Exercices Semaine 3 - De la plante sauvage à la plante domestiquée

En quoi les racines de la plante constituent-elles une surface d’échange ? Justifiez votre réponse.

Des feuilles chlorophylliennes sont découpées puis broyées dans une solution. Le filtrat récupéré est placé dans différentes conditions afin de mesurer la teneur en dioxygène.

Document : Évolution de la teneur en $\text{O}_2$ d’un broyât de feuilles, à la lumière et à l’obscurité

Décrivez les résultats de l’expérience suivante, vous préciserez ce qu’est le réactif de Hill.

Caractérisez la reproduction du fraisier en milieu naturel ?
En quoi diffère-t-elle de celle du pommier ?

Introduction de l’activité :

La pomme est sans conteste l’un des fruits les plus communs. Mais malgré sa grande banalité, la diversité des variétés de ce fruit est immense. Il existerait plus de 7 000 variétés de pommes cultivées à travers le monde : sucrée, acidulée, ferme, juteuse, croquante… les caractéristiques sont nombreuses.

Mais la sélection artificielle n’a pas que des avantages : la tavelure du pommier est une maladie provoquée par un champignon. Elle entraîne des lésions noires ou brunes à la surface des feuilles ou des fruits. Rarement mortelle pour l’arbre, la maladie peut néanmoins réduire drastiquement la production de fruit (jusqu’à 100 %).
Les études montrent que la tavelure attaque beaucoup plus certaines variétés cultivées en comparaison avec les variétés anciennes ou sauvages.

Document 1 : La sélection artificielle à l’origine de la diversité des choux

a. La diversité des choux à partir de la variété sauvage

b. Répartition de la variété sauvage du chou et de plusieurs variétés cultivées

c. La sélection artificielle du chou par l’être humain : une domestication pour le meilleur et pour le pire

Le chou sauvage a un goût très amer, contrairement aux variétés cultivées. Son amertume est liée à des toxines végétales amères dissuasives pour beaucoup d’herbivores. La sélection de la forme moins amère a rendu les choux plus digestes pour l’être humain… mais aussi pour bien d’autres organismes (chenilles, pucerons…).
Les traitements insecticides ont donc été rendus nécessaires par cette sélection artificielle.

Lors de la mastication ou de l’utilisation de couverts, les membranes cellulaires du chou sont rompues et le glucosinolate contenu dans la vacuole est hydrolysé par l’enzyme myrosinase en sulforaphane, un composé soufré à l’origine de l’amertume.

Document 2 : Mise en évidence expérimentale des caractéristiques phénotypiques sélectionnées chez les tomates

Comme son nom ne l’indique pas, la tomate groseille (Solanum pimpinellifolium) n’appartient pas à la même espèce que les tomates cultivées (Solanum lycopersicum L.). Mais elle intéresse cependant beaucoup de chercheurs car la tomate groseille, originaire du Pérou, pourrait avoir participé, par des croisements, à l’origine de nos tomates.

🧪 Démarche expérimentale : 📝

Démarche :
Comparaison de structures de différents fruits de tomates avec celles des tomates groseille.

Matériel :

• tomate groseille
• tomate roma
• tomate cœur de bœuf

Protocole :
1. Réaliser une coupe transversale des fruits fournies
2. Comparer la masse (du fruit entier) et le nombre de loges. (La teneur en sucres, mesurée par un réfractomètre, est fournie.)

Données d’une tomate groseille :

• Masse : 10 g
• Nombre de loges : 2
• Teneur en sucres : 6,5 °Bx

Données d’une tomate « cœur de bœuf » :

• Masse : 200 à 700 g
• Nombre de loges : + de 10
• Teneur en sucres : 9 °Bx

Données d’une tomate « roma » :

• Masse : 60 à 70 g
• Nombre de loges : 2
• Teneur en sucres : 5 °Bx

Astuce :
La Brix (°Bx) représente la densité et la concentration en sucres.

