La diversité génétique au sein d'une espèce
Introduction :
La vie se manifeste sous des formes très variées, et ce depuis toujours. On estime que la Terre héberge plus d’une dizaine de millions d’espèces même si seulement $1,7\,\text{million}$ sont connues par l’Homme. Cette richesse d’espèces, qui évolue dans le temps, est le résultat de la variabilité génétique, qui se retrouve également au sein des populations d’une même espèce. Nous allons voir comment la diversité génétique se manifeste. Puis nous nous interrogerons sur les moyens de la faire évoluer, de la modifier, de l’améliorer ; pour ce faire, nous étudierons plus précisément le cas de la vanille, concurrencée par la vanilline de synthèse.
Diversité génétique
Diversité génétique
Les individus d’une même espèce ont les mêmes gènes mais ils présentent des variations individuelles héréditaires. La diversité génétique est liée à la variabilité de chacun de ces gènes au sein d’une même espèce. Plus une espèce possède de gènes avec de nombreux allèles différents, plus elle présentera une diversité génétique importante.
Les chromosomes, gènes et allèles
Les chromosomes, gènes et allèles
La diversité génétique représente donc la diversité des gènes au sein d’une espèce.
Définition
Gène :
Un gène est un élément du chromosome, porteur d’un caractère héréditaire précis de la cellule ou de l’organisme dont il assure la transmission.
Les chromosomes d’une même paire sont dits homologues. Chaque gène occupe une place bien précise sur un chromosome. Des gènes occupant une même position sur une paire de chromosomes homologues et présentant deux formes différentes, sont appelés allèles.
Sur la $15^\text{e}$ paire de chromosome, on trouve au même endroit, sur chacun des deux chromosomes, un gène codant la couleur des yeux : ici, l’individu étudié présente un allèle pour les yeux bruns sur le chromosome de gauche, et un allèle pour les yeux bleus sur le chromosome de droite.
Définition
Allèle :
Un allèle est une des nombreuses versions d’un même gène. On trouvera pour deux allèles différents une séquence d’ADN différente.
À retenir
Lorsque les allèles sont différents, il arrive souvent qu’un des deux s’exprime mais pas l’autre. Celui qui s’exprime est dit « dominant », l’autre est dit « récessif ».
Dans l’exemple ci-dessus, l’allèle « brun » est le caractère héréditaire dominant, l’allèle « bleu » est récessif. L’individu aura donc les yeux bruns.
Dans le cas où les deux allèles s’expriment, ils sont dits « codominants ».
Exemple
Pour le gène responsable de la taille d’un individu, si l’enfant a reçu un allèle « petite taille » et un allèle « grande taille », il aura à l’âge adulte une taille moyenne.
La diversité génétique au niveau d’un gène s’évaluera en fonction du nombre de ses allèles et de leur fréquence.
Génotype et phénotype
Génotype et phénotype
Schéma simplifié illustrant la différence entre le génotype et le phénotype
Définition
Génotype :
Le génotype représente les gènes contenus dans l’ADN d’une cellule et les allèles présents pour chacun de ces gènes.
Dans l’espèce humaine, seuls les jumeaux monozygotes (issus du même œuf fécondé) ont les mêmes allèles, donc le même génotype.
Définition
Phénotype :
Le phénotype est le caractère physique observable ou mesurable déterminé par le génotype.
Le phénotype exprime l’interaction entre le génotype et son milieu, les effets de son environnement. C’est une caractéristique d’un organisme telle que sa morphologie, son développement, ses propriétés biochimiques, sa physiologie ou son comportement.
Le phénotype peut donc être influencé par son environnement, c’est pourquoi il existe des phénotypes saisonniers.
Exemple
Prenons l’exemple de l’Araschnia levana : ce papillon lépidoptère, qui doit son nom au graphisme en toile d’araignée sur ses ailes, voit leur couleur changer en fonction de la saison (orangées au printemps, ses ailes virent au noir en été).
Modifications de cette diversité génétique
Modifications de cette diversité génétique
Lors de la formation des gamètes mâles et femelles, le génome peut subir des modifications qui peuvent entraîner l’émergence d’espèces possédant des caractères nouveaux.
Nous allons voir de quel ordre peuvent être ces différentes modifications.
Définition
Génome :
Le génome est l’ensemble des chromosomes et des gènes d’un individu ou d’une espèce.
Les niveaux d’expression du phénotype
Les niveaux d’expression du phénotype
Attention
« Population » et « espèce » n’ont pas le même sens : une population est un ensemble d’individus d’une même espèce se reproduisant entre eux et vivant au même endroit et à la même époque.
Le phénotype s’exprime à tous les niveaux du vivant, depuis le niveau moléculaire jusqu’au niveau des populations.
Exemple
Chez l’Homme, on observera plus particulièrement les maladies génétiques qui sont au nombre de $10000$ (il existe $30000$ gènes).
Le phénotype d’une maladie va s’exprimer à différents niveaux :
- au niveau de l’organisme (on notera des dysfonctionnements physiologiques ou des anomalies morphologiques), c’est le phénotype macroscopique ou clinique ;
- au niveau des cellules formant l’organisme, c’est le phénotype cellulaire ;
- au niveau des molécules constituant les cellules et responsables du fonctionnement de celles-ci, c’est le phénotype moléculaire.
Expression du daltonisme
Toutes les composantes d’un être vivant possèdent une composante génétique dont l’expression dépend également de l’environnement.
