Exercices Mécanismes de diversification des êtres vivants

Définissez le transfert horizontal de gènes.

Qu’est-ce que la théorie endosymbiotique et que permet-elle d’expliquer chez les animaux et les plantes ?

Le genre Triticum regroupe plusieurs plantes, et notamment le blé.
Voici un tableau résumant l’origine des espèces de blé cultivées. Entre parenthèses sont notés les nombres totaux de chromosomes pour chaque espèce.

$$\begin{array}{cccc} Triticum\ monococcum\ (14)\ \ \ Triticum\ speltoides\ (14)&\\ \underbrace{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }&\\ Triticum\ turgidum&\\ \downarrow&\\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ Triticum\ turgidum \ \ \ \ \ \ \ Triticum\ tauschii\ (14)\\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \underbrace{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }\\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ Triticum\ aestivum \end{array} $$

Indiquez le nombre total de chromosomes du Triticum turgidum et de Triticum aestivum.

Expliquez la différence entre un transfert horizontal et un transfert vertical.

Introduction de l’activité :

Les expériences de Griffith, Avery, McLeod et McCarty ont montré qu’il existe un « principe transformant » permettant aux bactéries d’acquérir des propriétés virulentes. Ce principe transformant, c’est l’ADN, et ce sont des transferts de gènes qui donnent de nouvelles capacités aux bactéries.

Document 1 : Expériences de Griffith, Avery, McLeod et McCarty

Les expériences 1 à 4 ont été réalisées par Griffith en 1928, et les expériences 5 et 6 ont été réalisées par Avery, McLeod et McCarty en 1944. Avery a isolé deux souches de pneumocoques (Streptococcus pneumoniae) alors qu’il tentait de produire un vaccin contre la pneumonie. Les pneumocoques avec une capsule lisse (smooth en anglais) sont virulents et tuent les souris, il s’agit de la souche S. Certaines bactéries à capsule rugueuse (rough en anglais) sont quant à elles inoffensives, il s’agit de la souche R.

Document 2 : Principe de la transformation bactérienne

Certaines bactéries sont capables d’absorber des fragments d’ADN présents dans le milieu. Ces fragments sont ensuite digérés et certains d’entre eux peuvent être intégrés au génome de la bactérie receveuse. Il est dit de ces bactéries, qu’elles sont compétentes. Elles sont ensuite transformées et peuvent posséder de nouvelles propriétés.

Document 3 : Le transfert de plasmides ou la conjugaison bactérienne

Un plasmide est un fragment d’ADN circulaire indépendant de l’ADN chromosomique, et certaines bactéries peuvent en posséder. Ces plasmides peuvent porter des gènes apportant une résistance à des antibiotiques, et des facteurs de fertilité permettant à la bactérie, qui les possède, de former un pilus. Ce dernier est une excroissance cytoplasmique qui peut se lier à une autre bactérie.

Un pont de conjugaison se forme alors, ce qui permet la réplication du plasmide et le transfert du plasmide répliqué dans la bactérie receveuse. La bactérie receveuse acquiert donc les propriétés du plasmide. Nous parlons ici de conjugaison bactérienne.

Document 4 : Les bactériophages et la transduction

Les bactériophages sont des virus infectant des bactéries sans spécificité vis-à-vis de l’espèce. Ils ont une tête contenant leur génome et une queue leur permettant de se fixer à la surface des bactéries afin de leur injecter leur génome, pour qu’il puisse se reproduire.

Lors de la reformation du génome viral, il est possible qu’il intègre des fragments d’ADN de la bactérie infectée. Lors de l’infection d’une autre bactérie par ces phages ayant des fragments d’ADN d’une autre bactérie, il est possible que la bactérie nouvellement infectée intègre cette portion d’ADN au sein de son génome. Nous parlons alors de transduction bactérienne.

À partir des documents 1 et 2, expliquez comment les pneumocoques R acquièrent leur virulence dans les expériences de Griffith, Avery, MCMeod et McCarty.

