A-1-1 Reproduction sexuée et diversité génétique : De Mendel à Morgan
Introduction :
De nombreux scientifiques (et notamment Mendel et Morgan) ont étudié attentivement les résultats de divers croisements entre parents de phénotypes distincts afin de comprendre les mécanismes de transmission et de brassage (« mélange ») des caractères lors de la reproduction sexuée.
Problème : Comment la reproduction sexuée favorise-t-elle la diversité génétique des descendants ?
Objectifs :
- Comprendre la chronologie des découvertes en génétique
- Savoir réaliser une analyse génétique de différents croisements
- Utiliser les conventions d’écriture génétique
- Identifier et comprendre les différents brassages qui ont lieu
I- Mendel et les lois de l’hérédité
Le travail de Mendel
Johann Gregor Mendel est un moine botaniste qui réalise de nombreux croisements entre plantes qui diffèrent par un caractère (monohybridisme) ou deux caractères (dihybridisme) gtet étudie la descendance sur 2 ou 3 générations successives. Il choisit le pois comme modèle.
Pour ses croisements, il utilise souvent des individus dont le génotype est connu et stable : ils sont dits de lignée pure : croisés entre eux, les individus d’une même lignée donnent des descendants présentant de façon constante les mêmes caractéristiques phénotypiques.
En 1866, date à laquelle Mendel publie son mémoire intitulé Recherches sur les hybrides végétaux, la reproduction des plantes est mal connue. On ignore tout de la mitose et la méiose, les chromosomes, l’ADN et les gènes sont inconnus. En ce qui concerne la transmission des caractères entre générations, la théorie admise à l’époque est « l’hérédité par mélange » : les caractères d’un descendant seraient intermédiaires entre ceux des parents.
Doc. 1 : Deux expériences faites par Mendel (+ Visionner la video: L’hérédité)
Doc.2 : Les déductions de Mendel
A partir de l’analyse des résultats, Mendel réfute la théorie de l’hérédité par, mélange qui était en vogue à l’époque. En effet, les hybrides ne sont pas le résultat d’un mélange des caractères de leurs parents, Mendel formule différentes Iois qui portent son nom :
- Les hybrides (F1) présentent une seule forme du caractère étudié, c’est la loi d’uniformitê des hybrides
- L’autre forme du caractère réapparaît en génération F2 : il était donc masqué dans les générations F1. Le caractère masqué en F1 se qualifie de récessif ; le caractère visible en F 1 se qualifie de dominant.
- Chacune des deux formes du caractère (lisse ou ridé)se détermine par un facteur reçu des parents. Chaque hybride ne reçoit par les gamètes de chacun de ses parents qu’un seul facteur : c’est la loi de pureté des gamètes
A l’aide des connaissances modernes de génétique, expliquer sous forme de schémas les interprétations d’un croisement (monohybridisme) réalisé par Mendel et écrire, selon les conventions, les phénotypes et les génotypes des différents pois de cette expérience.
Aide à la résolution :
- Choisir une des deux expériences du doc 1 puis déterminer l’allèle dominant et l’allèle récessif (en observant les phénotypes présents dans la génération F1). Leur donner un « code ».
- Écrirele phénotype et le génotype des deux parents P1 et P2 à l’aide de la fiche des conventions d’écriture génétique.
Remarque : Il est impossible d’écrire le génotype entier d’une cellule ou d’un organisme. On se limite donc toujours aux quelques gènes étudiés au cours d’un croisement.
Pour vous aider, schématiser les cellules de P1 et P2 avec leurs chromosomes et allèles dans le schéma bilan p 4. Attention :les cellules sont diploïdes !
- Déterminer le génotype de la génération F1. Pour cela il est nécessaire de connaître le génotype des gamètes produits par les parents P1 et P2 puis d’estimer les différentes possibilités de fécondation.
- Déterminer le génotype des gamètes de F1. Pour cela, compléterle schéma de la méiose ci-dessous, écrire le génotype des gamètes produits dans le schéma bilan.
Schéma de la méiose d’une cellule germinale de pois de génération F1
- Compléter ensuite l’échiquier de croisement (= tableau de fécondation) afin de représenter les différentes possibilités de fécondation puis en déduire les différents génotypes et phénotypes possibles pour la génération F2 et leurs probabilités d’apparition.
- Confrontez les effectifs obtenus en F2 pour les différents phénotypes par Mendel avec vos résultats théoriques.
Schéma bilan 1 : Interprétation moderne d’un croisement (monohybridisme) de pois
II- Les brassages génétiques étudiés par Morgan
Sutton
En 1902 Sutton établit la théorie chromosomique de l’hérédité: « Les gènes mendéliens s’organisent en série linéaire le long du chromosome et ce sont les chromosomes qui subissent la ségrégation et l’assortiment indépendant durant la méiose ». Mais le scepticisme persiste encore malgré tout quant à la validité des lois de Mendel sur la ségrégation et l’assortiment indépendant des caractères.
Le travail de Morgan
Dans les années 1910, Morgan va entreprend des études de croisements qui vont valider les lois de Mendel mais aussi mettre en évidence que tous les gènes ne sont pas forcément indépendants et qu’il existe une hérédité liée au sexe (voir TP de l’activité 3). Il réalisera une cartographie des gènes sur les chromosomes de la drosophile.
