TCSM – 2ème Année TD de GENETIQUE T.D. n°2- Les Cycles de Vie Rappels de cours Applications Exercices

LES CYCLES DE VIE - GENERALITES

LES CYCLES DE VIE - GENERALITES 25/03/2017 LES CYCLES DE VIE - GENERALITES La reproduction sexuée d'un organisme implique l'alternance d'une phase haploïde et d'une phase diploïde. Selon les organismes, la longueur relative de ces 02 phases est très variable. Les passages successifs, au cours des générations, d'un état à l'autre, sont représentés par un cercle qui symbolise le cycle de vie de l'organisme considéré (=cycle biologique ou cycle vital). La diversité des Eucaryotes à reproduction sexuée se manifeste par l'état prépondérant dans leur cycle de vie. La  phase diploïde est prépondérante chez les Animaux, dont l‘Homme, certaines Algues brunes (Fucus) et certains Protistes (Diatomées, Ciliés). Les cellules somatiques de ces organismes sont toutes diploïdes. Elles résultent des divisions de l'oeuf et de différenciations au cours du développement. Seuls les gamètes, qui sont produits dans les cellules germinales des organes génitaux, sont haploïdes. Ces organismes dits diplobiontiques ou diploïdes ont un cycle diplophasique. Cycles de Vie-

LES CYCLES DE VIE - GENERALITES Pour d'autres organismes au contraire, les cellules végétatives sont à l'état haploïde, la phase diploïde est le plus souvent réduite au zygote qui subit immédiatement la méiose. C'est le cas de certains Champignons filamenteux (Moisissures), de certaines Algues vertes (Spirogyra, Ulothrix) et de nombreux Protistes (Chlamydomonas, Plasmodium). Ils ont un cycle haplophasique, ce sont des organismes haplobiontiques ou haploïdes. Un 3ème type de cycle de vie, également représenté dans la nature, est le cycle haplodiplophasique, qui caractérise des organismes capables de se multiplier activement aussi bien à l'état haploïde qu'à l'état diploïde tel la levure de boulangerie (Saccharomyces cerevisiae), très étudiée par les généticiens. C'est également le cas le plus fréquent pour les Champignons ‘à chapeau’, et l'ensemble des Plantes, dont la plupart des Algues. En réalité, il existe tous les intermédiaires quant à l'importance relative des deux phases. Par exemple, chez les Angiospermes, la phase haploïde est très réduite.

Exemple de Cycle de vie - 1

Exemple de Cycle de vie - 2

Cycle de vie du Champignon Ascomycète Neurospora crassa (2) 25/03/2017 Cycle de vie du Champignon Ascomycète Neurospora crassa (2) Cycles de Vie-

Exemple de Cycle de vie - 3

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Applications : Organismes Haplobiontiques Les produits de la méiose sont accessibles : Histoires de spores et d’asques Spore : cellule haploïde issue de la méiose. Asque : organe microscopique en forme de sac contenant les 4 (spores) produits d’une même méiose. Organismes produisant des spores en vrac : Analyse des Tétrades

Organismes à cycle Haplobiontique LES CYCLES DE VIE - APPLICATIONS Organismes à cycle Haplobiontique EXEMPLE 1 : Neurospora crassa (& champignons Ascomycètes) Chez les champignons du genre Neurospora, la structure de l'asque donne directement accès aux phénomènes de ségrégation qui se sont produits durant de la méiose car ces asques ont une mémoire de l'orientation des fuseaux de division : on parle d'asques ordonnés. Chez ce champignon, il est possible de faire trois types d'analyse : l'analyse de spores en vrac, l'analyse d'asques non ordonnés et l'analyse d'asques ordonnés. Nous allons détailler uniquement ce qu'il se passe dans le cas de l'analyse des asques ordonnés car nous verrons l'analyse de tétrades désordonnées et les spores en vrac dans le cas de la levure. Après la méiose chez ce champignon, il se produit une mitose qui conduit à des asques contenant huit spores. Cela n'est pas gênant car les 2 spores issues d'une mitose sont identiques et cote à cote :

LES CYCLES DE VIE - APPLICATIONS Pour simplifier l'explication et les dessins, nous ne considérerons donc que les produits avant la mitose post-méiotique. Exercice : On voudrait connaitre le type de thalle (A ou a) de chaque spore dans un asque de Neurospora. Pour cela, on isole les 8 ascospores contenues dans cet asque, et on les numérote de 1 à 8, de haut en bas. Après germination, elle donnent 8 mycéliums individuels. Ces mycèles sont testés. Le mycèle n°1 produit des périthèques lorsqu’il entre en contact le avec le mycèle n°3. De même, mycèle n°2 en contact avec le mycèle n°6 forme des perithèques. Dans un 3ème test, le mycèle n°8 est mis en contact avec un mycèle de référence de type connu : a mais ne forme aucun périthèque. Indiquer le génotype de chaque spore et expliquer comment l’asque étudié a été formé durant la méïose ?

