Introduction de l’activité :
Qui n’a pas rêvé de pouvoir consommer tranquillement son raisin sans être gêné en croquant un des pépins ?
Ce rêve a été réalisé avec la création de variétés de raisins apyrènes, c’est-à-dire sans pépin. Ce raisin provient de sélections et de croisements entre différentes variétés, visant à réduire les pépins à un point tel qu’ils deviennent quasiment imperceptibles. Un exemple concret de ce processus est la variété Danuta, élaborée par l’INRA (Institut national de recherche agronomique, maintenant INRAE) dans les années 2000 grâce au croisement du raisin de Corinthe (caractérisé par de petits grains et des pépins très réduits) avec le dattier de Beyrouth.
©Glane23 (CC BY-SA 3.0)
Document 1 : Une première méthode de sélection artificielle : l’empirisme
Derrière la céréale « blé », se cache une vingtaine d’espèces ou sous-espèces différentes appartenant au genre Triticum. Les ancêtres sauvages du blé, comme l’égilope, ont intéressé les populations humaines depuis très longtemps. La domestication du blé remonte quant à elle à environ 10 000 ans, avec le début de l’agriculture.
Les humains ont, volontairement ou non, choisi des caractères phénotypiques qui leur étaient avantageux. Jusqu’au XIXe siècle, cette méthode était employée par tous les agriculteurs afin d’influencer l’évolution des espèces cultivées, c’est ce qu’on appelle l’empirisme.
Les histogrammes ci-dessous illustrent un exemple de sélection empirique de grains de blé durant laquelle l’agriculteur cherche à obtenir des graines plus lourdes chaque année.
Document 2 : L’hybridation comme moteur de diversité phénotypique
a. Portraits de famille du blé
b. Le mécanisme d’hybridation
La plupart des plantes et des animaux possèdent deux jeux de chromosomes dans leurs cellules, ce sont des individus diploïdes. Dans certaines conditions, ce nombre de jeux de chromosomes peut augmenter en intégrant des génomes supplémentaires lors de croisements entre espèces, c’est la polyploïdie. En effet, bien que les croisements entre espèces différentes soient rares chez les animaux, les plantes présentent une plus grande tolérance à ce processus. La polyploïdie joue un rôle essentiel dans l’évolution des plantes, contribuant à la diversification et à la création de variabilité génétique. La plupart des plantes cultivées sont d’ailleurs des polyploïdes, comme le colza, le blé, la pomme de terre, le tabac, pour n’en citer que quelques-unes.
c. De l’hybridation à la spéciation
Par définition, un individu ne peut pas se reproduire avec un individu d’une autre espèce (la descendance sera alors stérile). Comme le montre le schéma ci-dessous : si 2 gamètes haploïdes fusionnent au cours de la fécondation, les chromosomes seront toujours en 1 seul exemplaire. Alors si cet être vivant survit, il sera forcément stérile car la fécondation sera impossible : la cellule est déjà haploïde !
Cependant, chez les plantes, l’hybridation est possible. Voici deux scénarios possibles :
- La méiose peut dysfonctionner, produisant non pas 4 cellules haploïdes attendues, mais des cellules diploïdes. Ce phénomène résulte d’une mauvaise séparation des chromosomes, lesquels sont mal répartis lors des divisions cellulaires. Dans ce cas, la fécondation avec de tels gamètes donnera naissance à une cellule-œuf tétraploïde. Il semble que ce mécanisme ait joué un rôle dans l’évolution des variétés de blé.
- L’autre possibilité est la formation d’un organisme tétraploïde stérile. Cependant, les végétaux ont la capacité de se reproduire de manière asexuée. Au fil du temps, l’un de ces organismes peut acquérir, par le biais d’une mutation, un doublement de son lot de chromosomes. Cela marque la naissance d’une nouvelle espèce, un processus clé dans leur évolution.