Introduction de l’activité :

L’élysie est capable d’acquérir des chloroplastes au cours de sa vie et de les incorporer dans des cellules spécialisées, nous parlons alors d’endosymbiose. De nombreuses espèces végétales possèdent des chloroplastes sans les acquérir au cours de leur vie. Des similitudes génétiques ou d’organisations ont amené des scientifiques à s’interroger sur l’origine de certains organites, élaborant alors une théorie appelée « endosymbiotique ». Ils postulent que les chloroplastes et les mitochondries seraient issues d’une endosymbiose entre des bactéries et d’autres organismes vivants.

Document 1 : Structure des organites

Les chloroplastes sont des organites présents chez les organismes photosynthétiques. C’est dans les chloroplastes que se déroule la photosynthèse. Ils sont composés de deux membranes, d’un stroma et de thylakoïdes reliés entre eux par le granum.
Les mitochondries sont les organites responsables de la respiration cellulaire. Elles sont également composées de deux membranes. La membrane interne forme des crêtes à l’intérieur de la mitochondrie. L’espace intermembranaire est essentiel dans le fonctionnement des mitochondries. Il permet la mise en place d’un gradient de protons (c’est-à-dire une augmentation du nombre de protons dans l’espace intermembranaire). Cette mise en place permet le fonctionnement de l’ATP-synthase et la production d’ATP dans la mitochondrie.

Ces deux organites possèdent leur propre ADN : l’ADN chloroplastique et l’ADN mitochondrial. Ces fragments d’ADN sont extrêmement réduits et comportent uniquement des gènes essentiels au bon fonctionnement de ces organites. Cependant, ces organites ne seraient pas fonctionnels sans l’apport de protéines issues de l’expression de gènes nucléaires ; présents dans le noyau de la cellule.

Document 2 : Structure d’une cyanobactérie

Une cyanobactérie est un être unicellulaire de quelques micromètres capable de réaliser la photosynthèse. Les cyanobactéries s’associent souvent entre elles pour former des colonies, souvent de forme filamenteuse. Contrairement aux végétaux, elles ne possèdent pas de chloroplastes. En revanche, on retrouve un grand nombre de thylakoïdes dans son cytoplasme. Les cyanobactéries possèdent également une membrane plasmique unique et parfois une paroi.

Document 3 : Mécanisme de phagocytose

Lors de la phagocytose d’une bactérie par une cellule, cette dernière se retrouve dans une vacuole au sein même de la cellule. La vacuole est délimitée du cytoplasme, par une membrane plasmique.
Dès lors que la phagocytose a lieu, la bactérie est normalement dégradée dans la vacuole, cela permet la défense immunitaire de l’organisme. Le mécanisme, se mettant en place, nécessite une acidification de la vacuole et donc une augmentation de la quantité de proton dans l’espace entre la membrane de la vacuole et la membrane de la bactérie. Cependant, il est possible que la bactérie résiste au mécanisme de dégradation mis en place dans la vacuole. La bactérie sera donc vivante dans la vacuole.

🧪 Démarche expérimentale : Comparaison des gènes de la Rubisco chez les organismes photosynthétiques 📝

Protocole :

• Ouvrir le logiciel Geniegen 2.
• Ouvrir la banque de séquences.
• Rechercher « Rubisco ».
• Cliquer sur le pack « Endosymbiose chloroplastique, … ».
• Cliquer sur « Charger ces séquences ».
• Cliquer sur « Actions », puis « Aligner les séquences sélectionnées ».
• Cliquer sur « Affichage », puis « Tableau de comparaison ».

Résultats :

À partir de l’ensemble des documents, donnez des arguments en faveur de l’origine endosymbiotique des mitochondries et chloroplastes.

1. Comparez la structure des chloroplastes et des cyanobactéries.
2. Expliquez l’origine de la double membrane des organites.
3. Comparez les gènes de la Rubisco entre le maïs, l’épinard et la cyanobactérie.
4. Donnez des avantages pour chaque symbiote de cette association.