LES CYCLES DE VIE - APPLICATIONS Schématisons avec 01 gène sur un chromosome ce qui se passe au cours de la méiose :

LES CYCLES DE VIE - APPLICATIONS - Les asques préréduits sont faciles à repérer car chaque demi asque est homogène avec soit une spore a+ soit une spore a-, alors que pour les asques postréduits, les demi asques contiennent une spore avec un allèle et une spore avec l'autre allèle (hétérogène). - Le premier renseignement que l'on tire est que s'il y a un seul gène alors il ségrège 2:2 dans chacun des asques (c'est à dire que quatre spores sont a- et quatre spores sont a+) ! Donc, si un caractère ne ségrége pas 2:2 dans chacun des asques c'est qu'il n'est pas codé par un seul gène. - Deuxièmement, les proportions d'asques pré réduits et post réduits dépendent de la fréquence des COs (Crossing-over) qui se produisent entre le centromère et le gène. On peut calculer la distance entre le gène et le centromère : D = (nb d'asques post réduits / (2 x le nb total d'asques)) x 100 exprimée en cM (car pour chaque asque post réduit, seulement la moitié des chromatides est recombinée).

LES CYCLES DE VIE - APPLICATIONS Question 1: Que se passe-t-il si le gène est très proche du centromère ? Question 2: Que se passe-t-il si le gène est très éloigné de son centromère ? Solution : R1 : Dans ce cas, on n'obtient que des asques pré-réduits, et la distance est nulle. R2 : Dans ce cas, on obtient un mélange d'asques pré-réduits et post-réduits dans des proportions respectives de 1/3 et 2/3. En effet, si 0 CO : 100% d'asques pré-réduits, si 1 CO : 100% d'asques post-réduits, si 2 CO : 50% d'asques pré-réduits et 50% d'asques post-réduits:

LES CYCLES DE VIE - APPLICATIONS On voit que : - Un asque qui subit 01 CO aboutit à un asque post-réduit. - Si on part d'un asque qui subit 02 COs, on obtient dans un cas sur deux un asque post-réduit et dans un cas sur deux un asque pré-réduit. On peut donc construire la suite suivante : (% asques post-réduits)n = (% asques pré-réduits)n-1 + 1/2 (% asques post-réduits)n-1 comme (% asques pré-réduits)n-1 = 1- (% asques post-réduits) n-1 , on en déduit que : (% asques post-réduits)n = 1-1/2 (% asques post-réduits)n-1 et donc lorsque n est très grand, la proportion d'asques post- réduits converge vers 2/3 qui est la limite à l'infini de cette suite. Donc si le % d'asques post-réduits est de 66%, cela veut dire que le gène est éloigné de son centromère et qu'il ségrége indépendam- ment du centromère ! Attention dans ces conditions, on ne peut pas calculer une distance !!!

LES CYCLES DE VIE - APPLICATIONS En résumé : pour analyser ces asques, on recherche les asques pré- et post-réduits. Puis on calcule le pourcentage de post-réduction qui représente le double de la distance du gène au centromère (après correction par 100 pour avoir des cM !). Sauf si le pourcentage d'asques post- réduits est égal à 66%, auquel cas le gène est considéré indépendant de son centromère et la distance ne pourra être calculée. Lorsque plusieurs gènes sont en jeu (ce qui se voit par l'obtention d'asques de type 3:1 ou 4:0), il est conseillé de traiter les données pour chaque gène par rapport à son centromère indépendamment des autres. Ensuite, il faut traiter les gènes deux à deux sous forme d'asques non- ordonnés comme dans le cas de la levure.