Dans de vastes zones où différentes espèces de blé cohabitent, il est possible que des hybridations se produisent. Les hybrides de première génération issus de ces croisements sont stériles. Mais, au fil des générations, on aperçoit l’apparition d’hybrides fertiles dans la population. Ceci est le résultat de la polyploïdisation, un processus qui se produit de manière aléatoire. Ces hybrides fertiles ne peuvent plus se reproduire avec leurs parents, en raison de leur polyploïdie, créant ainsi un isolement reproducteur malgré leur cohabitation. En conséquence, une spéciation survient en quelques générations !
Document 3 : Et si les humains donnaient un coup de main au hasard de la génétique ?
La découverte du support et des mécanismes de l’expression génétique, au siècle dernier, a ouvert la voie à une plus grande maîtrise des croisements en vue de générer de nouvelles variétés de plantes cultivées. On parle d’hybridation dirigée.
Des agronomes disposent de deux variétés de tomates :
la tomate cœur de bœuf : gros fruits riches en sucres mais sensible à une maladie (le virus de la mosaïque) provoquant une décoloration des feuilles et affaiblissant largement la plante ;
la tomate ronde : petits fruits et résistante au virus de la mosaïque.
Il est demandé aux agronomes de générer une nouvelle variété de tomates capables de donner de gros fruits sucrés et d’être résistante au virus de la mosaïque. Ce virus provoque des dégâts sérieux comme un ralentissement de la croissance de la plante, des anomalies de coloration sur les feuilles, des marbrures ou encore la chute de fleurs.
a. La sélection généalogique
L’hybridation classique implique le croisement d’individus identifiés comme étant de lignée pure et présentant des caractères intéressants. Ce processus implique des pollinisations manuelles :
1. la lignée parentale choisie comme femelle, appelée le « porte–graine », doit être castrée par ablation des anthères de la fleur (de l’épi dans le cas du blé) ;
2. le pollen de la variété choisie mâle est appliqué à l’aide d’un pinceau sur le stigmate de la variété femelle. Il est important que les périodes de floraison des deux variétés soient synchronisées pour que cela fonctionne correctement.
Ensuite, les graines issues de ce croisement sont récoltées pour donner naissance à des plantes de la génération F1. Toutes les plantes F1 sont semblables, et réunissent les deux génomes des parents et ne peuvent faire l’objet d’une sélection. Les graines issues de la génération F2, produites par autofécondation des plantes de la génération F1, vont recombiner de façon diverses les caractères hérités des parents.
C’est dans la génération F2 que la diversité éclate offrant une large palette de phénotypes. Parmi cette diversité, des phénotypes présentant les caractères souhaités des parents initiaux sont sélectionnés.
En utilisant l’autofécondation, on obtient des générations successives dans lesquelles seront sélectionnées, à chaque fois, les plantes de phénotype recherché. Cette méthode de sélection généalogique permet d’aboutir à une variété de lignée pure avec les caractères recherchés en environ 10 ans. Elle a permis de créer les principales variétés de blé commercialisées et continue d’être largement employée.
b. Réalisation des croisements nécessaires
Pour la réalisation du croisement, les agronomes suivent les conventions d’écriture suivantes :
Soit 2 gènes indépendants responsables des caractères étudiés :
le gène F, impliqué dans la détermination de la taille du fruit, possède deux allèles F pour la version gros fruit et deux allèle f (dominant) pour la version petit fruit ;
le gène R, impliqué dans la résistance au virus de la mosaïque, possède deux allèles R (dominant) pour la version résistante et deux allèle r pour la version sensible.
On estime que les deux souches de tomates (A pour la tomate cœur de bœuf et B pour la tomate ronde) étudiées dans cette région sont de lignées pures.
Rappel
Rappel des conventions de réalisation d’un croisement génétique
Document 4 : Les biotechnologies à l’origine de la création de nouvelles variétés
a. La modification des génomes : la technique de transgénèse
Le maïs est sensible à la chenille d’un papillon : la pyrale du maïs.
Après leur éclosion, les larves de cet insecte, se présentant sous forme de chenilles, se nourrissent de la moelle des tiges, ce qui peut provoquer la fragilité et la cassure de ces dernières. De nombreuses plantations sont victimes de ce ravageur capable de détruire toute une récolte.
