THEME 5

NEURONE ET FIBRE

MUSCULAIRE : LA

COMMUNICATION

NERVEUSE

Pauline Alméras

2019-2020

Chapitre 14 – La domestication des plantes

THEME 5

LES PLANTES, ENTRE

EVOLUTION ET

DOMESTICATION

Table des matières

THEME 6 ............................................................................................................................................. 1

LES PLANTES, ENTRE EVOLUTION ET DOMESTICATION ..................................................................................... 1

I – Des plantes sauvages aux plantes cultivées ................................................................................ 3

A – Des caractéristiques différentes entre plantes sauvages et cultivées ................................... 3

B – Une origine génétique à ces différences ................................................................................ 4

C – La naissance d’une biodiversité sélectionnée par les agriculteurs ........................................ 6

D – Une histoire évolutive complexe ........................................................................................... 6

II – La recherche de variétés homogènes et productives ................................................................ 9

A – La création d’une nouvelle variété par rétrocroisement ....................................................... 9

B – Les hybrides F1 ..................................................................................................................... 12

III – L’obtention de plantes transgéniques ..................................................................................... 13

Conclusion : Les plantes, un enjeu contemporain ......................................................................... 16

CHAPITRE 15 – LA PLANTE DOMESTIQUÉE

Les plantes ont une place importante dans la société humaine. En effet, nous mettons à profit la

diversité végétale pour nous nourrir, mais aussi pour nous habiller, pour nous soigner... L’humain a

d’abord utilisé les plantes sauvages puis, il y a environ 10 000 ans, il a commencé à domestiquer

les plantes afin de pouvoir les cultiver.

Dans ce chapitre, nous verrons comment une plante sauvage peut être domestiquée par

l’Homme.

I – Des plantes sauvages aux plantes cultivées Comment l’humain est-il parvenu, au cours de l’histoire, à façonner certaines plantes pour les adapter à

ses attentes ?

A – Des caractéristiques différentes entre plantes sauvages et cultivées Le blé tendre existe depuis environ 8 500 ans. Il est issu de l’engrain, une plante sauvage dont la

domestication a commencé il y a 11 500 ans.

Complétez le tableau en faisant figurer les avantages respectifs des caractères du plant

sauvage et des caractères du plant domestique. Vous pouvez vous aider du doc 1 page 262.

Caractère Engrain Blé tendre

Solidité des épis Rachis très fragile

➔

Rachis …………….

➔

Forme des grains à maturité Vêtus (présence de glumelles

= feuilles transformées,

attachées aux grains)

➔

…………….

➔

Maturation des grains des

différents individus

Etalée dans le temps

➔

……………….

➔

Comparaison de l’engrain et du blé tendre

Corrigé :

Caractère Engrain Blé tendre

Solidité des épis Rachis très fragile

➔ Facilite la dispersion des

graines

Rachis solide

➔ Récolte facilitée

Forme des grains à maturité Vêtus (présence de glumelles

= feuilles transformées,

attachées aux grains)

➔ Protection des grains

Nus

➔ Séparation des grains et

des glumelles : utilisation

facilitée (production de

farine)

Maturation des grains des

différents individus

Etalée dans le temps

➔ Augmente la probabilité

que les grains rencontrent

des conditions favorables

à la germination

Synchrone

➔ Récolte facilitée

Comparaison de l’engrain et du blé tendre

On remarque que les caractéristiques des plantes cultivées sont adaptées à l’utilisation humaine.

Elles sont différentes des caractéristiques favorables aux plantes sauvages, et sont donc moins

adaptées au milieu naturel. De nombreuses variétés cultivées ne peuvent survivre que dans un

agrosystème (reproduction spontanée peu efficace, sensibilité aux maladies…)

B – Une origine génétique à ces différences Bien que présentant des caractéristiques différentes, les plants sauvages et les plants domestiques

sont souvent restés génétiquement proches : ils sont parfois encore interfertiles.

Gènes et caractéristiques du blé

* Le gène « Brittle existe sous deux formes alléliques : l'allèle « br+ », qui donne un rachis fragile,

et l'allèle « br », qui est responsable d'un rachis solide. « br » est dominant sur « br+ ».

