Domestication des plantes — Exercices

Identifier le syndrome de domestication, analyser les bases génétiques, calculer l'érosion génétique et l'héritabilité.

⏱ ~35 min✎ Calculatrice autorisée (Ex. 3 et 4)

1Syndrome de domestication/ 4 pts

Pour chacun des caractères suivants, indiquer s'il est typique d'une plante sauvage (S) ou domestiquée (D), et justifier en une phrase.

Graines présentant une forte dormance (germination étalée sur plusieurs mois selon les conditions).
Fruits qui tombent spontanément à maturité (déhiscence naturelle).
Grains de grande taille, denses, regroupés sur l'épi.
Teneur élevée en alcaloïdes amers dans les graines.

2Bases génétiques — le maïs/ 5 pts

On compare le téosinte (Zea mays ssp. parviglumis) et le maïs cultivé (Zea mays ssp. mays). Le gène tb1 contrôle la ramification latérale. L'allèle $tb1^+$ donne une forte ramification ; l'allèle $tb1^d$ (dominant) la réprime.

Expliquer pourquoi la réduction de la ramification latérale constitue un avantage agronomique.
Expliquer comment la fréquence de l'allèle $tb1^d$ a pu augmenter dans la population cultivée au fil des générations.
Un individu de génotype $tb1^d / tb1^+$ est-il ramifié ou non ? Justifier en précisant la relation de dominance.

3Érosion génétique/ 4 pts

Un chercheur compare la diversité allélique d'un gène de résistance aux maladies :

Population sauvage (Triticum dicoccoides) : 40 allèles différents.
Population de blé cultivé (Triticum aestivum) : 10 allèles différents.

Calculer le pourcentage d'allèles perdus lors de la domestication.
Expliquer le mécanisme responsable de cette réduction (goulot d'étranglement fondateur).
Indiquer une conséquence agronomique concrète de cette perte de diversité.

4Sélection artificielle et héritabilité/ 4 pts

Dans une population de tomates sauvages, la masse moyenne des fruits est $\bar{x} = 2\text{ g}$. Un sélectionneur ne conserve pour la reproduction que les individus dont la masse dépasse $2{,}5\text{ g}$ ; la masse moyenne de ces parents sélectionnés est $3\text{ g}$. La génération suivante présente une masse moyenne de $2{,}6\text{ g}$.

Calculer le différentiel de sélection $S$.
Calculer la réponse à la sélection $R$.
En déduire $h^2 = \dfrac{R}{S}$ et interpréter sa valeur.

5Conservation de la biodiversité cultivée/ 4 pts

Des banques de semences (ex. Svalbard Global Seed Vault, Norvège) conservent des milliers de variétés sauvages et anciennes de plantes cultivées. En 2015, des semences ont été retirées pour reconstruire les collections syriennes détruites par le conflit armé.

Expliquer, en lien avec la notion de domestication, pourquoi conserver des variétés sauvages est essentiel.
En quoi l'érosion génétique liée à la domestication rend-elle les cultures modernes vulnérables face à de nouveaux agents pathogènes ?
Proposer une stratégie complémentaire aux banques de semences pour préserver la diversité génétique des plantes cultivées, en la justifiant.

Corrigé détaillé

1Syndrome de domestication

a) $\text{Forte dormance} \Rightarrow \text{germination imprévisible, étalée}$ $\text{Sauvage (S) : avantage en milieu naturel (évite la levée en conditions défavorables). Défavorable en agriculture où une germination synchronisée est requise.}$

b) $\text{Déhiscence} \Rightarrow \text{graines perdues avant la récolte}$ $\text{Sauvage (S) : premier critère archéobotanique de domestication. La perte de déhiscence (graines retenues sur la plante) est l'une des premières mutations sélectionnées.}$

c) $\text{Grains grands et denses} \Rightarrow \text{rendement élevé, récolte aisée}$ $\text{Domestiqué (D) : sélectionné directement par les agriculteurs pour maximiser la production par pied.}$

d) $\text{Alcaloïdes amers} \Rightarrow \text{défense chimique, toxicité pour l'humain}$ $\text{Sauvage (S) : protège contre les herbivores. La domestication réduit ces défenses pour rendre la plante comestible.}$

