Gènes de développement et morphologie florale

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Génétique et évolution
Type : Pratique du raisonnement scientifique 2 | Année : 2013 | Académie : Amérique du Nord
 
Unit 1 - | Corpus Sujets - 1 Sujet
 
Gènes de développement et morphologie florale
 
 

Génétique et évolution

Corrigé

19

Ens. spécifique

svtT_1305_02_01C

 

Amérique du Nord • Mai 2013

pratique du raisonnement scientifique Exercice 2 • 5 points

Depuis les domestications des roses autour de la Méditerranée et en Chine il y a 5 000 ans, l’Homme a créé plus de 16 000 variétés de roses qui diffèrent entre elles et de leurs ancêtres sauvages notamment par leur nombre de pétales.

> À partir de l’exploitation des documents et de l’utilisation des connaissances, montrez que les différences de morphologie florale entre les roses résultent de différences d’expression des gènes de développement.

Document 1

Morphologie florale

a. Aspect des fleurs

 

Rosa gallica est l’une des espèces sauvages ressemblant aux ancêtres des roses cultivées

Variété cultivée 1

Variété cultivée 2

 

D’après Wikipedia Commons (Rosa gallica) et Dubois A. et al., « Tinkering with the C-function : a molecular frame for the selection of double flowers in cultivated roses », PLOS One, 2010.

b. Nombre d’organes floraux

Les histogrammes représentent les moyennes obtenues à partir de 5 fleurs.

Les barres noires représentent les intervalles de confiance.


 

D’après Dubois A. et al., 2010.

Document 2

Expression des gènes de développement floral et production des pièces florales

L’organisation florale est contrôlée par des gènes de développement répartis en 3 classes (A, B et C).


 

Vue schématique d’une fleur en développement (vue de dessus)

L’expression des gènes de classe A seuls aboutit au développement des sépales.

L’expression simultanée des gènes de classe A et B aboutit au développement des pétales.

L’expression simultanée des gènes de classe B et C aboutit au développement des étamines.

L’expression de gènes de classe C seuls aboutit au développement des carpelles.

Les gènes de classe A et C s’excluent mutuellement : par exemple, si la zone d’expression des gènes de classe C est réduite, alors celle des gènes de classe A s’élargit.

D’après « Le modèle ABC », Stéphanie Breuilhttp://acces.ens-lyon.fr

Document 3

Expression du gène de développement floral de classe C

On réalise des coupes de bourgeons de fleurs de Rosa gallica, de la variété cultivée 1 et de la variété cultivée 2, à un stade où les gènes de développement floral s’expriment.

Par une technique adaptée, on colore en foncé les zones dans lesquelles s’exprime le gène de développement de classe C (le gène de développement de classe A s’exprime donc dans la zone en clair). Observation faite au microscope photonique.

Coupe de bourgeon floral de Rosa gallica

 
Coupe de bourgeon floral de la variété cultivée 1

 
Coupe de bourgeon floral de la variété cultivée 2

 

D’après A. Dubois et al., 2010.

Comprendre le sujet

  • La seule connaissance nécessaire est la compréhension de ce que sont des gènes de développement ; ici des gènes qui s’expriment dans le bourgeon floral en déterminant l’identité des diverses pièces florales. Les documents fournissent les précisions nécessaires.
  • Il faut commencer par établir les différences dans la morphologie florale des roses « sauvages » et des deux variétés cultivées, afin de bien préciser ce qu’il faut expliquer.
  • Il faut bien voir que les différences morphologiques des fleurs de ces variétés ne sont pas dues à une perte de fonction de tel ou tel gène de développement car les fleurs des variétés 1 et 2 possèdent, comme les roses sauvages, les 4 types de pièces florales. Autrement dit, les protéines codées par les différents gènes sont fonctionnelles. Ce sont donc des différences dans l’expression des gènes, plus précisément de leur territoire d’expression dans le bourgeon floral, qui sont à l’origine des différences de morphologie florale.
  • À partir du modèle du document 2, appliqué aux roses, on peut faire des hypothèses sur les différences dans les territoires d’expression des gènes A et C chez les roses sauvages et les deux variétés et rendant compte des différences dans le nombre de pétales et d’étamines. Le document 3 permet d’établir que ces hypothèses explicatives sont corroborées par les données expérimentales.
  • Ce n’est pas la seule démarche possible. On pourrait faire l’analyse des données expérimentales du document 3 avant de faire des hypothèses puis ensuite exploiter les conclusions dégagées sur les différences de territoire d’expression des gènes A et C à l’aide du modèle. Cela débouche sur l’explication des différences morphologiques entre les fleurs des variétés. Mais, comme les illustrations du document 3 sont assez difficiles à analyser sans réflexion préalable, cette démarche est plus délicate que la précédente.

