Proposition pédagogique

Mise au point préalable

Le maïs, un bon support  pour la partie du programme sur la plante domestiquée

A - Idées générales

Le programme n’impose aucun exemple pour aborder l’étude de la domestication des plantes. Ce sont donc des idées générales qu’il faut dégager, plus ou moins valables pour toutes les plantes cultivées. On peut le faire en considérant plusieurs plantes ; on peut aussi cibler sur une plante particulière qui illustre nettement les caractéristiques de la domestication. Quand on regarde les ressources pour la classe  parues sur le site Eduscol, on constate qu’elles ont trait au maïs et plus succinctement à la carotte et à la tomate.

Le maïs apparaît comme un exemple pédagogique pour envisager les différents aspects de la domestication des plantes, depuis les débuts de sa culture il y a 10000 ans environ à partir de la plante sauvage appelée téosinte, jusqu’à la création récente de maïs transgéniques obtenus par les techniques du génie génétique.

Le maïs a un autre intérêt pédagogique qui est de faire le lien avec la première partie du programme sur le brassage génétique et la diversification des êtres vivants. En particulier, il peut servir de support pour l’alinéa du programme : «  s’agissant des gènes impliqués dans le développement, des formes vivantes très différentes peuvent résulter de variations dans la chronologie et l’intensité d’expression de gènes communs » (le programme ajoute « plus que d’une différence génétique, mais c’est une erreur si on n’ajoute pas «  plus que d’une différence génétique dans les séquences codantes des gènes »). Il n’y a, en effet,  aucune raison de restreindre cette notion au règne animal.

B - Le maïs, plante modèle pour l’étude de la domestication et de la création de nouvelles variétés

1 -   Les différences entre la plante sauvage et la plante cultivée illustrent bien ce qu’on appelle le syndrome de domestication

Actuellement, tous les scientifiques s’accordent pour dire que les maïs proviennent de la domestication d’une plante, le téosinte présente encore aujourd’hui dans certaines régions du Mexique. Maïs et téosinte ont les mêmes caryotypes ; ils s’hybrident naturellement dans les régions où ils coexistent et les hybrides sont fertiles.

Le téosinte et le maïs actuel sont des plantes très différentest conformément au programme, leur comparaison permet de  bien mettre en évidence les caractéristiques de l’évolution des plantes sous l’action de l’homme. Dans les ressources pour la classe de TS, on trouve une analyse très précise des caractères de ces plantes. Par rapport au téosinte, le maïs a perdu certains caractères, comme l’égrenage spontané des grains, la coque qui entoure chaque grain... caractères qui jouent un rôle important dans la dissémination de la plante sauvage. En conséquence, sans intervention humaine, le maïs ne pourrait persister. En revanche, ces caractères dérivés du maïs sont très utiles pour son exploitation par l’homme ainsi que d’autres caractères comme le nombre de grains présents dans chaque épi et la grosseur de ces grains. Bref, le maïs illustre de façon la plus nette ce qu’on appelle le syndrome de la domestication.

2 – les données archéologiques et les premiers effets de la sélection massale

 Les populations de téosinte présentaient de nombreux variants. La sélection massale pratiquée par les premiers agriculteurs a consisté à choisir les plantes les plus intéressantes dans une population et à utiliser leurs graines comme semences pour la génération suivante. Les données archéologiques indiquent qu’après quelques millénaires de domestication, les caractères du syndrome de domestication étaient présents chez les maïs cultivés (absence d’égrenage, disparition de la coque entourant chaque grain chez le téosinte, augmentation du nombre de rangées de grains) ; Un autre caractère tôt sélectionné a été la transformation de la morphologie de la plante : le téosinte a une tige très ramifiée alors que chez le maïs, il y a une tige centrale  avec deux ou trois ramifications courtes terminées par une inflorescence femelle. Cet exemple du maïs permet d’opposer la sélection artificielle à la sélection naturelle étant donné que les phénotypes retenus par la sélection artificielle auraient été éliminés par la sélection naturelle. Bien entendu, les agriculteurs de l’époque ignoraient tout des bases génétiques des phénotypes qu’ils sélectionnaient.

