Cours : Mécanisme génétique et diversification

Association de génomes

Chez les êtres vivants les cellules somatiques, c’est-à-dire toutes les cellules de l’individu sauf les cellules reproductrices, sont diploïdes. Chaque cellule possède donc des paires de chromosomes homologues.

Toutefois, il existe dans la nature des anomalies de ploïdie chez certaines espèces. Ce phénomène est très courant chez les végétaux. Ces espèces vont présenter plus de deux jeux complets de chromosomes.

• Ce phénomène, appelé la polyploïdisation, permet la formation de nouvelles espèces.

La polyploïdisation peut par exemple avoir comme origine un croisement entre deux espèces différentes mais relativement semblables.

Chez un grand nombre de végétaux la reproduction peut se faire par la pollinisation. Un insecte va transporter le pollen d’une fleur sur le pistil d’une autre fleur et ainsi permettre la fécondation.

Il peut donc arriver que le pollen d’une espèce soit transporté et déposé sur une fleur appartenant à une espèce proche de la première. Il va donc y avoir une hybridation entre ces deux espèces de végétaux.

Ces deux espèces n’ayant pas le même bagage chromosomique, les chromosomes issus de la fécondation ne peuvent donc pas s’apparier et former des paires. La méiose ne peut pas avoir lieu, et la plante hybride ne peut donc pas former de gamètes. Elle est stérile. Elle pourra se reproduire seulement par reproduction asexuée.

Mais dans certains cas, une anomalie peut rétablir la fertilité de la nouvelle espèce. À l’issue de la méiose, il peut y avoir un doublement anormal du nombre de chromosomes.

• L’espèce possède donc deux fois plus de chromosomes, c’est la polyploïdisation. Une nouvelle espèce fertile est alors créée.

Exemple

Ce schéma montre à gauche une plante A avec un caryotype de $2n = 6$. À droite une plante B avec un caryotype de $2n = 4$.

À l’issue de leurs méioses respectives, les deux plantes présentent les gamètes suivants.

• Il y a donc deux espèces de caryotype différents.

Exemple

Lors du croisement de ces deux espèces, c’est-à-dire leur hybridation, la cellule-œuf comprend un exemplaire de chaque chromosome de chaque espèce.

Dans une méiose classique, suite à une réplication au cours de l’interphase, les chromosomes homologues s’apparient en prophase I et vont donc former des paires de chromosomes. Ils vont ensuite se séparer lors de l’anaphase en migrant vers les pôles opposés de la cellule. En télophase, le cytoplasme va se séparer pour former deux cellules.

Exemple

Dans le cas d’un organisme hybride, les chromosomes n’étant pas homologues, ils ne vont pas pouvoir s’apparier. La méiose d’une telle cellule n’est donc pas possible.

• Cette plante ne peut donc pas se maintenir par reproduction sexuée.

Exemple

Mais, dans certains cas une anomalie lors de la méiose va engendrer un doublement des chromosomes. Donc, dans le cas d’un organisme hybride, un appariement des chromosomes va être possible avec un nombre de chromosomes deux fois plus élevé et rétablit donc la fertilité.

Transfert de gènes entre espèces

Le matériel génétique est transmis au cours des générations grâce à la reproduction sexuée. On parle de transferts verticaux des gènes, car ils sont transmis d’une génération à une autre.

Toutefois, il existe d’autres types de transfert, les transferts de gènes horizontaux, c’est-à-dire d’une espèce à une autre, celles-ci pouvant être très éloignées.

Définition

Transfert horizontal :

Un transfert horizontal est un processus par lequel un organisme va intégrer dans son génome du matériel génétique provenant d’une autre espèce sans reproduction sexuée.

Ces transferts sont relativement rares mais peuvent participer à la diversification du vivant s’ils apportent un bénéfice à l’espèce « hôte ». L’acquisition de ce nouveau patrimoine génétique sera donc intégrée, favorisée par la sélection naturelle, et il sera transmis d’une génération à l’autre.

Exemple

C’est le cas des rétrovirus qui sont capables d’intégrer une partie ou la totalité de leurs génomes dans l’organisme de leur hôte. Les virus, comme les parasites, ont besoin d’intégrer une cellule de l’organisme qu’ils infectent pour pouvoir se multiplier. Ces virus vont donc faire fusionner leur enveloppe virale avec la membrane cellulaire de l’hôte.

• Cela va permettre à l’ADN viral d’être intégré au génome cellulaire.

Modification de l’expression du génome

La diversification des êtres vivants était en partie due à des anomalies génétiques qui, si elles sont bénéfiques pour l’espèce, perdurent au cours du temps grâce à la sélection naturelle. La diversification est donc un processus qui se met en place sur de longues périodes.

Toutefois, il a été observé chez les êtres vivants des changements de morphologie brutaux. Chez certaines espèces très proches, on peut observer une différence morphologique alors que le gène impliqué dans ce caractère est similaire chez les deux espèces. Il n’y a donc pas de différence génétique mais plutôt une variation de l’expression de ce gène.

Dans la nature, il y a des êtres vivants que l’on dit « mutants ». Ils peuvent avoir des ailes en plus, ou même une patte à la place d’une antenne comme chez la drosophile.

À retenir

Ces mutations extraordinaires sont causées par des mutations au niveau d’un type de gène particulier, les gènes du développement, ou gènes homéotiques.

• Ce sont des gènes architectes parce qu’ils déterminent le placement des différents membres des êtres vivants. Ils mettent en place le plan d’organisation de l’individu.

La totalité des cellules contiennent ces gènes mais ils ne sont actifs que dans certaines régions du corps. Parmis les gènes homéotiques, les gènes Hox sont présents chez tous les animaux à symétrie bilatérale. Ces gènes vont définir l’organisation spatiale des différentes parties du corps selon l’axe antéro-postérieur de l’individu, c’est-à-dire de la tête au bas du corps. Cette organisation est strictement similaire sur le chromosome ; c’est-à-dire que les gènes sont disposés sur le chromosome dans le même ordre que les parties du corps qu’ils commandent.

La mutation d’un de ces gènes engendre donc des changements phénotypiques brutaux comme l’apparition d’une structure en remplacement d’une autre.

Néanmoins, outre une mutation, il peut y avoir une différence d’expression du gène entre certaines espèces. La taille du bec chez plusieurs espèces très proches d’oiseaux peut venir simplement de l’intensité de l’expression du gène.

• Il peut donc y avoir des espèces différentes ayant le même génome et les mêmes gènes homéotiques mais dont l’intensité, la chronologie ou la durée d’expression sont différents.

Ces modifications d’expression peuvent donc être à l’origine de changements brutaux de certains caractères phénotypiques d’une espèce et donc contribuer, si ces changements perdurent grâce à la sélection naturelle, à la diversification du vivant.