V VIDYALAYA · Soutien scolaire
SVTTerminaleGenetique et evolutionExercices + corrigé

Diversification du vivant (autres mécanismes) — Exercices

Polyploïdie, duplication génique, endosymbiose, transferts horizontaux. Corrigé en fin de fiche.
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1Identifier les mécanismes/ 4 pts
Pour chaque situation, identifier le mécanisme parmi : allopolyploïdie, duplication génique, endosymbiose, transfert horizontal de gènes.
  1. Une bactérie pathogène acquiert un gène de résistance à un antibiotique absent de tous ses ancêtres mais présent chez une espèce bactérienne phylogénétiquement très éloignée.
  2. Sur le chromosome 11 humain se trouvent plusieurs gènes codant des protéines de structure très proche, regroupés en cluster : les gènes $\beta$, $\gamma$, $\delta$ et $\varepsilon$ des globines.
  3. Une plante cultivée possède $2n = 36$ chromosomes. Ses deux espèces ancestrales ont respectivement $2n = 16$ et $2n = 20$.
  4. Les chloroplastes possèdent leur propre ADN circulaire dépourvu d'histones et des ribosomes de type 70S, proches de ceux des cyanobactéries.
2Polyploïdie chez le colza/ 5 pts

Le colza cultivé (Brassica napus, $2n = 38$) est un allotétraploïde issu du croisement naturel entre B. oleracea ($2n = 18$) et B. rapa ($2n = 20$).

  1. Donner les valeurs de $n$ pour chacune des deux espèces parentales.
  2. Décrire la garniture chromosomique de l'hybride F1 (valeur de $2n$). Pourquoi cet hybride est-il stérile ?
  3. Quel mécanisme génétique conduit de l'hybride F1 au colza actuel ($2n = 38$) ? Vérifier par le calcul : $2n_{\text{colza}} = 2(n_{\text{oleracea}} + n_{\text{rapa}})$.
  4. Expliquer pourquoi le colza est fertile alors que l'hybride F1 ne l'est pas.
3Duplication génique et famille des globines/ 4 pts
La famille multigénique des globines comprend au moins 5 gènes fonctionnels ($\alpha$, $\beta$, $\gamma$, $\delta$, $\varepsilon$) issus d'un gène ancestral unique par duplications successives.
  1. Quel est le nombre minimal de duplications nécessaires pour obtenir 5 gènes à partir d'un seul ? Justifier.
  2. Expliquer comment, après duplication, deux copies d'un même gène peuvent acquérir des fonctions différentes.
  3. Quel avantage évolutif procure la duplication génique par rapport à une simple mutation du gène unique ?
4Endosymbiose — arguments moléculaires/ 4 pts
Un biologiste compare les caractéristiques des mitochondries avec celles des bactéries et des cellules eucaryotes.
  1. Citer trois caractéristiques des mitochondries qui constituent des arguments en faveur de la théorie de l'endosymbiose.
  2. La plupart des protéines mitochondriales sont codées par le génome nucléaire et non par l'ADN mitochondrial. Comment expliquer ce fait dans le cadre de l'endosymbiose ?
  3. En quoi l'endosymbiose diffère-t-elle d'un transfert horizontal de gènes ?
5Problème intégrateur — le blé tendre/ 5 pts

Le blé tendre (Triticum aestivum, $2n = 42$) est un allohexaploïde issu de deux hybridations successives suivies de doublements chromosomiques.