Document 3 : Goulot d’étranglement et syndrome de domestication : les dérives de la domestication des plantes

a. La domestication, un goulot d’étranglement génétique

Dans l’Histoire, il existe de nombreux exemples de destruction de récoltes dues à des parasites, des champignons ou encore des aléas climatiques. Au XIX^e siècle, en Irlande par exemple, la récolte de pommes de terre a été détruite par un champignon, ou encore en France, le Mildiou (champignon) a ravagé des vignes entières. Les variétés sauvages de ces plantes cultivées ne sont pas toutes affectées au même degré par ces destructions. En effet, la domestication provoque inévitablement une baisse importante de la diversité génétique de l’espèce. De même, lorsque les variétés de pays sont remplacées par des cultivars (variétés de plantes obtenues par sélection), la diversité génétique s’érode encore.

b. Le syndrome de domestication

Le syndrome de domestication désigne l’ensemble des modifications entre une plante cultivée et sa variété sauvage. Au fil du processus de sélection artificielle, les plantes cultivées perdent souvent des caractéristiques nécessaires à leur survie en milieu sauvage. Les êtres humains doivent alors compenser ces faiblesses par différents traitements possibles : irrigation, insecticides, protection au froid, etc.

Document 4 : L’affaiblissement immunitaire des plantes domestiquées

a. Pas de quoi garder la banane !

Originaires de bananiers sauvages de Papouasie (Océanie), les bananiers modernes sont aujourd’hui cultivés dans toutes les régions tropicales.
Les bananiers comestibles sont stériles car ils ne font pas de graine, ils doivent donc être bouturés.
Le Fusarium oxysporum est un champignon du sol qui provoque la maladie dite « de Panama ». Il remonte par le système racinaire, se développe dans l’ensemble des organes de la plante jusqu’à la tuer.
La variété de banane appelée « Gros Michel », qui dominait le marché dans les années 1960, a été victime de la souche TR1 de ce champignon. À la suite de l’effondrement de la production, elle a été remplacée par une autre variété dite « Grande Naine Cavendish » résistante à TR1. En 1990, des chercheurs ont identifié en Asie du Sud-Est des bananiers Cavendish atteints par une nouvelle souche TR4.

b. La menace du doryphore

Le doryphore est un insecte coléoptère dont les larves se nourrissent de plantes de la famille des Solanacées, comme les tomates ou les pommes de terre.

Comme moyen de défense, les plantes sauvages possèdent des poils sur les feuilles ou les tiges sur lesquels on peut détecter du méthylcétone-2-tridécanone, une molécule toxique pour les larves de doryphore.

À l’aide du document 1, montrez que l’apparition de nouvelles formes de choux correspond à une réponse aux contraintes environnementales et humaines, et que ces nouvelles formes contribuent à une augmentation de la biodiversité qui ne va pas sans des conséquences inquiétantes à moyen et long terme. Pour cela :
1. construisez un tableau précisant pour chaque chou l’organe d’intérêt développé et les caractéristiques écologiques ;
2. mettez en relation les informations apportées par le document 1-a et 1-b afin d’expliquer l’existence de cette diversité de choux ;
3. justifiez, à partir de cet exemple, que la sélection artificielle est à l’origine d’une certaine biodiversité mais que celle-ci peut être menacée à moyen ou long terme.

Introduction de l’activité :

La domestication des plantes est un phénomène mondial. Depuis l’invention de l’agriculture il y a environ 10 000 ans des générations et des générations de plantes ont été croisées, sélectionnées, modifiées, dispersées dans le monde. Mais cela n’est pas sans conséquence sur ces plantes, sur nous et sur l’environnement au sens large.

Document 1 : Une sélection artificielle des plantes entraîne aussi une sélection des génomes humains

a. L’amidon, une molécule énergétique omniprésente

L’amidon est un polymère de glucose, c’est-à-dire un glucide de réserve trouvé chez les végétaux et formé d’un grand nombre de molécules de glucose liées entre elles. On en trouve dans les céréales, le pain, la semoule, les légumes secs, les pommes de terre, etc.
Son utilisation par l’être humain implique l’intervention d’une enzyme, l’amylase qui catalyse l’hydrolyse des liaisons de l’amidon libérant ainsi des molécules de glucose utilisables par l’organisme. L’amylase dépend, comme toutes les protéines, d’un gène.

b. Relation entre le nombre de copies du gènes AMY1 et la quantité d’amylase

Des échantillons salivaires de plusieurs individus ont été analysés afin de mesurer la quantité d’amylase dans la salive et le nombre de copies du gène AMY1 (amylase) présent dans le génome de l’individu.

c. Relation entre le régime alimentaire d’une population et le nombre de copies du gène AMY1

Le nombre de copies du gène AMY1 est déterminé dans différentes populations ayant des régimes alimentaires différents :

• populations ayant un régime riche en amidon (maïs, blé, riz, pommes de terre) ;
• populations ayant un régime pauvre en amidon (chasseurs-cueilleurs africains, pêcheurs asiatiques).

