Interroger une base de données pour montrer l'origine endosymbiotique des organites
Cette activité de terminale spécialité SVT vise à montrer la parenté entre les cyanobactéries et les chloroplastes des cellules végétales.
Elle étudie ensuite l'hypothèse d'un transfert de gène du chloroplaste vers le noyau lors de son évolution.
Activité proposée par Philippe GOEURY du Lycée Leconte de Lisle sur une idée de Y.Maillard (académie Aix-Marseille
Le contexte
Dans les années 1960, le biologiste Lynn Margulis émet une théorie proposant une origine endosymbiotique des organites semi-autonomes (mitochondries et plastes). On se propose ici de trouver des arguments permettant de discuter de cette théorie.
Dans un premier temps, les élèves analyse des documents pour établir des arguments en faveur de cette théorie. En particulier, ces organites contiennent du matériel génétique, une étude de celui-ci est donc possible : on propose donc une phylogénie des êtres vivants dans laquelle figurent mitochondries et chloroplastes.
Arbre phylogénétique non raciné des trois domaines du vivant, réalisé à l’aide d’un gène de la petite sous-unité ribosomal (barre : 0,1 substitution par site). Les positions des trois génomes (nucléaire, mitochondrial et chloroplastique) contenus dans le maïs (Zea mays) sont indiquées — Synechococcus est une cyanobactérie.
Tiré de : SELOSSE Marc-André, JOYARD Jacques. Symbiose et évolution : à l’origine de la cellule eucaryote. Encyclopédie de l’Environnement [en ligne]. Disponible sur : www.encyclopedie-environnement.org - BY-NC-SA
On établit ainsi la relation de parenté entre les cyanobactéries et les organites chlorophylliens des végétaux de la lignée verte.
On se propose ensuite de comparer la taille des génomes de différentes espèces de bactéries libres et d’organites d’eucaryotes.
Comparaison de la taille des génomes
Dans un second temps, une comparaison est faite de la taille des génomes des plastes avec leurs cousins que sont les cyanobactéries. Cette deuxième partie passe par l'interrogation d'une base de données en ligne : celle du National Centerfor Biotechnology Information, institut public américain situé dans le Maryland.
Lien vers la base de données du NCBIL'élève doit alors rechercher dans la section "genome" de la base de données les données pertinentes pour la comparaison : des cyanobactéries et un ou plusieurs chloroplastes.
Barre de recherche du site NCBI
Résultats de recherche pour le chloroplaste de maïs "Zea mays chloroplast"
On constate alors que les cyanobactéries ont un génome bien plus long que celui des plastes (d'un facteur 15 à 40).
Cette activité abouti au sous-problème de la séance : comment expliquer cette diminution de la taille des génomes ?
Cela aboutit à la dernière partie de la séance. L'hypothèse d'un transfert de gènes vers le noyau peut émerger. C'est celle-ci que nous allons désormais vérifier.
Un transfert de gènes vers le noyau
Pour cela nous travaillerons sur l'exemple d'une enzyme des chloroplastes : la Rubisco, enzyme clef de la photosynthèse. Là encore, il s'agit d'interroger la base de données. Cette dernière partie est également l'occasion de travailler l'épreuve des compétences expérimentales en leur proposant de mettre au point une stratégie utilisant la base de donnée.
La RuBisCo, enzyme clef de la photosynthèse, est présentée aux élèves : c'est une protéine située présentée chez les cyanobactéries et les végétaux verts. Chez ces derniers, elle est située dans les chloroplastes. Elle est constituée, dans les chloroplastes comme chez les cyanobactéries, de 2 sous-unités dont chacune est gouvernée par un gène différent.
On se propose donc de rechercher la localisation des deux gènes de la RuBisCo.
Pour cela, il faut interroger la base de données "Gene" en indiquant :
- « rbcL large subunit » pour la grande sous-unité
- « rbcL small subunit » pour la petite sous-unité
Résultats de la recherche pour la grande sous-unité
De très nombreuses espèces sont recensées dans la base de donnée, mais on retrouve dans les premiers résultats la plante étudiée dans la première partie : le maïs.
On constate, en sélectionnant la fiche correspondante que le gène de la petite sous-unité de la RuBisCo est nucléaire (chez le maïs, elle sur le chromosome 4).
Ceci nous permet de valider l'hypothèse du transfert de gène et ainsi de confirmer que "Le génome de la cellule (bactérie ou eucaryote) intégré dans une cellule hôte régresse au cours des générations, certains de ses gènes étant transférés dans le noyau de l’hôte. Ce processus est à l’origine des mitochondries et des chloroplastes, organites contenant de l’ADN."
Cette activité permet ainsi de comprendre l'importance des bases de données dans la biologie moléculaire et cellulaire moderne. De plus, si la maitrise de l'anglais n'est pas un obstacle, le fait de travailler sur une base de données américaine permet aux élèves de réaliser l'importance que cette langue a prise en tant que vecteur de communication scientifique.
Place dans les programmes
Cette activité trouve sa place dans le programme de terminale spécialité SVT : dans la partie La complexification des génomes : transferts horizontaux et endosymbioses du thème La Terre, la vie et l’organisation du vivant.
Elle permet d'illustrer la notion suivante : "Les endosymbioses transmises entre générations, fréquentes dans l’histoire des eucaryotes, jouent un rôle important dans leur évolution. Le génome de la cellule (bactérie ou eucaryote) intégré dans une cellule hôte régresse au cours des générations, certains de ses gènes étant transférés dans le noyau de l’hôte. Ce processus est à l’origine des mitochondries et des chloroplastes, organites contenant de l’ADN."
Liens utiles et téléchargements
Mise à jour : septembre 2023
