateur pour vérifier le résultat et éventuellement obtenir une aide. Étape 3 : Présenter les résultats pour les communiquer Sous la forme de votre choix, présenter et traiter les données brutes pour qu'elles apportent les informations nécessaires à la résolution du problème. Appeler l'examinateur pour vérification de votre production. Étape 4 : Exploiter les résultats obtenus pour répondre au problème Exploiter les résultats pour déterminer si la sélection d un riz gluant par l Homme repose sur une mutation conduisant à des grains de riz dont l amidon est pauvre en amylose. Répondre sur la fiche-réponse candidat. Fiche-protocole - candidat Matériel disponible et protocole d'utilisation du matériel Matériel : Rastop + FT L15 TS-tp-p2B-10-seq glu amylose.pdb TS-tp-p2B-10-seq glu amylopectine.pdb - Grains de riz - Béchers + agitateurs de verre - Éprouvette graduée de 100 ml - Plaques chauffantes + pince - Entonnoirs avec support + filtre - Balance - 1 plaque de coloration + Lugol (= eau iodée) GéniGen + FT L06 TS-tp-p2B-20-waxy.edi Afin de déterminer si la sélection d un riz gluant par l Homme repose sur une mutation conduisant à des grains de riz dont l amidon est pauvre en amylose : Afin de montrer les différences - comparer l'amylose et l'amylopectine avec Rastop (afficher les molécules en boules et bâtonnets et les présenter cote à cote). Appeler l examinateur pour vérifier les résultats Afin de montrer les différences - évaluer la composition en amidon des grains de riz. - cuire 2g de grains de riz dans 100 ml d eau portée à ébullition pendant 5 min en remuant de temps en temps. - laisser refroidir 5 minutes. - filtrer l eau de cuisson. - tester à l'eau iodée. Appeler l examinateur pour vérifier les résultats Afin de comprendre les différences entre deux grains - comparer les séquences des gènes waxy Appeler l examinateur pour vérifier les résultats 7