La culture du maïs s’est répandue, à partir de son centre d’origine mexicain, en Amérique du nord et en Amérique du sud. L’introduction du maïs en Europe date des expéditions de Christophe Colomb et de Jacques Cartier (fin du 15^ème - début du 16^èmesiècle). Durant toute la période qui va jusqu’au début du 20^èmesiècle, les agriculteurs ont pratiqué la sélection massale en privilégiant les plants aux épis possédant des grains nombreux et gros ainsi qu’en sélectionnant des caractères adaptés aux conditions d’environnement de la culture. On a aboutit ainsi à des "variétés populations" différentes d’une région à  l’autre en fonction des caractères sélectionnés. Etant donné que les maïs sont des plantes allogames, ces variétés étaient relativement homogènes pour les caractères sélectionnés, mais ce n’étaient pas des lignées pures. En somme, les premiers millénaires avaient diminué la biodiversité présente chez les téosintes, du moins pour les phénotypes de la domestication, tandis qu’avec la diffusion de la culture du maïs dans le monde, des siècles de sélection massale ont augmenté la diversité en créant des variétés plus ou moins homogènes en fonction de l’environnement.

3 - Les hybrides de maïs et la vigueur hybride

Les connaissances sur la reproduction sexuée des plantes débouchent sur la pratique de l’hybridation comme technique permettant de créer de nouvelles variétés. Chez les plantes autogames, comme le blé, l’introduction de l’hybridation et de la sélection généalogique permet d’obtenir de nouvelles variétés qui sont des lignées pures dès la fin du 19^èmesiècle, même avant la redécouverte des lois de Mendel. Chez le maïs, plante allogame, ces techniques ne sont pas performantes car les lignées pures sont peu productives (effet dépressif de la consanguinité). Durant la première moitié du 20^èmesiècle se développe la création de variétés hybrides F1, aux USA, technique qui se répand en France à partir des années 1950. Actuellement, les maïs cultivés sont dans leur grande majorité des hybrides.

L’obtention des hybrides F1 repose sur les  principes  suivants :

- Création de lignées pures qui servent de parents aux futurs hybrides par autofécondations successives, pour fixer les caractères d’intérêt (au départ, on sélectionne des plantes des "variétés populations" ayant des caractères intéressants) ; à cause de la consanguinité, les individus de ces lignées pures sont peu vigoureux.

- Croisement entre lignées pures aux propriétés complémentaires de façon à obtenir des hybrides F1, puis sélection des hybrides F1 les plus intéressants parmi ceux obtenus.

Les hybrides F1 bénéficient de ce qu’on appelle la vigueur hybride : croissance plus importante, épis plus gros à grains plus nombreux tout en combinant les caractères recherchés des deux lignées (du moins les caractères dominants). Le sélectionneur recherche parmi les lignées parentales celles qui donnent les meilleurs hybrides lorsqu’elles sont croisées. Les hybrides F1 ont le même génotype et constituent donc une variété homogène.

L'intérêt pédagogique

D'un point de vue pédagogique, la compréhension de la création de variétés hybrides de maïs implique celles des techniques d’autofécondation et d’hybridation chez cette plante. Cela amène à réinvestir les connaissances acquises sur la reproduction sexuée des plantes dans la première partie du programme. On peut aussi amener les élèves à réfléchir sur les conséquences de ces techniques pour l’agriculteur. Avec la sélection massale, l’agriculteur prélevait sur sa récolte les semences pour la récolte suivante. Avec les variétés hybrides, cela n’est plus possible. En effet, de par le brassage génétique, les plantes F2 issues du croisement entre hybrides F1 ne forment pas une population homogène. L’agriculteur est obligé d’acheter des semences d’hybrides F1 chez le semencier afin d’avoir une population homogène répondant à ses souhaits. Il y a donc une dissociation entre le métier d’agriculteur et celui de semencier chargé de renouveler la production de semences hybrides à partir des lignées pures parentales qu’il doit entretenir.

4 - Les maïs transgéniques

 Et bien sûr, le maïs est l’exemple emblématique pour réfléchir  aux problèmes de création de nouvelles variétés par transgénèse (Voir les ressources pour la classe).

 Approche moléculaire

Intérêt pédagogique d’une étude des gènes impliqués dans la domestication chez le maïs

1 – Un nombre réduit de gènes majeurs sont impliqués dans la domestication

Les différences dans la morphologie de la plante, dans celle des inflorescences femelles et des semences entre le maïs cultivé et le téosinte sont très nettes, ce qui a fait supposer que le passage d’une forme à l’autre au cours de la domestication a fait intervenir des mutations de nombreux gènes.