LES CYCLES DE VIE - APPLICATIONS EXEMPLE 2 : Drosophila melanogaster Chez les organismes diplobiontiques comme la Drosophile, l'accès direct aux résultats de la méiose est le plus souvent impossible. On est donc obligé de les inférer à partir des individus provenant des fécondations des gamètes issus de la méiose. Nous ne verrons que quelques-uns des cas qui sont représentatifs. Ce qui se passe avec un gène porté par un autosome est identique à l'expérience de Mendel (voir chapitre 2). Par contre, si le gène est situé sur le chromosome X, alors dès la F1 des différences sont observées : En particulier, les résultats dépendent des partenaires mâles et femelles en présence. Pour un couple d'allèle a1/a2 avec a1 récessif : Le croisement Femelle a1/a1 x Mâle a2/Y donne en F1 des F a1/a2 de phénotype sauvage et des M de phénotype mutant. Le croisement réciproque, F a2/a2 x M a1/Y donne une descendan-ce entièrement sauvage car les femelles ont le même génotype que dans le croisement précédent et les M ont pour génotype a2/Y .

LES CYCLES DE VIE - APPLICATIONS Pour 02 gènes Autosomaux, représentés par 02 couples d’allèles a1/a2 et b1/b2, (avec a1 et b1 récessifs et entraînant respectivement les phénotypes a et b), pour un croisement de type : Il est possible de construire le tableau suivant qui résume les résultats : Si les gènes sont indépendants, on s'attend à obtenir pour chacune des catégories les mêmes effectifs et donc on s'attend à observer : 9/16 de phénotype sauvage, 3/16 de mutant a, 3/16 de mutant b et 1/16 du double mutant (récessif) ab. a1 b1 x a2 b2 M / F  a1 b1 a2 b2 a1 b2 a2 b1 a b sauvage a b

LES CYCLES DE VIE - APPLICATIONS Dans le cas, où ces proportions ne sont pas observées, il est possible que deux gènes liés soit en jeu. Il faut alors essayer de déterminer les catégories parentales et les catégories recombinées. Par exemple, dans le croisement ci-dessus, les catégories parentales sont a1 b1 et a2 b2. Si les gènes sont liés, on s'attend donc à un excès de la catégorie a b et un déficit pour chacune des catégories a b+ et a+ b. En fonction, des associations des allèles récessifs en cis ou en trans, il est des cas où le calcul de la distance est possible et d'autres où cela ne l'est pas.(voir les exercices de TD chapitre 2 « Génétique mendélienne »). Dans le cas, où un des gènes au moins est sur le chromosome sexuel X, les proportions seront différentes . En tout état de cause, ceci est visible directement sur la F1 comme nous cela a été vu dans le cas d'un seul gène.

LES CYCLES DE VIE - EXERCICES Exercice 1- Neurospora crassa Une souche de Neurospora qui nécessite de la Methionine (m) est croisée avec une souche sauvage (m+) qui donne les résultats suivants : Quelle est la distance de ce gène M à son centromère ? Exercice 2- Neurospora crassa Deux souche de Neurospora, une mutante pour le gène a et une mutante pour le gène b sont croisées. Les résultats sont présentés ci-dessous : Quelle est la relation de liaison entre ces deux gènes A et B ? Type spores Nb d'asques observées 1-2 3-4 5-6 7-8 1 + m 6 2 5 3 4 7 40 36 Type %age d'Asques spores 1-2 3-4 5-6 7-8 1 79 a + + b 2 14 + + a b 3 6 4

LES CYCLES DE VIE - EXERCICES Exercice 3- Ascomycètes - asques non ordonnées Le croisement (a b c) x (+ + +) est réalisé chez un Ascomycète qui présente des Tétrades non ordonnées. A partir de l'analyse de 100 asques, déterminez les relations de liaison entre ces 03 loci aussi précisément que les résultats le permettent : Exercice 4- Neurospora – asques ordonnées On croise une souche de Neurospora auxotrophe pour la thiamine et l’arginine avec une souche prototrophe. On obtient les résultats suivants pour les différents types d’asques : Quel est le génotype des souches parentales ? Quelles informations pouvez vous tirer des résultats de ce croisement concernant la position des gènes ? Type Nb d'Asques spore 1 spore 2 spore 3 spore 4 1 40 a b c + + + 2 42 a b + + + c 3 10 a + c + b + 4 8 a + + + b c Type Nb d'Asques spore 1 spore 2 spore 3 spore 4 1 40 Thi + Arg + Thi + Arg - 2 Thi - Arg + 3 14 Thi - Arg - 4 6