* Le gène « Q » existe sous deux formes alléliques : l'allèle « q+ » responsable de la présence de

grains vêtus et l'allèle «q » responsable de la présence de grains nus. «q+ » est dominant sur

« q ».

* Les allèles « br » et « q » sont apparus plusieurs fois au cours de l'évolution.

* Les plants de phénotype [br q] sont rares dans la population sauvage.

Questions

1- Les populations sauvages comme les populations cultivées ont des caractéristiques assez

stables dans le temps. Déduisez-en quel est le type de génotype le plus fréquent dans ces

populations (homozygote ou hétérozygote pour les 2 gènes étudiés).

Si la population était hétérozygote, chaque génération présenterait une grande diversité (4

phénotypes différents pour les 2 caractéristiques étudiées). Une population stable au fil des

générations est le signe d’une population homozygote.

2 – Complétez le tableau suivant :

Type de plant Phénotype

Génotype

Hypothèse n°1 : gènes indépendants

Hypothèse n° 2 : gènes liés

Plant sauvage

(engrain) [br+, q+] (br+//br+ ; q+//q+) (br+ q+//br+ q+)

Plant cultivé (blé) [br, q] (br//br ; q//q) (br q//br q)

Corrigé :

Type de plant Phénotype

Génotype

Hypothèse n°1 : gènes indépendants

Hypothèse n° 2 : gènes liés

Plant sauvage

(engrain) [br+, q+] (br+//br+ ; q+//q+) (br+ q+//br+ q+)

Plant cultivé (blé) [br, q] (br//br ; q//q) (br q//br q)

3 – Les allèles « br » et « q » sont-ils fréquents à l'état sauvage ? Justifiez.

Les plants sauvages ne présentent un rachis solide ou des grains nus que de façon exceptionnelle.

Cela indique que la fréquence des allèles br et q, responsable de ces caractéristiques, est très

faible.

Remarque : br étant dominant sur br+, il s’exprime à l’état hétérozygote ou homozygote. q étant

récessif par rapport à q+, il ne s’exprime qu’à l’état homozygote.

4 – Indiquez quelle peut être l'origine de l'existence des allèles « br » et « q » dans la

population.

Ces allèles sont rares dans cette population. Ils sont dus à des mutations spontanées.

Les caractéristiques phénotypiques des plantes cultivées s’expliquent par leurs caractéristiques

génétiques. Leurs allèles particuliers sont hérités des plants sauvages, chez qui ils

apparaissent spontanément de façon exceptionnelle.

C – La naissance d’une biodiversité sélectionnée par les agriculteurs ➔ A partir du document 2 page 263, expliquez comment, au cours du temps, on a pu passer

de l’engrain au blé tendre.

A chaque génération, depuis des millénaires les agriculteurs sélectionnent les plants ayant les

caractéristiques les plus intéressantes à leurs yeux pour la reproduction A chaque génération, la

proportion de plants ayant les caractéristiques recherchées augmente.

Cette sélection se fait de manière empirique, c’est-à-dire basée sur l’expérience.

Dans la pratique, les caractéristiques des plants sélectionnés dépendant de leurs allèles

(puisqu’elles sont héréditaires), on sélectionne progressivement des allèles particuliers.

➔ A partir du document 3 page 263, montrez que la domestication des plantes abouti à une

certaine forme de biodiversité.

Selon les régions, les critères que les agriculteurs recherchent chez les plantes diffèrent (exemples :

résistance au climat, période de fructification, type de sol…) A partir d’une même espèce

cultivée, on peut donc sélectionner plusieurs variétés, chacune répondant à des besoins agricoles

spécifiques. Cette multiplication des variétés constitue une forme de biodiversité.

D – Une histoire évolutive complexe Nous avons parlé de l’influence de l’humain dans la sélection du blé tendre, mais ceci constitue une

version très simplifiée de son histoire.

L’histoire des plantes domestiquées fait intervenir l’action de l’Homme, mais également des

processus évolutifs naturels tels que l’hybridation interspécifique et la polyploïdisation.