2Bases génétiques — maïs

a) $\text{Tige unique} \Rightarrow \text{concentration des ressources}$ $\text{Les sucres et l'azote qui seraient dispersés entre de multiples ramifications sont concentrés dans un seul épi de grande taille, augmentant le rendement. La récolte d'un axe unique est aussi plus facilement mécanisable.}$

b) $\text{Sélection artificielle : seules les plantes peu ramifiées sont reproduites}$ $tb1^+ / tb1^+ \text{ (très ramifiés) sont progressivement éliminés de la population cultivée. La fréquence de } tb1^d \text{ augmente génération après génération sous l'effet de la sélection artificielle orientée par le critère de l'agriculteur.}$

c) $tb1^d \text{ dominant : un seul allèle } tb1^d \text{ suffit à réprimer la ramification}$ $\text{L'individu } tb1^d / tb1^+ \text{ est non ramifié (phénotype maïs). Seul le génotype homozygote } tb1^+ / tb1^+ \text{ donne le phénotype téosinte (très ramifié).}$

3Érosion génétique

a) $\dfrac{40 - 10}{40} \times 100 = \dfrac{30}{40} \times 100 =$ $75\,\%\text{ des allèles perdus lors de la domestication.}$

b) $\text{Effet fondateur + sélection artificielle}$ $\text{La domestication part d'un petit nombre d'individus sauvages (effet fondateur) : seule une fraction des allèles est capturée dans le pool fondateur. Ensuite, la sélection artificielle élimine les allèles non avantageux et la dérive génétique réduit encore la diversité. Ces mécanismes combinés conduisent à une perte massive d'allèles.}$

c) $\text{Homogénéité génétique} \Rightarrow \text{vulnérabilité collective}$ $\text{Si un pathogène adapté apparaît, tous les individus partagent les mêmes allèles (ou leur absence) de résistance. Une épidémie peut dévaster l'ensemble d'une récolte. Ex. : mildiou de la pomme de terre, Irlande 1845–1852.}$

4Sélection artificielle — héritabilité

a) Différentiel de sélection $S = \bar{x}_{\text{sél.}} - \bar{x}_{\text{pop.}} = 3 - 2 =$ $S = 1\text{ g}$

b) Réponse à la sélection $R = \bar{x}_{F_1} - \bar{x}_{\text{pop.}} = 2{,}6 - 2 =$ $R = 0{,}6\text{ g}$

c) Héritabilité $h^2 = \dfrac{R}{S} = \dfrac{0{,}6}{1} =$ $h^2 = 0{,}6\;(60\,\%)\text{. La masse des fruits est fortement héritable : 60\,\% du différentiel de sélection est transmis à la génération suivante. Une sélection artificielle répétée sera efficace sur ce caractère.}$

5Conservation de la biodiversité cultivée

a) $\text{Goulot d'étranglement} \Rightarrow \text{allèles perdus lors de la domestication}$ $\text{Les variétés sauvages conservent des allèles disparus lors de la domestication. Elles constituent un réservoir génétique mobilisable par les sélectionneurs pour introduire des résistances aux maladies, à la sécheresse ou aux nouvelles contraintes climatiques dans les variétés modernes. Sans elles, ces allèles sont définitivement perdus.}$

b) $\text{Uniformité génétique} \Rightarrow \text{sensibilité collective à un même pathogène}$ $\text{L'érosion génétique réduit le spectre des allèles de résistance disponibles. Si un pathogène mute et contourne la résistance dominante, tous les individus (génétiquement quasi-identiques) sont vulnérables simultanément : il n'existe pas de sous-population naturellement résistante pour limiter la propagation.}$

c) $\text{Stratégies complémentaires :}$ $\text{Conservation in situ : maintien de populations sauvages dans leur habitat naturel (réserves, parcs nationaux) afin que la sélection naturelle et la dérive continuent de générer de nouvelles variantes. Ou : jardins conservatoires, variétés paysannes ; programmes de pré-amélioration (pre-breeding) par croisements avec des espèces sauvages pour réintroduire de la diversité dans les variétés cultivées.}$