Document 2 : La domestication des plantes et le syndrome de fragilisation

a. Évolution de la diversité allélique chez une plante au cours de sa domestication : l’exemple du blé

b. Le brassage avec des variétés anciennes, un mécanisme fondamental de préservation de la diversité génétique

Le mildiou (Phytophtora infestans) est un champignon pathogène parasitant de nombreuses plantes, y compris la pomme de terre, où il s’attaque aux feuilles et aux tubercules. Ce champignon a eu des conséquences dramatiques, notamment en déclenchant la grande famine en Irlande à partir de 1852. Il a dévasté une grande partie des cultures de pommes de terre, principale culture irlandaise à cette époque.
À l’époque, la dépendance vis-à-vis d’une seule variété de pommes de terre a été mise en lumière de manière douloureuse, car cette variété s’est avérée être sensible au champignon. En revanche, d’autres variétés plus anciennes ou sauvages ont montré une résistance au mildiou.

Document 3 : La réponse des insectes aux maïs Bt (OGM)

La transgénèse a permis de créer du maïs génétiquement modifié capable de produire une protéine, appelée protéine Bt, qui est toxique pour la chenille de la pyrale du maïs. Cette chenille est en effet responsable de la destruction de récoltes de maïs en se nourrissant de la moelle des tiges. Le gène Bt, issue initialement d’une bactérie, Bacillus Thuringiensis, a été transféré au génome de cette nouvelle variété de maïs.

Le non-respect des exigences de refuge favorise une multiplication des populations résistantes.

1. Dans toute population d’insectes, il existe naturellement quelques individus qui présentant une résistance innée au caractère Bt.
2. Lorsque du maïs Bt est introduit pour la première fois, la grande majorité des individus de la population d’insectes sont contrôlés.
3. Cependant, les quelques rares survivants une résistance au caractère Bt. Si ces individus résistants se multiplient entre eux, ils engendreront une nouvelle génération d’insectes résistants.

Refuge :
C’est une portion de culture non modifiée. La chenille peut-on se nourrir, vivre, se reproduire sans être menacée par la protéine Bt ce qui permet de maintenir leur sensibilité à cette protéine.

Document 4 : La culture du manioc et le danger d’une sélection mal maîtrisée

Le manioc est un tubercule très cultivé et consommé en Afrique, Asie et Amérique du Sud et Centrale. Comme beaucoup de « plantes-racines », celles-ci sont particulièrement riches en cyanure, une molécule toxique, stratégie retenue par la sélection naturelle comme moyens de défense contre les prédateurs du sol ou même de petits mammifères comme l’agouti.

Les plants de manioc sont particulièrement riches en linamarine, un précurseur qui devient de l’acide cyanhydrique ($HCN$, cyanure d’hydrogène) sous l’action d’une enzyme activée lorsque les cellules sont rompues.
La dose mortelle d’acide cyanhydrique pour un humain est comprise entre 0,5 à 3,5 mg/kg, soit entre 35 et 245 mg seulement.
Ainsi, depuis toujours, les consommateurs de manioc utilisent différents traitements pour réduire cette teneur en cyanure : déshydratation, fermentation, cuisson, etc.

Traditionnellement, les agriculteurs amazoniens ou de Madagascar utilisent une méthode de protection pour leurs cultures de manioc. Ils créent une « barrière » en plantant une variété de manioc riche en cyanure autour de leur culture principale pour dissuader les agoutis, les termites et d’autres prédateurs.
Des tentatives ont été faites pour développer des variétés de manioc avec une teneur en linamarine réduite, voire sans linamarine du tout. Cependant, ces essais ont été abandonnés car les prédateurs infligent des dégâts considérables aux cultures.

À l’aide de l’exemple développé dans le document 1, montrez que la sélection artificielle n’a pas seulement de conséquences sur la plante elle-même mais aussi sur les sélectionneurs eux-mêmes, les humains.