➔ De l’engrain au blé, une histoire complexe

Les questions se basent sur l’illustration figurant à la page suivante.

Q1 – Sous les espèces T. urartu, Aegilops speltoïdes, T. turgidum et Aegilops tauschii, notez la

formue chromosomique des gamètes produits (nombre de chromosomes et nom des lots).

Q2 – Notez le résultat des deux croisements figurant sur le schéma au crayon à papier (au-dessus

de T. turgidum et de T. aestivum).

Q3 – D’après ces résultats, les hybrides obtenus sont-ils fertiles ? Justifiez.

Q4 – Quel événement assez rare s’est nécessairement produit pour aboutir aux espèces T.

turgidum et T. aestivum ? (souvenir du cours de génétique…)

Q5 – Faites figurer en couleur les différents événements s’étant produits lors de la transition de

l’engrain au blé tendre. Utilisez une couleur pour les événements naturels et aléatoires et une autre

pour ceux liés à la volonté de l’Homme.

Triticum = engrain ; Aegilops = égilope

Le corrigé se trouve à la page suivante.

Triticum = engrain ; Aegilops = égilope

Q3 - Les plantes s’hybrident assez fréquemment entre espèces = hybridation interspécifique. Mais

les plants alors formés ne comportent qu’un seul lot pour chaque type de chromosome. Puisque les

chromosomes ne vont pas par paire, la méiose ne se déroule pas correctement donc il n’y a pas de

formation de gamètes viables : les hybrides sont donc stériles.

Q4 - Pour que les hybrides deviennent fertiles, il faut que la méiose se déroule de façon anormale

et aboutissent à un doublement du stock des chromosomes. Exemple : cela peut être dû à la non

séparation des chromosomes homologues durant la phase 1 de méiose.

Ce phénomène accidentel est une polyploïdisation. Après dédoublement du matériel

chromosomique, le plant produit des gamètes viables. Il peut alors se reproduire.

Remarque : le premier hybride devenu fertile peut se multiplier par multiplication végétative

(bouturage ou marcottage naturels), très fréquente chez les plantes, ou encore par

autofécondation.

Gamètes : 7 chrs A Gamètes : 7 chrs B

Gamètes : 14 chrs AB Gamètes : 7 chrs D

Zygote : 14 chrs AB

Zygote : 21 chrs ABD

Hybridation interspécifique

Hybridation interspécifique

Polyploïdisation

Polyploïdisation

Sélection par l’Homme

Sélection par l’Homme

Bilan : La sélection des plantes cultivées se fait depuis longtemps de façon empirique. Elle

aboutit à la formation de plantes dont les caractéristiques génétiques diffèrent de celles qui

sont favorables aux plantes sauvages. Ces nouvelles variétés constituent une forme de

biodiversité.

L’histoire des plantes domestiquées est complexe et fait intervenir la sélection humaine mais

également des phénomènes naturels aléatoires comme l’hybridation interspécifique suivie

d’une polyploïdisation.

II – La recherche de variétés homogènes et productives La sélection empirique prend beaucoup de temps et abouti à la formation de variétés présentant

une certaine diversité génétique, donc une certaine hétérogénéité. Or les variétés homogènes

facilitent la culture, les procédés industriels et la commercialisation.

Quels procédés permettent d’obtenir de telles variétés, et quelles sont leurs limites ?

A – La création d’une nouvelle variété par rétrocroisement Exemple de la variété Ariane

Enoncé :

Activité 1 – La création d’une nouvelle variété par rétrocroisement Les variétés « élite » sont des variétés issues de méthodes de sélection modernes. Elles présentent

des caractéristiques intéressantes pour la culture (productivité, aspect supérieur aux variétés

sauvage) mais elles peuvent également présenter des fragilités, comme une mauvaise résistance

aux maladies.

Les pommiers élite présentent ainsi une fragilité à la tavelure, maladie due à un champignon : voir

document 1 Annexe A.