  • Étape 1 : T. monococcum ($2n = 14$, génome AA) $\times$ Aegilops speltoides ($2n = 14$, génome BB) $\rightarrow$ hybride $\rightarrow$ doublement $\rightarrow$ T. turgidum ($2n = 28$, génome AABB).
  • Étape 2 : T. turgidum ($2n = 28$) $\times$ Aegilops tauschii ($2n = 14$, génome DD) $\rightarrow$ hybride $\rightarrow$ doublement $\rightarrow$ T. aestivum.
  1. Donner la formule chromosomique (valeur de $2n$ et composition génomique) de l'hybride obtenu à l'étape 1, avant doublement. Pourquoi est-il stérile ?
  2. Vérifier par le calcul que $2n = 42$ pour T. aestivum (génome AABBDD).
  3. Combien de jeux haploïdes possède T. aestivum ? S'agit-il d'une auto- ou d'une allopolyploïdie ?
  4. Expliquer pourquoi T. aestivum est fertile malgré sa garniture chromosomique complexe ($2n = 42$).
Corrigé détaillé
1Identifier les mécanismes
a) \(\text{Gène absent des ancêtres, présent chez une espèce éloignée} \Rightarrow\) \(\text{Transfert horizontal de gènes}\)
b) \(\text{Plusieurs gènes homologues regroupés dans le même génome} \Rightarrow\) \(\text{Duplication génique}\)
c) \(2(n_A + n_B) = 2(8 + 10) = 2 \times 18 = 36 \Rightarrow\) \(\text{Allopolyploïdie (hybridation + doublement chromosomique)}\)
d) \(\text{ADN circulaire sans histones + ribosomes 70S dans un organite} \Rightarrow\) \(\text{Endosymbiose}\)
2Polyploïdie chez le colza
a) \(n(\text{oleracea}) = 18 \div 2 = 9 \quad ; \quad n(\text{rapa}) = 20 \div 2 = 10\) \(n(\text{oleracea}) = 9 \quad ; \quad n(\text{rapa}) = 10\)
b) \(2n_{\text{F1}} = n(\text{oleracea}) + n(\text{rapa}) = 9 + 10 = 19\) \(\text{Stérile : 19 chromosomes sans homologues} \Rightarrow \text{pas d'appariement possible à la méiose I.}\)
c) \(\text{Doublement du génome (polyploïdisation).} \quad 2n_{\text{colza}} = 2(9 + 10) = 2 \times 19 = 38\) \(2n_{\text{colza}} = 38 \quad \text{(cohérent avec la donnée)}\)
d) \(\text{Après doublement, chaque chromosome possède un homologue exact.} \Rightarrow\) \(\text{La méiose forme des bivalents normaux} \Rightarrow \text{le colza est fertile.}\)
3Duplication génique et famille des globines
a) \(1 \rightarrow 2 \rightarrow 3 \rightarrow 4 \rightarrow 5 \quad (\text{une duplication par étape, chacune ajoute une copie})\) \(\text{4 duplications minimum}\)
b) \(\text{Chaque copie accumule des mutations indépendantes (substitutions, délétions...)} \Rightarrow\) \(\text{Une copie conserve la fonction ancestrale ; l'autre peut acquérir une nouvelle fonction (néofonctionnalisation).}\)
c) \(\text{Avec un gène unique, toute mutation risque de détruire la seule copie fonctionnelle.} \Rightarrow\) \(\text{La duplication crée une redondance : une copie peut diverger librement sans mettre en péril la fonction initiale.}\)
4Endosymbiose — arguments moléculaires
a) \(\text{Trois arguments :}\) \(\text{(1) ADN circulaire propre sans histones ; (2) ribosomes de type 70S (procaryotes) ; (3) double membrane.}\)
b) \(\text{Des gènes de la bactérie englobée ont migré vers le noyau au cours de l'évolution.} \Rightarrow\) \(\text{Le génome mitochondrial est une version réduite du génome bactérien originel : la plupart des gènes ont été transférés au noyau de la cellule hôte.}\)
c) \(\text{Endosymbiose : incorporation d'un organisme vivant entier dans une cellule hôte.}\) \(\text{Transfert horizontal : seuls des fragments d'ADN (un ou quelques gènes) circulent entre organismes, sans incorporation d'un organisme entier.}\)
5Problème intégrateur — le blé tendre
a) \(n_A = 7\text{ (de AA)} + n_B = 7\text{ (de BB)} \Rightarrow 2n_{\text{hybride}} = 14, \text{ génome AB}\) \(\text{Stérile : les 7 chrom. A et les 7 chrom. B n'ont pas d'homologues entre eux} \Rightarrow \text{pas d'appariement à la méiose I.}\)
b) \(2n(\text{AABBDD}) = 2(n_A + n_B + n_D) = 2(7 + 7 + 7) = 2 \times 21 = 42\) \(2n = 42 \quad \text{(cohérent avec la donnée)}\)
c) \(n = 21 \; ; \quad x = 7 \; ; \quad 21 \div 7 = 3 \text{ jeux haploïdes} \Rightarrow \text{hexaploïde } (6x)\) \(\text{Allopolyploïdie : les 3 génomes (A, B, D) proviennent de 3 espèces différentes.}\)
d) \(\text{AABBDD : chaque jeu de 7 chromosomes A, B, D possède un homologue identique dans le génome.} \Rightarrow\) \(\text{La méiose forme 21 bivalents normaux (7 AA + 7 BB + 7 DD)} \Rightarrow T.\text{ aestivum est fertile.}\)