Cependant, la bactérie Bacillus Thuringiensis est capable de produire une protéine toxique contre l’insecte, un véritable insecticide. Cette protéine dépend du gène Bt qui intéresse fortement les chercheurs qui aimeraient rendre le maïs capable de produire lui-même cette protéine Bt. En effet, si une hybridation n’est évidemment pas possible entre le maïs et la bactérie, le fait que l’ADN soit une molécule universelle rend possible le transfert de ce gène de la bactérie vers le maïs, ce qui aurait pour effet de modifier génétiquement le maïs. On parle d’OGM : organisme génétiquement modifié.
b. La génétique de précision : l’édition génomique
Depuis les années 2000, de nouvelles techniques de génie génétique ont émergé, visant à modifier directement la plante de manière ciblée en modulant l’expression d’un gène préexistant ou en implantant un gène d’intérêt. Ces techniques sont regroupées sous le terme « NBT » pour « new breeding techniques » (nouvelles techniques de sélection des plantes). Contrairement à la transgénèse, il n’y a pas nécessairement d’ajout d’un gène complet issu d’autres espèces.
Les glycoalcaloïdes sont des composés contenant de l’azote. Ils sont naturellement présents dans certaines plantes dont celles de la famille des solanacées telles que la pomme de terre et la tomate. À haute concentration, ils peuvent être toxiques pour les êtres humains. L’objectif est donc d’éditer de nouvelles variétés de pommes de terre moins riches en glycoalcaloïdes.
Remarque : États des lieux et réglementation sur les OGM
Le fait de modifier génétiquement un organisme vivant n’est pas neutre. Ainsi, le débat existe toujours sur l’autorisation de la diffusion de cette technique. Même si de nombreux OGM sont autorisés en importation, la culture de ces OGM est interdite en France depuis 2008.
En Europe, seul le maïs MON 810 (maïs produisant la protéine Bt) est autorisé à la culture commerciale. De nombreux pays, dont la France, ont interdit cette culture sur leur territoire.
En revanche, de nombreux OGM sont autorisés à l’importation en Europe. En 2021, 78 variétés végétales peuvent entrer en Europe. Elles sont essentiellement destinées à l’alimentation du bétail.
Source : Les organismes génétiquement modifiés (OGM), ministère de la Transition écologique et de la cohésion des territoires, ministère de la transition écologique
Document 5 : Débats autour des nouvelles techniques de modifications génétiques
Le nombre important de réglementations encadrant les OGM reflète le débat en cours entre les partisans et les opposants de ces techniques.
Peu d’études confirment ou infirment l’innocuité ou le danger de ces techniques. Le principe de précaution, inscrit dans la loi, est donc souvent invoqué.
Avantages à l’utilisation d’OGM |
Inconvénients à l’utilisation d’OGM |
Permet de rendre des plantes résistantes à des herbicides facilitant le désherbage par épandage d’herbicides. Seule la plante modifiée résistera. |
Utilisation plus importante d’herbicides car la plante cultivée est résistante.
Apparition de plantes adventices (mauvaises herbes) résistantes à l’herbicide par sélection naturelle
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Permet de rendre des plantes résistantes à des insectes ravageurs comme la pyrale du maïs ou les doryphores. |
Innocuité de la molécule non démontrée.
Risque de pollution génétique de l’environnement par dissémination des gènes modifiés dans l’environnement ou par hybridation.
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Permet de rendre les plantes plus résistantes à la sécheresse. |
Innocuité non démontrée.
Risque de pollution génétique.
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Permet de rendre des plantes résistantes à une plus grande teneur en sel du sol dans des zones où la montée de la mer menacerait des terres. |
Innocuité non démontrée.
Risque de pollution génétique.
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Après avoir fait une recherche sur internet pour définir ce qu’est l’empirisme, expliquez à l’aide du document 1 comment cette technique a-t-elle été utilisée dans l’amélioration de certaines caractéristiques recherchées chez les plantes. Ce type de sélection est-il reproductible indéfiniment ?
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