Exercices 2.1 Exercice 1 : l’histoire d’une plante

Les séneçons sont des plantes appartenant à la famille des astéracées. - Senecio squalidus est un hybride issu de deux espèces siciliennes diploïdes (2n = 20) : Senecio aethnensis (Sa) et Senecio chrysanthemfolius (Sch). - Introduit en Grande-Bretagne, il s’est hybridé avec le séneçon commun local, espèce diploïde comportant 40 chromosomes, pour donner par alloplyploidie Senecio cambrensis (Sca) qui comporte 60 chromosomes. Reconstituez l’histoire de cette plante : expliquez, sous forme de schémas précisement annotés, la formation de Senecio cambresis. Vous définirez les termes employés dans vos annotations. Deux hypothèses peuvent être envisagées. (une seule est demandée)

Caryotypes, mécanismes

Hybridation : reproduction entre des individus appartenant à 2 espèces différentes (descendance le plus souvent stérile, mais chez les végétaux la reproduction asexuée permet à ces hybrides de se multiplier et de se maintenir) Polyploïdisation : multiplication accidentelle du nombre de lots de chromosomes (accident de mitose ou de méiose = non disjonction des chromosomes homologues) Allopolyploïdisation : conjugaison des effets d’une hybridation et d’une polyploïdisation.

(Les lots de chromosomes de 2 espèces s’ajoutent) Plus détaillé :

Hybridation (Non demandé dans l’exercice, que l’hybride soit stérile ne change rien à la suite)

Hybridation Les chromosomes, non homologues, ne peuvent s’apparier

Pourtant Senacio cambrensis est fertile. Que s’est-il passé ? On constate également que Senacio cambrensis possède 60 chromosomes donc deux lots de chromosomes issus de Senacio squalidus et deux lots de chromosomes issus de Senacio vulgaris.

Exercice 2 : Une expérience sur des bactéries.

On étudie les besoins en acides aminés (arginine et tryptophane) de 2 souches de bactéries mutantes *incuber : préparation placée pendant le temps nécessaire dans les conditions optimales de croissance des bactéries. *milieu minimal : sans aucun acide aminé. Choisissez LA ou LES propositions exactes. Les résultats de cette expérience nous apprennent que :

1 Les bactéries de l’expérience « mélange »ont trouvé les acides aminés dont elles ont besoin dans la gélose

2 Aucune mutation spontanée ne s’est produite dans les groupes témoins.

3 Un transfert de gènes s’est produit dans l’expérience « mélange »

4 Les souches [arg.+, tr-] ont acquis la capacité de synthétiser le tryptophane dans l’expérience « mélange »

Justifiez la (ou les) proposition(s) choisie(s).

Justification : 2) On n’observe aucune colonie dans la gélose au milieu minimum, les souches n’ont donc pas pu se développer, elles ne sont pas capables de synthétiser les AA arg. ou tr. 3/4) Les souches ont, chacune, acquis la capacité de synthétiser arg. ou tr lors de l’incubation dans le mélange, puisqu’elles développent des colonies sur milieu minimum, elles n’ont donc plus besoin d’un apport en ces AA. Dans le mélange, les bactéries ont pu échanger des gènes par conjugaison : il s’agit d’un transfert horizontal de gènes.

Exercice 2.2 (Polynésie 2014) (analyse, connaissances, déduction) Les épinoches à trois épines (Gasterosteus aculeatus) sont des poissons qui se présentent sous deux formes (épinoche marine et épinoche d'eau douce), selon le lieu où ils vivent. Leurs prédateurs varient selon les milieux de vie. À l'aide des documents ci-dessous et de vos connaissances, proposer une hypothèse pour expliquer le mécanisme à l'origine de la morphologie des épinoches d'eau douce. NB le cours n’étant pas finalisé sur la sélection aucune notion d’évolution n’était attendue (bonus)

Suite à la fonte de la calotte glaciaire qui recouvrait l’Amérique du nord, le Canada, des lacs se

sont mis en place et ont été peuplés par des épinoches issues des régions côtières. Aujourd’hui, on constate de nettes différences morphologiques entre les épinoches marines et les épinoches lacustres, en particulier les formes des eaux lacustres peu profondes.

On cherche à comprendre l’origine de cette différence morphologique et notamment celle de l’épinoche d’eau douce. Document 1 : Morphologie des épinoches en fonction de leur milieu de vie Je vois que les épinoches marines ont deux nageoires pelviennes épineuses bien développées alors que les lacustres ont des nageoires très réduites sans épines. Cette différence morphologique leur permet une bonne adaptation à leur milieu de vie (pression de prédation) Je sais que dans un environnement donné, ce sont les individus les mieux adaptés qui sont favorisés, ils survivent mieux, se reproduisent, transmettent leurs gènes dont la fréquence augmente dans les populations. On peut faire l’hypothèse qu’un événement (mutation ?) a provoqué la disparition des épines ventrales chez l’épinoche d’eau douce et ce caractère, favorisant la survie des épinoches a été conservé et s’est répandu dans la population. Les épinoches marines ont une nageoire pelvienne épineuse proéminente sur leur face ventrale, ce qui les protège des gros poissons. Les formes d'épinoche d'eau douce n'ont plus de nageoire pelvienne et sont ainsi moins vulnérables vis-à-vis des larves d'insectes prédatrices, qui ont plus de mal à s'accrocher. Différences morphologiques Différences environnementales

