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DÉVELOPPEMENT ET ÉVOLUTION DU SYSTÈME NERVEUX

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DÉVELOPPEMENT ET ÉVOLUTION DU SYSTÈME NERVEUX

Conférence du 24 janvier 2000 par Alain Prochiantz. On découvrit dans les années 1970, chez une mouche, la Drosophile, des mutations conduisant au remplacement de tout ou partie d'un organe par un autre organe. On observa, par exemple, des transformations de type antenne-patte, aile-balancier, ou aile-oeil. Ces mutations ont été dites homéotiques, l'organe d'un segment étant remplacé par l'organe homologue d'un autre segment. Les gènes homéotiques codent pour des facteurs de transcription qui, en se fixant sur des séquences promotrices, régulent l'expression d'autres gènes. Ces observations ont conduit à découvrir, dans tous les embranchements du règne animal, la présence de gènes présentant de fortes homologies de structure avec les gènes homéotiques de la Drosophile et de conclure que ces gènes régulent le développement morphologique des vertébrés. Par ailleurs, ces homologies entre gènes de vertébrés et d'arthropodes doublées de similitudes dans leur organisation chromosomique "démontrent" l'existence d'un ancêtre commun aux vertébrés et aux arthropodes qui aurait vécu il y a environ 600 millions d'années. Tout en traçant notre lien de parenté avec les arthropodes, cette conférence montre aussi à quel point nous sommes différents de ces cousins dont nous nous sommes séparés il y a environ 600 millions d'années. On voit donc apparaître ici deux stratégies d'adaptation. Chez les invertébrés, la forme adulte de l'organisme et ses comportements sont presque présents dans la structure génétique. Chez les vertébrés, les stratégies de développement, tout en définissant un plan contraignant, laissent une grande liberté aux détails de la construction cérébrale dont des aspects importants de la structure se modifient tout au long de l'existence. De ce fait, chez les vertébrés et au plus haut point chez l'homme, c'est l'histoire même des individus qui s'inscrit dans la structure cérébrale par un processus ininterrompu d'individuation.

e développement et l'évolution du système nerveux.

Notre propos traitera d'embryologie, pas d'embryologie humaine bien que certains aspects du développement des autres espèces soient aussi valables pour celui de l'Homme. Nous avons, en effet, beaucoup à partager avec les autres animaux, voire avec les champignons et les plantes.

S'il fallait donner une définition de l'embryologie elle serait relativement simple. L'embryologie est l'ensemble des processus qui mènent de l'oeuf, à partir du moment où le spermatozoïde et l'ovule l'ont formé, à l'organisme adulte ou imago. Ainsi sous le terme d'embryologie, deux processus se confondent ou se superposent :

- fabriquer l'imago c'est-à-dire faire un individu dont la forme est représentative de l'espèce ;

- fabriquer un individu particulier qui diffère des autres membres de son espèce.

Ces deux processus sont inscrits l'un dans l'autre et, selon l'espèces ou l'embranchement – la place occupée dans l'histoire de l'évolution - ils n'ont pas forcément la même importance. Fondamentalement l'embryologie est question de formes et question de temps. À partir d'un oeuf se construit un individu dont la forme, l'imago, est spécifique de l'espèce. Un oeuf c'est une cellule alors qu'un individu c'est plusieurs milliards de cellules. Il y a donc une immense prolifération du nombre de cellules à partir de l'oeuf. Par ailleurs, un individu est constitué de plusieurs types de tissus, musculaire, nerveux, hépatique. Ces tissus se forment à partir de trois feuillets embryonnaires : le mésoderme donnera les muscles et les os, l'ectoderme le système nerveux et la peau, l'endoderme le tube digestif, les poumons et les glandes annexes du tube digestif comme le foie, le pancréas, la thyroïde.

Les résultats sur la première étape de formation du tissu nerveux - l'induction neurale - ont été initialement obtenus chez le crapaud Xénope mais ils sont également vrais pour le poulet, et dans les grandes lignes pour la souris et l'Homme. Au départ, à partir de la cellule initiale, une phase de prolifération mène au stade de la morula, puis de la blastula qui précède la gastrulation et l'induction neurale. La blastula est une sorte de boule creuse avec des cellules à la surface. Le système nerveux va se développer à partir de la surface extérieure dorsale de cette boule. Au cours de la gastrulation cet ectoderme dorsal est induit à devenir de l'ectoderme neural c'est-à-dire à former du système nerveux.

L'induction neurale a été découverte dans les années 1930-40 par Mangold et Spemann à la suite d'expériences dans lesquelles ils greffaient des morceaux d'embryon de Triton blanc dans un embryon de Triton noir, histoire de distinguer tissu receveur et tissu donneur. En prenant une région particulière du Triton blanc et en la greffant dans la région ventrale d'un oeuf de Triton noir, ils se sont rendus compte qu'ils dorsalisaient la région ventrale de ce dernier. Au lieu d'avoir un Triton normalement constitué ils ont obtenu un Triton à deux dos dans lequel il n'y avait pas de partie ventrale. Ils avaient induit la formation d'un deuxième système nerveux central.

À la suite de ces expériences, de nombreux chercheurs ont cherché à identifier la nature moléculaire de ces inducteurs neuraux présents dans cette petite région inductrice et mésodermique qui mise au contact de la région ventrale modifie destin embryonnaire. Cette recherche des inducteurs neuraux qui dure depuis plus de 60 ans n'est - à ce jour - toujours pas totalement aboutie. Dans la suite du développement, le triton s'allonge et à la surface dorsale se constitue une plaque neurale. Cette plaque neurale ne va donner naissance au tube neural qu'après avoir été internalisée par l'embryon.