Exemple
Par exemple, si l’on observe l’organisation d’une ruche, on constatera que le sexe mâle ou femelle est déterminé génétiquement, comme chez les humains. Mais la destinée des femelles (ouvrières stériles ou reine fertile) est quant à elle déterminée par la qualité de la nourriture : la reine sera nourrie de gelée royale tout au long de son développement, alors que l’ouvrière consommera de la bouillie de miel et de pollen. L’absence de pollen dans l’alimentation permettra chez la reine le développement des organes génitaux.
Par des expériences de transgénèse, on peut observer que le génotype influence directement le phénotype d’un individu.
Les mutations
Les mutations
Les phénotypes découlent donc du génotype, c’est-à-dire des allèles et gènes possédés par un individu. Un nouveau phénotype peut apparaître suite à une mutation accidentelle, rare ou provoquée. Cela entraîne la création d’un nouvel allèle du gène et une modification du caractère correspondant.
Définition
Mutation :
Une mutation est une modification de l’ADN dans le génome. Lorsque la séquence génétique est transmise à la génération suivante, la mutation est dite héréditaire.
Les mutations spontanées, qui sont en général rares et aléatoires, sont la principale source de diversité génétique. Elles sont le moteur de l’évolution. Nous verrons plus en détails ces mutations spontanées dans le cours intitulé « Variation naturelle et impact humain ».
Les brassages génétiques
Les brassages génétiques
Les brassages génétiques représentent un réarrangement et un mélange du matériel génétique au cœur d’une population.
Définition
Brassage génétique :
Un brassage génétique est l’ensemble des recombinaisons génétiques d’une population : on obtient une association différente de celle initiale observée chez les cellules ou individus parentaux.
Le brassage génétique peut intervenir à deux niveaux :
- au niveau de l’individu : on a alors l’ensemble des mutations de son génome, antérieures à la formation d’un gamète ;
- au niveau de la reproduction sexuée : lors de la formation des gamètes, il se produit une sélection aléatoire d’une partie du patrimoine génétique d’un individu.
Rappel
La méiose est la formation de gamètes se déroulant dans les organes de reproduction. Elle se compose de deux divisions cellulaires successives.
Brassage génétique au cours de la méiose
Au cours de la méiose, les chromosomes homologues de chaque paire sont étroitement appariés. Ici, on peut voir des chiasmas au niveau desquels se produisent des échanges de brins de chromosomes (chromatides) aboutissant à des échanges d’allèles du même gène : on parle de recombinaison homologue. Les chromosomes ne contiennent alors plus la même information génétique que ceux d’origine.
Définition
Chiasma :
Le chiasma est la zone de croisement de deux chromatides homologues, l’une d’origine maternelle, l’autre d’origine paternelle.
La vanille et la vanilline de synthèse : virus, concurrence et hybridation
La vanille et la vanilline de synthèse : virus, concurrence et hybridation
Les différentes espèces de vanille
Les différentes espèces de vanille
La culture de la vanille est actuellement confrontée à de grandes difficultés dues à l’augmentation de la production, à la concurrence de la vanilline de synthèse, au développement de virus qui affectent le genre Vanilla et à la qualité inégale des gousses. Pour améliorer la qualité et la traçabilité des produits, la diversité génétique existante doit être mieux connue.
On connaît $17$ espèces de vanille dont :
- la Vanilla planifolia : Cette espèce assure plus de 95 % de la production mondiale de vanille ;
- la Vanilla tahitensis : Les tiges sont plus élancées, les entre-nœuds plus longs et les feuilles plus étroites que celles de Vanilla planifolia ;
- la Vanilla pompona : Les feuilles sont plus larges et plus grandes, les gousses plus petites et trapues que celles de Vanilla planifolia. Elle est très aromatique et possède plus d’héliotropine que de vanilline, ce qui la prédestine plutôt à la parfumerie. Elle présente des caractères intéressants de résistance à la fusariose (maladie fongique courante chez les végétaux).
Le vanillier et ses gousses
La vanilline
La vanilline
La vanilline est un des multiples composants de l’arôme naturel de vanille, le plus important et le plus caractéristique. En 1874, deux chimistes allemands ont réussi à la synthétiser à partir de coniférine (composant présent dans l’écorce de pin). Son odeur s’apparente à celle de la vanille et son goût est sucré. Cette production industrielle de la vanilline par divers procédés coûte bien moins cher que la vanille naturelle, ce qui la rend de plus en plus populaire dans l’alimentation ou autres usages. Cette concurrence déloyale avec la vanille naturelle contraint à l’hybridation des espèces de vanille afin d’en rendre la production plus rentable.
L’hybridation
L’hybridation
Que ce soit de façon naturelle, ou produite par l’Homme, l’hybridation permet la naissance de nouveaux individus, participant ainsi à l’évolution de la biodiversité génétique.
Définition
Hybridation :
L’hybridation représente le croisement entre deux variétés d’une même espèce ou le croisement entre deux espèces. On obtient alors un individu hybride.
Dans le cas de la vanille, des hybridations ont été réalisées croisant Vanilla planifolia (pour l’arôme), Vanilla tahitensis (qui permet aux fruits de ne pas s’ouvrir à maturité) et Vanilla pompona (pour la vigueur et la résistance aux maladies). On peut citer notamment l’hybride A55-295 (Vanilla planifolia × Vanilla tahitensis) qui donne des gousses qui ne s’ouvrent pas à maturité et peuvent mûrir sur le pied ; qui plus est, il affiche des taux de vanille très supérieurs à la moyenne.
Conclusion :
Les mutations, les hybridations, les différentes modifications génétiques sont des mécanismes d’évolution qui peuvent modifier la diversité allélique au sein d’une population. Ils peuvent entrainer, au fil du temps, la différenciation des populations et la genèse de nouvelles espèces.