D’après Cresko et al.2004. Parallel genetic basis for repeated evolution of armor loss in Alaskan threespine stickleback populations. Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A. 101/6050-6055

Document 2 : Expression du gène PITX1 impliqué dans la mise en place de la nageoire pelvienne épineuse au cours du développement des épinoches

Les biologistes ont recherché les endroits de l'organisme où l'on peut détecter la présence d'ARNm du gène PITX1 au cours du développement. Ces territoires sont colorés en grisé par la méthode utilisée sur des embryons d'épinoche. Les flèches indiquent la zone d'expression du gène PITX1 observé sur la face ventrale des embryons d'épinoche.

D’après Genetic and developmental basis of evolutionary pelvic reduction in threespine sticklebacks Shapiro et colli. Nature 428, 717-723

Présence d’ARNm du gène PITX1 au niveau de la zone d’expression de ce gène

Je vois la présence d’une forte concentration d’ARNm du gène PITX1 au niveau de la zone d’expression de ce gène chez l’épinoche marine, mais pas chez l’épinoche d’eau douce Je sais que l’ARNm est le résultat de la transcription d’un gène. ARN qui sera traduit en protéines, responsables de la mise en place du caractère. Si le gène PITX1 est responsable de la mise en place de la nageoire pelvienne, c’est un gène homéotique (de développement) qui s’exprime de façon localisée (zone d’expression) pour construire la nageoire. J’en déduis que chez l’épinoche d’eau douce

- soit le gène est absent donc non transcrit, il ne s’exprime pas dans le territoire ventral, la nageoire ne se met pas en place.

- Soit il y a un problème de transcription.

Document 3 : Données moléculaires du gène PITX1 Document 3a : Comparaison des séquences du gène PITX1 impliqué dans le développement de la nageoire pelvienne épineuse chez les deux formes d'épinoches

La portion du gène étudié est représentative des résultats obtenus sur l'ensemble du gène. La première ligne correspond au gène de l'épinoche marine et la deuxième ligne au gène de l'épinoche d'eau douce. Chaque tiret indique une identité de nucléotide. Je vois que le gène existe bien chez les 2 formes et présente exactement la même séquence. J’en déduis que le problème ne vient pas de l’absence (ou de la mutation du gène) Document 3b : La régulation de l'expression du gène PITX1 Des segments d'ADN appelées séquences régulatrices présents à côté des gènes, contrôlent l'expression des gènes. Ces séquences de régulation jouent un rôle central dans l'évolution de la morphologie des animaux.

L'expression du gène PITX1 est activée lorsque des facteurs de transcription se lient à des sites de fixation de la séquence régulatrice PEL. Le complexe ainsi formé déclenche la transcription du gène PITX1 en un ARNm par l'enzyme polymérase.

D’après Pour La Science n°378 Janvier 2009 Je vois que la transcription du gène PITX1 est dépendante d’une séquence d’ADN adjacente (PEL) sur laquelle des facteurs de transcription se fixent pour assurer la formation des ARNm.

J’en déduis que c’est un problème de transcription qui explique l’absence de nageoire chez l’épinoche d’eau douce. On peut faire l’hypothèse qu’une absence ou une modification de la séquence régulatrice a entraîné une absence de transcription du gène PITX1, ainsi le gène ne s’exprime pas.

Document 4 : Expériences de transgénèse sur une épinoche lacustre Une séquence régulatrice du gène PITX1 a été identifiée en 2010 et a été appelée « pel ». Pour détecter si des changements dans cette séquence pouvaient être à l'origine du changement morphologique, les chercheurs ont réalisé une expérience de transgénèse. Ils ont injecté dans des œufs d'épinoche d'eau douce, une construction génique comprenant la région régulatrice « PEL » des épinoches marines et le gène PITX1 noté ([pel-PITX1]). Les résultats de cette transgénèse montrent chez l'épinoche d'eau douce une nageoire pelvienne épineuse. Je vois que le transfert d’une construction génétique [PITX1-PEL] permet la mise en place de la nageoire pelvienne chez l’épinoche d’eau douce. Cela confirme donc qu’il s’agit bien d’une anomalie de la séquence PEL qui empêche l’expression du gène PITX1 dans la zone ventrale de l’épinoche d’eau douce Mise en relation. La différence de morphologie des épinoches d’eau douce (absence de nageoire pelvienne épineuse) (doc1) peut être expliqué par un déficit d’expression du gène de développement responsable de la mise en place de cette nageoire (PITX1) Chez les épinoche d’eau douce l’abscence ou le dysfonctionnemnt de la séquence régultrice PEL (doc3/4) empêche la transcription du gène donc pas d’ARNm. L’absence d’ARNm dans la zone d’expression (ventrale) du gène (doc2) interdit la synthèse de la protéine necessaire à la mise en place de la nageoire. Ce caractère a été sélectionné dans le milieu de vie de l’épinoche d’eau douce puisque cette anomalie représente un avantage sélectif (empêche les larves d’insectes de parasiter les épinoches. Les sujets auxquels vous avez echappé…pour s’entraîner à la maison.