Q1 – Expliquez l’intérêt de la production d’une variété ayant la plupart des caractéristiques

type « élite », mais présentant en plus une résistance à la tavelure, comme les variétés

anciennes.

Le document 2 présente la création de la variété Ariane, qui présente les caractéristiques

recherchées.

Q2 – A l’aide de vos connaissances sur la méiose et la fécondation, expliquez l’évolution du

génome et du phénotype des pommes au cours de ces croisements. Précisez comment évoluent

les pourcentages d’allèles d’origine sauvage et d’origine Elite à chaque génération.

Dans le document 2, on ne montre que les rétrocroisements avec la variété élite. Dans la pratique,

il faut alterner les rétrocroisements et les « autofécondations » (en réalité des fécondations entre

plants intéressants de la même génération). La sélection a bien lieu à chaque étape (après

rétrocroisement et après autofécondation).

Q3 –Trouvez un argument qui montre qu’il y a régulièrement des autofécondations, et précisez

si cela modifie les proportions générales d’allèles d’origine élite et d’allèles d’origine sauvage.

Q4 – Indiquez quelles sont les limites de cette technique (schéma du document 2 + texte sous

le schéma).

Document 1

Document 2

Corrigé :

Q1 – On souhaite créer une variété présentant des caractères élite afin d’avoir une bonne

productivité, un meilleur aspect… mais ayant aussi une résistance à la tavelure, ce qui permet de

limiter les pertes et l’usage de fongicides (coût important, impact écologique, impact sur la santé).

Q2 - Lors d’un croisement, chaque parent produit des gamètes haploïdes et transmet ainsi la

moitié de son matériel génétique. Ici on procède par rétrocroisements, c’est-à-dire qu’on croise

toujours les descendants avec le parent élite.

Premier croisement

Parents Pommier sauvage résistant à

la tavelure Pommier Élite

Génotype du parent Allèles sauvages Allèles élite

Descendant : F1 Allèles sauvages : 50 % (issu du parent sauvage) Allèles élite : 50 % (issu du parent élite)

Deuxième croisement

Parents F1 Pommier Élite

Génotype du parent 50 % d’allèles sauvages,

50 % d’allèles élite Allèles élite

Descendant : G2 Allèles sauvages : 25 % (issu du parent F1) Allèles élite : 75 % (issu du parent F1 + élite)

Troisième croisement

Parents G2 Pommier Élite

Génotype du parent 25 % d’allèles sauvages,

75 % d’allèles élite Allèles élite

Descendant : G3 Allèles sauvages : 12,5 % (issu du parent G2) Allèles élite : 87,5 % (issu du parent G2 + élite)

Ainsi à chaque croisement effectué, la proportion de gènes Elite augmente

La répartition des allèles dans les gamètes se fait au hasard : les plants obtenus auront des

caractéristiques variables. A chaque croisement, on veille à sélectionner les plants ayant les

caractéristiques recherchées : nombreuses caractéristiques élite mais aussi la résistance à la

tavelure, issue du plant sauvage. On finit par obtenir la variété souhaitée.

Q3 – A à l’issue d’un croisement avec la variété Elite, les plants produits ont nécessairement un

allèle de sensibilité à la tavelure. Or le schéma présente des plants ayant l’allèle de résistance à

la tavelure à l’état homozygote. Ceci ne peut être obtenu qu’à la suite d’une autofécondation, en

sélectionnant les plants homozygotes résistants. Cela ne modifie pas les proportions générales

d’allèles.

Q4 – Ce processus impliquant de nombreux croisements est très long (plusieurs dizaines d’années).

De plus, à chaque étape de sélection, peu de plants comportent toutes les caractéristiques

souhaitées. Ainsi lors de la dernière phase de sélection 1 seul pommier a été sélectionné sur les

313 obtenus. Il est à l’origine de la variété Ariane (autofécondation pour la 1e génération puis

fécondation uniquement avec des pommiers Ariane pour conserver la stabilité des caractères).

Cette technique permet d’introduire un gène particulier (ici résistance à la tavelure) dans une

variété présentant un intérêt agronomique. Mais sa mise en place est longue et délicate.