Au début des années 70, Beadle a testé cette idée en exploitant le fait que les hybrides entre maïs et téosinte sont fertiles ; il a examiné 50000 plantes F2 résultant d’un croisement entre hybrides. Il a constaté que la fréquence de réapparition de maïs et de téosinte de type parental chez ces plantes de seconde génération était approximativement de 1 pour 500.

Il a confronté ces résultats avec des prévisions théoriques. En admettant que les maïs et les téosintes sont de lignée pure pour les caractères envisagés et que les gènes en jeu sont situés sur des chromosomes différents, il a calculé la probabilité de réapparition des phénotypes parentaux en F2 en fonction du nombre de gènes impliqués.

Dans la première partie du programme relative aux conséquences génétiques de la fécondation, il est proposé de réaliser une analyse statistique simple des résultats d’une fécondation. Le réinvestissement de cet apprentissage conduit à établir que les génotypes parentaux doivent réapparaître en F2 avec une fréquence de 1/4 ; 1/16 ; 1/64 ; 1/256 ; 1/1024, 1 sur un million environ si respectivement 1, 2, 3, 4, 5, ... 10 gènes sont impliqués. La confrontation des résultats effectivement obtenus (1/500) avec les prévisions théoriques laisse à penser qu’une évolution touchant un  petit nombre de gènes majeurs, 4 ou 5, suffit pour rendre compte du passage des caractéristiques du téosinte à celles du maïs.

Cette expérience célèbre de Beadle est certes critiquable. Il y a d’abord le postulat que les gènes impliqués ségrègent de façon indépendante. Il y a aussi le fait que ce qu’il observait était le phénotype des plantes et qu’il assimilait les phénotypes parentaux réapparus en F2 à des lignées pures pour les gènes considérés, ne prenant pas en compte le phénomène de dominance. Néanmoins ces données expérimentales plaidaient en faveur de l’idée qu’un petit nombre de différences génétiques était  cause des différences majeures entre téosinte et maïs.

Durant les  20 dernières années, les spécialistes, notamment l’équipe de Doebley, ont recherché la nature des innovations génétiques en cause, confirmant l’idée que des mutations affectant un petit nombre de gènes étaient à l’origine des caractères de la domestication. Ce sont ces recherches qui peuvent servir de support pour l’étude d’un exemple sur la diversification des êtres vivants.

2 – Le gène tb1 et l’architecture du maïs et du téosinte

Un mutant du maïs

Doebley et son équipe ont recherché l’origine génétique des différences dans l’architecture des pieds de maïs et de téosinte : une tige principale avec deux ou trois ramifications courtes terminées par une inflorescence femelle chez le maïs, de nombreuses ramifications dès la base chez le téosinte.

La photo et la schématisation du mutant permettent d’en dégager ses caractéristiques par rapport au  phénotype normal du maïs. Il est abondamment ramifié dès la base et les ramifications se terminent par une inflorescence mâle. En revanche, il n’y a pas d’inflorescence femelle. Ce mutant ressemble au téosinte par l’importance de ses ramifications ; il en diffère par l’absence d’inflorescences femelles sur les ramifications.

Le croisement entre un maïs normal et le mutant (le mutant jouant le rôle de plante mâle) engendre en F1 des plantes ayant le phénotype normal. Le croisement de ces F1 conduit à une génération F2 comprenant approximativement, 3/4 (72/99) de plantes de phénotype normal et 1/4 (27/99) de plantes ayant le phénotype mutant. Ces proportions statistiques indiquent que la différence phénotypique est due à un seul gène et que l’allèle muté est récessif.

Le document 2 montre que le phénotype du mutant est proche de celui du téosinte par l'importance des ramifications. Il en diffère toutefois par l'absence d'inflorescences femelles. Comme pour les croisements du document 1, ceux du document 2 indiquent que les différences morphologiques entre maïs et téosinte sont dues à un  seul gène et que l'allèle téosinte est dominant et celui du mutant récessif. En conclusion, il semble exister un gène dont les allèles différents chez le maïs normal, le maïs mutant et le téosinte sont à l'origine des morphologies différentes.

