Notions d'espèce et de gènes du développement

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Génétique et évolution
Type : Pratique du raisonnement scientifique 2 | Année : 2016 | Académie : Polynésie française


Polynésie française • Juin 2016

pratique du raisonnement scientifique

Exercice 2 • 5 points

Notions d’espèce et de gènes du développement

Le tétra mexicain (Astyanax mexicanus) est un petit poisson d’eau douce d’environ 8 cm, originaire d’Amérique centrale. Certaines populations vivent dans des grottes (populations cavernicoles) et leurs individus sont caractérisés par l’absence d’yeux.

À partir des informations extraites des documents et de l’utilisation des connaissances, montrez que ces populations constituent une seule espèce et que l’absence des yeux est due à une modification de l’expression d’un gène du développement.

document 1 Croisements effectués entre les différentes populations de poissons Astyanax

Dans la région de la Sierra de El Albra, à environ 600 km au nord de Mexico, il existe 29 grottes dans lesquelles on a recensé des populations d’Astyanax cavernicoles aveugles et dépigmentés. On croise expérimentalement des individus provenant de populations d’Astyanax de surface et de deux grottes différentes (la grotte Molino et la grotte Tinaja). On obtient les résultats donnés ci-dessous.

Croisement 1

Croisement 2

Parents

Individu de la grotte Tinaja

×

Individu de la grotte Molino

Poisson de surface

×

Individu de la grotte Molino

svtT_1606_13_00C_01

svtT_1606_13_00C_02

svtT_1606_13_00C_03

svtT_1606_13_00C_04

Descendants

Alevins* viables

Adultes fertiles

Alevins* viables

Adultes fertiles

© DECA-CNRS UMR 9197 – Univ. Paris-Saclay

 

D’après neuro-psi.cnrs.fr

*Alevins : jeunes poissons.

document 2 Comparaison des stades de développement embryonnaire des poissons de surface et cavernicoles

a. Documents photographiques

Poisson de surface

Poisson cavernicole

Alevins de 1 jour*

svtT_1606_13_00C_05

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Alevins de 3 jours*

svtT_1606_13_00C_07

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Adultes de 3 mois*

svtT_1606_13_00C_09

svtT_1606_13_00C_10

 

Doc. Inaf-CNRS – Univ. Paris-Saclay

* Les différents stades de développement ne sont pas photographiés à la même échelle.

b. Représentation schématique du développement de l’œil chez les deux variétés de poisson (l’œil est vu en coupe)

svtT_1606_13_00C_11

D’après W. R. Jeffery, Curr. Top Dev. Biol., 2009

document 3 Comparaison de l’expression de gènes du développement chez des populations cavernicoles et de surface

Expérience 1

Chez de jeunes embryons de poisson, on repère, grâce à l’utilisation de sondes radioactives, les zones où les gènes du développement dlx3b, shh et pax2a s’expriment.

Chez tous les embryons, les gènes dlx3b et pax2a s’expriment dans des zones comparables.

Chez l’embryon de poisson cavernicole, le gène shh s’exprime dans une zone plus large que chez l’embryon de poisson de surface.

Expérience 2

On injecte dans l’œil d’alevins, issus d’une population de surface, des ARNm du gène shh. Ces ARNm sont traduits dans les cellules de l’œil et permettent la production de la protéine Sonic Hedgehog.

Après croissance, on obtient des individus présentés ci-dessous.

Individu ayant reçu une injection d’ARNm

Individu témoin

svtT_1606_13_00C_12

svtT_1606_13_00C_13

 

© DECA-CNRS UMR 9197 – Univ. Paris-Saclay

D’après Yamamoto et al., Nature, 2004

Les clés du sujet

Comprendre le sujet

Le sujet comporte deux questions distinctes. Le document 1 se rapporte à la première partie de la question alors que les documents 2 et 3 sont à considérer pour la deuxième partie.

Les documents 2 et 3 apportent beaucoup d’informations, et parfois même la conclusion que l’on peut tirer du schéma fourni (dans le document 2 par exemple : le poisson cavernicole présente un arrêt de la croissance accompagné d’une dégénérescence de l’œil).

La difficulté est de ne pas se limiter à une paraphrase des documents mais de faire une synthèse mettant en relief les idées essentielles. Le document 3 rapporte les résultats de deux expériences. Une exploitation judicieuse de ce document consiste à proposer une hypothèse à partir de l’expérience 1 puis de la tester à l’aide des résultats de l’expérience 2.

Insistez en conclusion sur le fait que la dégénérescence de l’œil chez les poissons cavernicoles n’est pas due à une mutation de la séquence codante d’un gène de développement, mais à une mutation d’une séquence régulatrice affectant l’expression d’un gène shh.