B – Les hybrides F1 Répondre aux questions de la page 265.

On prendra les symboles suivants : Allèle de maturité tardive : m Allèle de maturité précoce : M Allèle de productivité importante : P Allèle de productivité faible : p On considère que les gènes sont indépendants. Corrigé Q1 et 2 - Dans un premier temps, on procède à des autofécondations afin d’augmenter le taux

d’homozygotie. Après 7 générations, le taux d’homozygotie est de 100 % : on obtient des lignées

pures, aux caractéristiques stables, qui serviront de parents.

Remarque : Chez de nombreux végétaux, l’homozygotie affaibli les plants.

Q3 – Lignée A, parent mâle [P, m] (P//P, m//m) -> 100 % de gamètes (P/ m/)

Lignée B, parents femelle [p, M] (p//p, M//M) -> 100 % de gamètes (p/ M/)

La fécondation donne en F1 100 % d’individus de génotype (P//p, M//m) et de

phénotype [P, M] : la F1 est homogène.

Les deux allèles d’intérêt étant ici dominants, tous les individus de F1 ont les caractéristiques

recherchées. Cette génération est donc particulièrement intéressante d’un point de vue

agronomique.

Q4 – Pour déterminer ce qu’il se passe à la génération suivante, on fait un échiquier de croisement.

Gamètes produits par la F1 : (P/ M/), 25 % (P/ m/), 25 % (p/ M/), 25 % (p/ m/)

Gamète ♂

Gamète ♀

(P/ M/) (P/ m/) (p/ M/) (p/ m/)

(P/ M/) (P//P, M//M) [productif précoce]

(P//P, M//m) [productif précoce]

(P//p, M//M) [productif précoce]

(P//p, M//m) [productif précoce]

(P/ m/) (P//P, M//m) [productif précoce]

(P//P, m//m) [productif tardif]

(P//p, M//m) [productif précoce]

(P//p, m//m) [productif tardif]

(p/ M/) (P//p, M//M) [productif précoce]

(P//p, M//m) [productif précoce]

(p//p, M//M) [peu productif

précoce]

(p//p, M//m) [peu productif

précoce] (p/ m/) (P//p, M//m)

[productif précoce] (P//p, m//m)

[productif tardif] (p//p, M//m)

[peu productif précoce)

(p//p, m//m) [peu productif

tardif]

On remarque qu’à la génération G2 (F1xF1), 9 plants sur 16 ont les caractéristiques recherchées

(fond turquoise), soit environ 56 %. Parmi eux, 4 ont le même génotype que les hybrides F1

(doubles hétérozygotes -> en rouge), soit 25 % des plants au total.

Remarque : si on souhaite obtenir des plants exprimant deux caractères récessifs à partir de lignées

pures, ils apparaissent à la génération G2 (en fond rose) en faible proportion (1/16). On peut alors

les multiplier par autofécondation ou bouturage.

Les hybrides présentent de nombreuses caractéristiques intéressantes. Ils sont en général plus

résistants et plus productifs que les lignées pures parentales : on parle de vigueur hybride, ou

hétérosis. En revanche leur utilisation impose de racheter des semences chaque année pour

conserver les mêmes caractéristiques.

Bilan du II : Nous avons vu les deux procédés d’obtention de variétés homogènes les plus

utilisés, mais d’autres techniques sont possibles. Ces variétés sont très intéressantes pour les

agriculteurs, mais leur mode de production ou leur utilisation présente des limites.

III – L’obtention de plantes transgéniques Comment le génie génétique permet-il l’amélioration des plantes, et quelles sont les limites de cette

technique ?

La transgénèse consiste à introduire le gène d’intérêt d’un être vivant dans le génome d’un autre

être vivant, ce qui entraine chez ce dernier l’apparition d’une nouvelle caractéristique recherchée.

Cette technique se base sur l’universalité de l’ADN.

On utilise la transgénèse pour produire des OGM = Organismes Génétiquement Modifiés.

Ce type de pratique fait partie des techniques du génie génétique.

