Diversité génétique (sujet national, juin 2014, partie 1)

Énoncé

Diversité génétique
Des généticiens étudient le brassage génétique et sa contribution à la diversité génétique. Ils prennent comme modèle d'étude deux populations de drosophiles constituées d'individus mâles et femelles homozygotes pour deux gènes indépendants.
Document
Sujet national, juin 2014, partie 1 - illustration 1
Des mâles de la population 1 sont placés avec des femelles de la population 2 dans le même flacon d'élevage. Leur croisement aboutit à la génération F1. Les individus issus de la première génération (F1) obtenue sont ensuite croisés avec des individus de la population 2. On obtient une deuxième génération (F2) dans laquelle les généticiens observent, pour les caractères étudiés, une diversité des combinaisons phénotypiques.
En s'appuyant sur cet exemple, proposer un texte illustré montrant par quels mécanismes la reproduction sexuée aboutit, ici, à la diversité phénotypique observée.
L'exposé doit être structuré avec une introduction et une conclusion et sera accompagné de schémas.
Comprendre la question
Le sujet de la synthèse est de montrer que la reproduction sexuée est à l'origine d'une diversité phénotypique et d'expliquer les mécanismes impliqués. Il faut présenter les brassages génétiques liés à la méiose et à la fécondation. Mais il s'agit d'un sujet original qui demande de combiner les connaissances du cours avec l'étude des croisements de drosophiles du document. Le document présente en effet deux croisements de drosophiles où sont étudiés deux gènes situés sur deux chromosomes différents. L'étude de la formation des gamètes de la génération F1 permet donc de mettre en évidence un brassage interchromosomique, à l'origine de 4 types de gamètes présentant la même fréquence de 25 % chacun. La fécondation permet la formation des 4 types d'individus de la génération F2 avec une même fréquence de 25 % chacun. Par contre, le brassage intrachromosomique n'est pas visible ici et est hors sujet.
Procéder par étapes
1re étape : identifier le type de réponse attendue
L'énoncé demande une synthèse structurée avec une introduction, un développement et une conclusion. Le développement comprend les connaissances sur les brassages génétiques de la méiose et de la fécondation, associées à l'exploitation du document. Le développement doit contenir le schéma présentant la formation des gamètes des individus de la génération F1 avec le détail du brassage interchromosomique, et le schéma ou l'échiquier de croisement illustrant la rencontre aléatoire des gamètes lors de la fécondation à l'origine des individus de la génération F2.
2e étape : élaborer un plan détaillé de la synthèse au brouillon

Le tableau suivant présente un exemple de plan détaillé élaboré au brouillon.
Structure de la synthèse
Éléments issus des connaissances
Exploitation de l'étude génétique présentée dans le document
Introduction : Quels sont les mécanismes génétiques de la reproduction sexuée à l'origine de la diversité phénotypique ?
I. La méiose : le brassage interchromosomique
Définition de la reproduction sexuée. Définition de la méiose. Définition du brassage interchromosomique.
Étude du premier croisement : la F1 contient des individus identiques, hétérozygotes, exprimant les allèles dominants (corps clair et ailes longues). Schéma : Étude du croisement F1 = P1 × P2 : établissement des génotypes et phénotypes de la F1.
Étude du second croisement : formation lors de la méiose chez F1 de 4 types de gamètes différents de même fréquence. Schéma : Étude du croisement F2 = F1 × P2 : méiose formant les gamètes de F1.
II. La fécondation : l'union aléatoire des gamètes
Définition de la fécondation. Union aléatoire des gamètes.
Étude du second croisement : formation en F2 de 4 types d'individus différents de même fréquence. Schéma : Étude du croisement F2 = F1 × P2 : fécondation des gamètes de F1 et de P2
Conclusion