Mobiliser ses connaissances

La définition de l’espèce peut reposer sur des critères variés (critères phénotypiques, interfécondité, etc.). Des formes vivantes différentes peuvent résulter de variations dans la chronologie et l’intensité d’expression de gènes du développement plus que d’une différence génétique, c’est-à-dire localisée au niveau de la séquence codante du gène.

Corrigé

Corrigé

Des populations du poisson Astyamax mexicanus (ou tétra mexicain) vivant dans des conditions très différentes sont considérées comme appartenant à la même espèce. Quels sont les arguments qui confortent cette idée ?

Tétras de surface et tétras des grottes présentent une différence phénotypique importante : les cavernicoles ne possèdent pas d’yeux, contrairement aux poissons de surface. Quelle différence génétique est responsable de cette différence phénotypique ?

I. Une seule espèce de tétras

Le document 1 indique que le croisement de poissons vivant dans des grottes différentes donne naissance à des individus viables et fertiles. L’un des critères définissant l’espèce est que celle-ci est constituée d’un ensemble de populations dont les individus peuvent se reproduire et engendrer une descendance viable et fertile.

Les poissons des grottes de Molino et Tijana appartiennent donc à la même espèce.

De même, le croisement d’un poisson de surface avec un poisson de la grotte Molino engendre des descendants viables et fertiles. Les poissons de surface et ceux de la grotte Molino appartiennent donc également à la même espèce. Puisque les poissons de la grotte de Molino appartiennent à la fois à la même espèce que les poissons de surface et les populations de la grotte Tinaja, on peut conclure que les trois populations constituent une seule espèce.

Toutes les populations étudiées appartiennent donc bien à la même espèce.

II. Des différences dans le développement de l’œil entre poissons de surface et cavernicoles

Le document 2a permet de constater que, dès le stade à 1 jour, l’œil est moins développé chez le cavernicole que chez le poisson de surface. La différence est encore plus nette au bout de 3 jours. La différence de développement de l’œil s’accentue par la suite pour aboutir à un œil bien développé chez le poisson de surface et absent chez le poisson cavernicole.

Cette évolution différentielle se produit après l’éclosion, puisque le document 1 précise que l’alevin est un jeune poisson.

Le document 2b permet de préciser les conclusions précédentes. Il indique d’abord que le développement de l’œil est identique chez les deux populations durant les 20 premières heures qui suivent la fécondation, avec notamment la formation de la rétine et du cristallin.

Chez le poisson de surface, à partir de 24 heures, la croissance de l’œil est considérable, en particulier celle du cristallin (disque noir).

Chez le poisson cavernicole, la croissance, en particulier celle du cristallin, n’a pas lieu. Dès le troisième jour, le cristallin diminue de taille pour finalement dégénérer. Vers un mois, l’œil a presque complètement disparu.

Après un début de développement normal, chez l’embryon, l’œil du poisson cavernicole cesse de se développer après l’éclosion, puis dégénère progressivement.

III. Origine génétique des différences de développement de l’œil

Au cours du développement embryonnaire (document 3, expérience 1) le gène shh s’exprime, chez le poisson cavernicole comme chez le poisson de surface, en codant une protéine fonctionnelle. Mais son territoire d’expression est plus étendu chez le poisson cavernicole.

Pour les deux autres gènes (dlx3b et pax2a), il n’y a pas de différence dans les territoires où ils s’expriment chez les poissons de surface comme chez les poissons cavernicoles.

Ainsi, seul le gène shh présente une expression différentielle chez les deux formes de tétra. On peut donc faire l’hypothèse que cette différence est à lier à la différence de développement de l’œil chez les deux tétras.

L’expérience 2 du document 3 permet de tester cette hypothèse. En comparant l’évolution de l’œil d’un alevin de surface dans lequel on a injecté des molécules d’ARNm de shh avec celle de l’œil d’un poisson de surface témoin, on peut conclure que les ARNm injectés ont provoqué la dégénérescence de l’œil. La traduction des molécules d’ARNm injectées dans les cellules de l’œil a permis la production de la protéine shh qui, normalement, n’a pas lieu dans l’œil du poisson de surface (ou est beaucoup plus faible).

La protéine Sonic Hedgehog résultant de l’expression du gène shh provoque donc la dégénérescence de l’œil.


Chez le poisson cavernicole, l’extension du territoire d’expression de shh par rapport au poisson de surface a pour conséquence de faire produire la protéine Sonic Hedgehog dans l’œil d’alevin, ce qui entraîne sa dégénérescence.

L’absence d’yeux chez le tétra cavernicole n’est pas due à une mutation de la séquence codante d’un gène du développement. Elle est provoquée par un changement dans le mécanisme qui régule l’expression du gène shh. Ce changement, s’il entraîne une modification de la morphologie, ne conduit toutefois pas à faire des populations de tétra cavernicole une espèce différente.