Le gène Tb1(teosinte branched1 gene)

Les chercheurs ont ensuite identifié le gène en cause et l’ont appelé tb1 à cause du phénotype proche de celui du téosinte du mutant du maïs. Ils ont cloné ce gène et déterminé sa séquence

A partir des séquences codantes des allèles du gène tb1 trouvés chez les maïs, on peut avec Anagène traduire ces séquences en protéines. La comparaison de ces protéines tb1 révèle un certain polymorphisme mais ce dernier est neutre puisque les protéines conduisent au même phénotype et sont donc fonctionnelles. La séquence de l'allèle mutant est caractérisée par l'insertion d'une séquence d'un segment d'ADN qui a pour effet d'introduire un codon stop anticipé et donc à une protéine non fonctionnelle. Puisque le mutant ne produit pas de protéine fonctionnelle TB1, la comparaison des phénotypes des maïs normal et mutant conduit à dire :

- que la protéine TB1 normale inhibe la croissance des ramifications à partir de leurs bougeons axillaires ;

- que la protéine TB1 est indispensable à la formation d'inflorescences femelles.

On a montré que la protéine codée par le gène est un facteur de transcription qui en se fixant à des séquences régulatrices de gènes impliqués dans le cycle cellulaire et l’élongation des rameaux en contrôle l’expression, en ayant un effet inhibiteur.

Puisque l'architecture du mutant de maïs est semblable à celle du téosinte on peut faire l'hypothèse que le passage du phénotype téosinte au phénotype maïs est dû à un changement dans le gène TB1 d'où résulte un effet répressif sur les bourgeons axillaires.

On dispose des séquences nucléiques de plusieurs téosintes. On peut comparer ces séquences à celles des différents allèles de maïs. On constate qu'elles ont une très forte similitude. Néanmoins, à deux sites, on constate que les séquences TB1 du maïs diffèrent de celles des téosintes. Cela peut laisser penser que ces différences pourraient être à l'origine de différences fonctionnelles entre les protéines de TB1 chez le maïs et le téosinte. Mais si on compare les protéines TB1 des téosintes (obtenues après traduction) à celles du maïs, on constate que les deux différences nucléiques ne se traduisent pas au niveau protéique. Cette comparaison montre qu'il n'existe pas de sites spécifiques aux protéines du maïs, c’est à dire des sites où l'acide aminé est le même chez  toutes les protéines TB1 du maïs et différent de celui trouvé chez  les  téosintes. Cela indique que les protéines TB1 du maïs et du téosinte ont la même fonction : la différence morphologique entre la plante cultivée et la plante sauvage ne s'explique pas par des mutations au niveau de la séquence codante du gène TB1.

Les chercheurs ont alors fait l'hypothèse que si la fonction de la protéine TB1 n'a pas changé, il est probable que des changements dans l'expression du gène sont cause du changement phénotypique. Ils ont dosé la quantité d'ARN messager du gène TB1 présente chez le maïs et le téosinte, d'une part au niveau des bourgeons axillaires, d'autre part au niveau des ébauches d'inflorescences femelles.

Le document 3 indique des différences importantes dans l'expression du gène TB1 chez le maïs et le téosinte. Chez le maïs il est fortement exprimé au niveau des bourgeons axillaires et inhibe donc la croissance des ramifications. Chez  le téosinte il est très peu exprimé à ce niveau ce qui explique la production de ramifications. L'expression du gène au niveau des ébauches des inflorescences femelles explique que celles-ci se développent normalement puisque le gène TB1 est indispensable à leur  formation.

Conclusion :

L'exemple de l'évolution morphologique du téosinte vers le maïs illustre bien la phrase du programme : «  s’agissant des gènes impliqués dans le développement, des formes vivantes très différentes peuvent résulter de variations dans la chronologie et l’intensité d’expression de gènes communs ». Le lien évolutif est démontré. La différence morphologique est nette. La protéine a gardé la même fonction. C'est le fait qu'elle est produite en plus grande quantité qui est le facteur déterminant du changement morphologique. Le changement d'expression d'un gène implique un changement dans la régulation de son expression. Récemment, on a mis en évidence des changements au niveau des régions cis-régulatrices qui contrôlent l'expression de TB1.