3e étape : structurer l'introduction et la conclusion au brouillon

4e étape : rédiger la réponse sur la copie

Corrigé

Introduction
La drosophile est un organisme modèle pour l'étude des mécanismes génétiques liés à la reproduction sexuée. Au laboratoire, on dispose de deux populations de drosophiles différant par deux caractères étudiés. On effectue deux croisements successifs à partir de ces deux populations et une diversité de combinaisons phénotypiques est obtenue à l'issue du second croisement. Quelle est la diversité phénotypique des individus provenant du second croisement ? Quels sont les mécanismes génétiques de la reproduction sexuée à l'origine de cette diversité phénotypique ? Nous présenterons dans un premier temps les mécanismes génétiques de la méiose, puis dans un second temps les mécanismes génétiques de la fécondation. Tout au long de cette étude, nous détaillerons les croisements de drosophiles proposés.
I. La méiose : le brassage interchromosomique
La reproduction sexuée comprend deux grands événements : la méiose, qui permet la formation des gamètes haploïdes (à n chromosomes), et la fécondation, qui correspond à l'union des gamètes et permet donc la formation d'un zygote diploïde (à 2n chromosomes).
Dans le premier croisement de drosophile étudié, des mâles homozygotes P1 à corps clairs et à ailes longues de la population 1 sont croisés avec des femelles homozygotes P2 à corps sombres et à ailes courtes de la population 2.
Étude du croisement F1 = P1 × P2 : établissement des génotypes et phénotypes de la F1
Étude du croisement F1 = P1 x P2 : établissement des génotypes et phénotypes de la F1
Or on sait que les allèles e+ et vg+ sont respectivement dominants sur les allèles e et vg. Ainsi d'après leur génotype, tous les individus de la F1 sont hétérozygotes et expriment les phénotypes dominants pour les caractères étudiés. Le phénotype des individus de la F1 est donc [e+ vg+] : ils ont tous un corps clair et des ailes longues. Quels sont les gamètes formés par les individus de la F1 ?
La formation des gamètes s'effectue lors de la méiose, qui comprend deux divisions cellulaires successives, la première division puis la seconde division de méiose. La première division de méiose se caractérise par la séparation de chromosomes homologues. En métaphase de première division de méiose, la disposition des chromosomes de chaque paire de part et d'autre du plan équatorial est aléatoire. Ainsi, au cours de la formation de gamètes de F1, lors de la première division de méiose, il existe 2 possibilités équiprobables (50 % de fréquence chacune) de répartition des chromosomes comme le représente le schéma suivant. Puis, en anaphase de première division de méiose, la migration des chromosomes de chaque paire dans les futures cellules filles s'effectue en fonction de la répartition aléatoire précédente des chromosomes : il s'agit du brassage interchromosomique. Lors de l'anaphase de la première division de méiose chez F1, le brassage interchromosomique conduit donc à la présence de quatre types de cellules haploïdes équiprobables.
La seconde division de méiose se caractérise par la séparation des chromatides de chaque chromosome. L'individu F1 forme donc 4 types de gamètes, contenant soit les allèles (e+, vg+), soit (e, vg), soit (e+, vg) ou soit (e, vg+). Ces 4 types de gamètes sont équiprobables, avec une probabilité de fréquence de 25 % chacun.
Étude du croisement F2 = F1 × P2 : méiose formant les gamètes de F1
Étude du croisement F2 = F1 x P2 : méiose formant les gamètes de F1
II. La fécondation : union aléatoire des gamètes
La fécondation est l'union de 2 gamètes haploïdes pour former une cellule œuf ou zygote diploïde. Dans l'étude menée ici, nous avons établi que les individus de la F1 forment 4 types de gamètes avec la même fréquence. Les combinaisons alléliques sont soit (e+, vg+), soit (e, vg), soit (e+, vg) ou soit (e, vg+). L'individu P2 est un individu double récessif pour les 2 caractères étudiés et ne forme qu'un seul type de gamètes, dont la combinaison allélique est (e, vg). La fécondation se caractérise par la fusion des noyaux haploïdes des 2 gamètes de F1 et de P2, appelée caryogamie. La rencontre des gamètes lors de la fécondation est aléatoire. Chacun des 4 types de gamètes de F1 présente donc la même probabilité d'être fécondé par un gamète de P2. Comme le représente le schéma suivant, cette fécondation aboutit à la formation de 4 types d'individus diploïdes ayant comme phénotype soit [e+, vg+], soit [e, vg], soit [e+, vg], ou soit [e, vg+]. Ainsi, la génération F2 est constituée d'individus présentant 4 phénotypes différents :
  • phénotype de type parental, c'est-à-dire soit ceux des parents P1 (corps clais et ailes longues), soit ceux des parents P2 (corps sombres et ailes courtes) ;
  • phénotype de type non parental, appelé également phénotype recombiné, c'est-à-dire présentant des combinaisons de caractères absentes chez les parents P1 et P2 . Les phénotypes recombinés sont les phénotypes corps clairs et ailes courtes, ainsi que les phénotypes corps sombres et ailes longues.
Ces 4 phénotypes des individus F2 présentent la même fréquence de 25 %.
Étude du croisement F2 = F1 × P2 : fécondation des gamètes de F1 et de P2
Étude du croisement F2 = F1 x P2 : fécondation des gamètes de F1 et de P2
La génération F2, résultant de 2 croisements successifs (P1 × P2 = F1 puis F2 = F1 × P2), se caractérise donc par une diversité phénotypique plus élevée que celles des populations parentales initiales. Le brassage interchromosomique de la méiose, associée à la rencontre aléatoire des gamètes lors de la fécondation, est à l'origine de cette diversité génétique accrue, responsable de l'augmentation de la diversité phénotypique observée.
Conclusion
Ainsi, la reproduction sexuée comprend la méiose, permettant la formation des gamètes haploïdes, et la fécondation, qui, en réunissant deux gamètes haploïdes, rétablit la diploïdie. L'étude des croisements de drosophiles permet de mettre en évidence que la première division de méiose se caractérise par l'existence d'un brassage interchromosomique, qui, associé à la fécondation, est à l'origine d'une augmentation de la diversité phénotypique de la population. Lors de la prophase de première division de méiose, il existe un autre brassage génétique non mis en évidence ici : le brassage intrachromosomique. Le brassage intrachromosomique se caractérise par un échange réciproque de fragments de chromatides entre deux chromosomes homologues et il contribue également à la diversité phénotypique liée à la reproduction sexuée. Ainsi, en tenant compte de l'ensemble des caractères d'une espèce, chaque individu issu de la reproduction sexué est unique.