L’intérêt des Drosophiles
Pour réaliser ses croisements, Morgan étudie une espèce en particulier :la drosophile ou mouche du vinaigre (Drosphila melanogaster), Ces espèces dites « modèles génétiques » ont toutes la particularité d’être faciles à manipuler en laboratoire grâce à un élevage simple d’un grand nombre d’individus relativement petits dont le cycle de vie et le temps de génération sont relativement courts :
– une petite taille 3 à 4 mm : un petit flacon peut contenir des centaines de mouches.
– un élevage facile : Elles se nourrissent de levures. Une femelle pond en moyenne 1000 à 1500 œufs au cours de sa vie.
– un cycle de développement court, une dizaine de jours : Les femelles adultes (imago) peuvent être fécondées dès la 8ème heure après leur émergence, la ponte commence dès le 2ème jour de vie adulte et l’éclosion a lieu 22h après à 25°C. La phase larvaire et pupale (pupe = stade de métamorphose) dure 8 jours. L’imago émerge de la pupe vers le 10ème jour du cycle (et vit environ 50 jours à 25°C). Ceci permet d’observer plus de 30 générations en 1 an !
– un dimorphisme sexuel et des caractères morphologiques tranchés (couleur du corps, forme des ailes, etc.) : La distinction commode du mâle et de la femelle facilite les croisements et les caractères faciles à identifier permettent un tri rapide des individus sous une lampe.
– un petit nombre de chromosomes permettant de les cartographier et les séquencer facilement (13000 gènes). Formule chromosomique : 2n = 8
Carte génétique partielle de la drosophile
Chaque gène possède un allèle dit « sauvage» à l’origine de l’expression du phénotype « sauvage» qui est le plus présent dans les populations de drosophiles.
Exemple de croisement :
Voici un exemple de croisements réalisés par Morgan portant sur la transmission de deux caractères (dihybridisme) : la longueur des ailes et la couleur du corps.
Les drosophiles de souche pure sauvage à ailes longues et corps gris-jaune (P1) sont croisées avec des drosophiles doubles mutantes de souche pure à ailes vestigiales et corps ébène (P2).
Les descendants issus de ce croisement constituent la génération F1. Ils sont tous avec des ailes longues et un corps gris-jaune.
Il réalise un deuxième croisement en « mariant » des mouches F1 avec un mâle de lignée pure au phénotype récessif pour les deux caractères (P2). Ce croisement s’appelle test-cross ou croisement test. C’est une méthode d’analyse génétique qui révèlent exactement les types et les proportions de gamètes produits par l’individu testé (ici F1). Il permet d’identifier les allèles présents dans ses gamètes (et donc son génotype) en observant les phénotypes des descendants qui constituent la génération F2. En effet, le spermatozoïde ne va apporter aux descendants que des allèles récessifs. Ils ne s’exprimeront pas si l’ovule possède un allèle dominant.
A l’aide de vos connaissances en génétique, déterminer et expliquer sous forme de schémas les résultats de ces croisements réalisés par Morgan. Ecrire, selon les conventions, les phénotypes et les génotypes des différentes drosophiles de cette expérience.
Aide à la résolution :
- A l’aide de la carte génétique, indiquer quels gènes sont impliqués dans l’expression de ces caractères. Puis indiquer les allèles des gènes et sur quels chromosomes ils se trouvent.
- Déterminer l’allèle dominant et l’allèle récessif. Argumenter.
- Écrire alorsle phénotype et le génotype des deux parents P1 et P2. Écrire le phénotype et le génotype de P1 et de P2 et de leurs gamètes. Puis schématiser ces cellules avec leurs chromosomes dans le schéma bilan au verso. (Faire un schéma de méiose au brouillon si nécessaire).
- Déterminer le génotype de la génération F1 (Estimer les différentes possibilités de fécondation des gamètes de P1 et P2. Faire un échiquier de croisement au brouillon si nécessaire).
- Déterminer le génotype des gamètes de F1. Pour cela, compléterle schéma de la méiose ci-dessous, écrire le génotype des gamètes produits dans le schéma bilan.
Schéma de la méiose d’une cellule germinale de la drosophile F1
- Compléter ensuite l’échiquier de croisement (= tableau de fécondation) afin de représenter les différentes possibilités de fécondation. Puis en déduire les différents génotypes et phénotypes possibles pour la génération F2 et leurs probabilités d’apparition.
(Ces résultats théoriques seront confrontés aux résultats réels de ce croisement lors du prochain TP)
Schéma bilan 2 : Interprétation moderne d’un croisement (dihybrisme) de drosophiles
Résultats expérimentaux :
F1
100% ailes longues et corps gris-jaune
F2 :
Lot 1 : ailes longues et corps gris-jaune : 252
Lot 2 : ailes vestigiales et corps ébène : 255
Lot 3 : ailes vestigiales et corps gris-jaune : 251
Lot 4 : ailes longues et corps ébène : 254
TOTAL : 1012
Passer à la suite : TP-TD2
Pour approfondir :
1- un petit podcast sur la drosophile : Lien
2- une vidéo d’une ECE :