Mobiliser ses connaissances

L’organisation florale est contrôlée par des gènes du développement. S’agissant des gènes impliqués dans le développement, des formes vivantes différentes peuvent résulter de variations dans la chronologie, le lieu et l’intensité d’expression de ces gènes.

Corrigé

Il existe de multiples variétés de roses, dont plusieurs diffèrent essentiellement par le nombre de pétales.

La morphologie des fleurs est régie par des gènes de développement. On recherche la nature des différences dans l’expression de ces gènes à l’origine des différences morphologiques entre les variétés de roses.

I. Les différences entre les variétés de roses

  • La variété sauvage (document 1a) possède 5 pétales, de nombreuses étamines et de nombreux carpelles. On ne peut rien affirmer en ce qui concerne les sépales.

Les variétés 1 et 2 (document 1a) possèdent plus de 5 pétales.

  • Le document 1b permet d’affirmer que la variété 1 possède 10 pétales et plus de 125 étamines, alors que la variété 2 possède plus de 100 pétales et environ 60 étamines.
 

Attention

Les données proposées par le sujet ne fournissent pas d’indication sur le nombre de sépales, d’étamines et de carpelles de la variété sauvage.

L’augmentation considérable du nombre de pétales de la variété 2 par rapport à celui de la variété 1 s’accompagne d’une réduction du nombre d’étamines de la variété 2 par rapport à la variété 1 : cela suggère que, par rapport à la variété 1, des pétales ont remplacé des étamines durant le développement des fleurs de la variété 2.

II. Une hypothèse sur l’origine des variations morphologiques observées

  • Le document 2 indique que trois classes de gènes A, B et C contrôlent l’identité des pièces florales. Les fleurs des trois variétés possèdent tous les types de pièces florales. Cela signifie que tous les gènes sont fonctionnels dans les trois cas : il n’y a pas de perte de l’expression des gènes.

Une possibilité (hypothèse) est que les territoires d’expression des gènes diffèrent entre les trois variétés.

La formation de pétales a lieu dans un territoire où s’expriment conjointement les gènes de classe A et ceux de classe B. La formation des étamines se produit dans un territoire où s’expriment les gènes B et C.

Pour que le nombre de pétales augmente, il faut que le territoire d’expression des gènes de classe A augmente (schéma bilan). Cela ne peut se faire que s’il y a diminution du territoire d’expression des gènes de classe C.

 

Info

Il y a deux possibilités : c’est l’extension du territoire d’expression de A qui entraîne automatiquement la réduction du territoire où s’exprime C (A et C s’excluant mutuellement), ou c’est l’inverse. Ces deux possibilités entraînent le même résultat.

  • Les différences entre les variétés 1 et 2 s’expliquent alors si on considère que le territoire d’expression des gènes de classe C est plus réduit chez la variété 2 que chez la variété 1, et donc que le territoire d’expression des gènes de classe A est plus étendu chez cette variété 2.

La réduction du territoire d’expression des gènes de classe C entraîne une réduction du territoire où s’expriment conjointement les gènes de classe B et C, d’où la diminution du nombre des étamines chez la variété 2 par rapport à la variété 1.

Le bilan de cette hypothèse est que la réduction du territoire d’expression des gènes de classe C chez la variété 2 s’accompagne d’une extension du territoire des gènes de classe A et entraîne la différence de morphologie florale.

III. Le document 3 teste l’hypothèse précédente

  • Le domaine d’expression des gènes C dans la zone des étamines est important chez la variété 1 et très réduit chez la variété 2 ; ce qui confirme l’hypothèse (plus d’étamines chez la variété 1 : 125, que chez la variété 2 : 60).
  • De même, le territoire d’expression des gènes de classe A est considérablement plus étendu chez la variété 2 que chez la forme sauvage, ce qui explique le nombre très élevé de pétales chez la variété 2 par rapport à la variété sauvage.

Bilan

Ce sont des différences dans l’importance relative des territoires d’expression des gènes de classe A et C qui entraînent les variations de la morphologie florale des variétés de roses, comme l’indique le schéma bilan de la page suivante.


 

Schéma bilan

Gènes de développement et morphologie florale : territoires d’expression des gènes de classe A et de classe C chez les trois variétés de roses