Q1 - Dégagez les caractéristiques de la transgénèse présentée en annexe (document 1) et de la

transgénèse présentée dans votre livre page 269.

Exemple du livre Exemple du document

Espèce receveuse (= futur OGM)

Espèce donneuse

Gène(s) d’intérêt

Mode de transfert du gène

Nouvelle caractéristique obtenue chez l’OGM

Intérêt agronomique

Mode de sélection des plants (ou cals)

transgénique

Q2 - A partir du document 2 de l’annexe et du document 4 page 271, présentez certaines limites

de la culture de plantes transgéniques cultivées en plein champ.

Corrigé :

Exemple du livre page 268 Exemple du document

Espèce receveuse (= futur

OGM) Plants de soja Plants de riz

Espèce(s) donneuse(s) Bactérie résistante du

glyphosate Jonquille, bactérie + maïs

Gène(s) d’intérêt Gène R Crt 1 + Cly

Mode de transfert du gène

Bactérie A. tumefaciens, qui

infecte naturellement les cellules

végétales

Gènes fixés sur des billes de

métal, qu’on utilise pour

bombarder des cellules

embryonnaires de riz.

Nouvelle caractéristique

obtenue chez l’OGM

Soja résistant à l‘herbicide

glyphosate Riz produisant du β-carotène,

précurseur de la vitamine A

Intérêt agronomique Facilite l’usage d’herbicide en

préservant la culture

Limite les risques de carence en

vitamine A des populations.

Mode de sélection des plants

(ou cals) transgénique

Plants cultivés en présence de

glyphosate : ceux qui n’ont pas

intégré le gène R sont éliminés.

Couleur : plus le riz produit du

β-carotène, plus il est doré.

Les limites de la culture en plein champ des plantes transgéniques (voir annexe)

- Les plantes cultivées peuvent s’hybrider avec leur « parent sauvage », et le transgène peut

ainsi être transmis à d’autres plantes. De plus, les plantes peuvent aussi s’hybrider entre

espèces. Il existe donc un risque de transfert du transgène.

- Augmentation de l’usage des herbicides dans le cas des plants OGM résistants aux herbicides

(ce qui a un impact sur la biodiversité, ainsi que des répercussions écologiques et sur la santé)

- Apparition de mauvaises herbes résistantes aux herbicides (acquisition du transgène de

résistance à un herbicide depuis la plante cultivée vers la mauvaise herbe par hybridation)

- Etc…

Bilan du III : Lors d’un croisement, de nombreux caractères sont modifiés chez les descendants.

Avec les techniques du génie génétique, comme la transgénèse, on peut insérer un gène

spécifique, provenant de n’importe quel autre être vivant, à une plante. Celle-ci conserve par

ailleurs toutes ses autres qualités.

En revanche les OGM présentent également des limites, notamment les risques de transferts du

transgène.

Conclusion : Les plantes, un enjeu contemporain

L’humain a commencé à domestiquer les plantes il y a très longtemps. Avec les progrès

scientifiques, les techniques de domestication ce sont modifiées, et les plantes cultivées présentent

actuellement une grande diversité.

Les variétés paysannes sont les plus anciennes. Elles sont obtenues par sélection empirique (voir I) et

sont adaptées à des environnements variés. Leur diversité génétique fait que ce sont des plantes

robustes. Mais leur rendement est limité.

Les variétés Elite (voir II) présentent un excellent rendement et de bonnes qualités agronomiques,

mais sont globalement plus fragiles.

La diversité des variétés paysannes a radicalement baissé ces dernières années, au profit des

variétés élite ou OGM.

Des organismes de conservation de la biodiversité ont été mis en place afin de préserver cette

richesse : des plants des différentes variétés créées sont conservés in-vitro dans des laboratoires

(voir illustration page 266), et peuvent servir à produire de nouveaux plants.

Les enjeux économiques, écologiques et de santé étant important, des lois sont mises en place pour

encadrer les pratiques culturales. Celles-ci font l’objet de débats. Exemples :

- L’usage de semenciers européens doit-il être libre ou obligatoire ? - Est-il légitime de breveter le séquençage du génome d’un être vivant ?