3 – Le gène tga1 (téosinte glume architecture1)  et la cupule de la semence.

L'évolution phénotypique

Les semences de téosinte sont entièrement enfermées dans une cupule dure alors que les grains des maïs cultivés sont nus (en réalité les formations à l’origine de la cupule de téosinte existent aussi chez le maïs mais elles sont très réduites et non coriaces).

Le passage d’un type de semence à l’autre a été une étape critique dans le processus de domestication, en donnant un accès direct à la semence sans avoir à briser la coque.

Au cours des années 1990, des études moléculaires ont amené à penser qu’un gène situé sur le chromosome 4 était en cause dans cette évolution de la cupule entourant chaque semence. Les chercheurs ont appelé ce gène tga1.

Le document 4 (Des pieds de téosinte avec un gène tga1 de maïs) montre le phénotype de semences produites par des pieds de téosinte  qui possèdent le gène tga1 de maïs à la place du gène tga1 de téosinte. On constate que la semence est visible de l’extérieur ce qui indique que la cupule  est réduite par rapport à celle de téosinte ayant le gène de téosinte. Par rapport au gène tga1 de téosinte, son homologue maïs  entraîne une réduction nette de la cupule ce qui confirme que ce gène est bien impliqué dans l’évolution morphologique de la semence. La suppression de la cupule n’est pas complète ce qui indique que d’autres gènes sont impliqués mais tga1 a joué un rôle majeur dans cette évolution phénotypique.

Le fichier de séquences permet de comparer les séquences codantes de divers allèles tga1 de maïs et de téosinte. On constate un certain polymorphisme du gène  chez le maïs et le téosinte. Surtout on trouve, en position 6 le codon AAT dans tous les allèles du maïs et le codon AAG dans tous les allèles de téosinte. Si on traduit tous les allèles tga1 du maïs et du téosinte, et qu’on compare les protéines, on constate que la différence nucléotidique entraîne une différence dans la séquence en acides aminés en sixième position : la lysine présente dans la protéine tga1 du téosinte est remplacée par l’asparagine dans la protéine du maïs. Il existe donc une corrélation entre l’évolution de la protéine tga1 et le changement phénotypique relatif à la cupule. Les chercheurs estiment que cette corrélation indique une causalité : le changement d’acide aminé en position 6 confère des propriétés nouvelles à la protéine du maïs par rapport à celle du téosinte. Néanmoins la preuve n’en a pas été fournie.

Les chercheurs ont aussi étudié l’expression du gène tga1 dans les inflorescences femelles du maïs et de téosinte et n’ont pas trouvé de différences significatives. Cela confirme que c’est la différence sur la séquence codante qui est impliquée et non un changement dans l’expression du gène.

Bilan : les notions générales sur les relations entre innovations génétiques et évolution de la morphologie des êtres vivants sont illustrées par les gènes de la domestication du maïs.

Parmi les innovations génétiques affectant la morphologie, on peut reconnaître :

- Celles qui ont pour effet de modifier l’expression d’un gène (lieu où il s’exprime, intensité de son expression, chronologie d'expression). Ces innovations n’affectent pas la séquence codante du gène mais il s’agit de mutations affectant des régions régulatrices qui contrôlent la transcription du gène. C’est typiquement le cas du gène tb1 et de son action sur la morphologie du maïs.

- Celles qui affectent la séquence codante du gène et qui ont pour conséquence une modification de la fonction de la protéine codée par le gène. C’est le cas du gène tga1 dont une mutation semble en jeu dans le passage d’une semence de type téosinte au grain de maïs.

Tb1 et Tga1 sont tous deux des gènes qui codent pour des facteurs de transcription c'est-à-dire des protéines qui en se liant aux séquences régulatrices d’autres gènes en affectent la transcription. Ils occupent une place centrale au sein d’une cascade de gènes organisée en réseaux. Les gènes situés en aval de ces réseaux génétiques sont des gènes « effecteurs » : les protéines qu’ils codent sont directement à l’origine des phénotypes contrôlés par les réseaux de gènes. Du fait qu’un facteur de transcription peut agir sur de nombreux gènes cibles, on perçoit qu’une mutation affectant la protéine qu’il code ou son expression puisse avoir des conséquences importantes sur la morphologie.