Dans le développement du système nerveux, comme dans le développement en général, l'information positionnelle joue un rôle très important. On peut voir le système nerveux comme une plaque, une feuille sur laquelle on peut tracer un quadrillage. Une fois qu'elle s'est refermée en tube, la plaque reste quadrillée. Il y a une orientation dorso-ventrale et une orientation antéro-postérieure. Si chacun de ces carrés était défini par l'expression d'une catégorie de gènes, d'un algorithme génétique, on serait capable de définir la position de n'importe quelle cellule à partir de la connaissance des gènes qu'elle exprime. Considérer le système nerveux comme un plan et considérer ce problème de l'information positionnelle comme le problème d'un quadrillage du plan peut aider à comprendre énormément de questions qui sont posées sur la construction du système nerveux.

L'information positionnelle signifie qu'une cellule dans une région donnée, quand le tube neural s'est fermé et différencié, donnera naissance à un type de cellules bien déterminé par exemple spécifique du cortex frontal ou du bas de la moelle épinière. Pourtant, au départ, au moment où la plaque neurale se forme, les cellules sont extrêmement semblables. Beaucoup plus tard, les réseaux neuronaux seront construits. Les neurones sont amenés à envoyer un axone, un prolongement, vers une autre région pour former une synapse, un contact neuronal. La navigation du cône de croissance, la tête chercheuse du neurone, doit être précise. Le cône de croissance doit être capable, dans l'espace tridimensionnel du système nerveux, de retrouver une cible parfois très éloignée. Le quadrillage de l'information positionnelle est fondamental pour que le cône de croissance connaisse sa position et sache où il doit se diriger et quand il doit s'arrêter, c'est-à-dire pour construire un système nerveux fonctionnel.

Nous allons maintenant faire une parenthèse sur le concept d'information positionnelle et ce qu'on appelle les gènes de développement. Les gènes sont d'importance variable. Ainsi les gènes qui contrôlent la forme et la couleur des poils, la couleur des yeux, sont importants d'un point de vue esthétique mais ne sont pas fondamentaux pour ce qui est du développement de l'embryon. Par contre, il existe des classes de gènes dits de développement, qui - eux – sont essentiels pour ce qui est de la forme de l'embryon et de son développement.

La découverte de gènes dont les mutations modifiaient la forme a constitué une avancée considérable dans la compréhension de comment se construit un organisme. La grande percée a eu lieu chez la mouche du vinaigre, Drosophile, chez laquelle des généticiens du début du siècle, surtout l'école de Morgan, ont démontré que certaines mutations pouvaient transformer un organe en un autre, par exemple l'oeil en aile (mutation ophtalmoptera). Ces mutations monstrueuses suggérèrent que les gènes mutés étaient responsables du développement morphogénétique de ces petits amas de cellules embryonnaires qu'on appelle des disques imaginaux à l'origine des différents organes de la mouche. Ces gènes ont été clonés chez la mouche. Ils ont été appelés homéogènes parce que leur

mutation entraîne la transformation de l'organe d'un segment de la mouche en l'organe homologue d'un autre segment (l'aile en oeil ou l'antenne en patte, par exemple). L'existence de ces gènes lie le développement à l'évolution. En effet la compréhension de la transformation d'un organe en un autre permet de comprendre comment se sont formés des monstres au cour de l'évolution. Il est probable que beaucoup de processus de création de nouvelles espèces (les monstres qui ont réussi) sont liés à des modifications du nombre, du lieu d'expression et surtout du temps d'expression de ces gènes qui influent sur le développement morphologique des animaux et des plantes. Ces gènes homéotiques codent pour des facteurs de transcription c'est-à-dire des protéines qui restent dans le noyau des cellules et qui régulent l'expression d'autres gènes. Ce sont des gènes architectes qui contiennent le plan de la mouche et décident de la position des différents organes. Ils régulent d'autres gènes qui, eux, fabriquent réellement les organes. Ces gènes de développement sont au centre de réseaux génétiques. Une des grandes difficultés de la biologie du développement aujourd'hui est de comprendre quels sont les gènes dont l'activité est régulée par les gènes de développement, lesquels sont maintenant pratiquement tous identifiés dans le règne animal.

Chez la mouche, ces gènes de développement sont disposés le long d'un chromosome. Une chose tout à fait étonnante est que les gènes "en avant" du chromosome, en 3', sont exprimés dans les régions les plus antérieures de l'animal et que les gènes en 5', "en arrière" du chromosome, sont exprimés dans les régions les plus postérieures. D'une certaine façon la mouche est représentée sur le chromosome par la disposition des gènes de ce complexe homéotique. Quand le génome passe de la génération x à la génération x+ 1, le plan de l'animal, de l'imago, qu'il va falloir construire est transmis.

Ces facteurs de transcription, produits de ces gènes de développement - gènes du complexe HOM - se fixent à l'ADN car ils doivent réguler l'expression d'autres gènes. Ils se fixent par une petite séquence d'environ 60 acides aminés, appelée l'homéodomaine et codée par l'homéoboîte. Tous ces gènes chez la mouche ont pratiquement la même homéoboîte. Ils constituent donc une famille. Grâce à cette signature de l'homéoboîte cette même famille a été retrouvée chez la souris et chez l'Homme. Chez les vertébrés, ces gènes sont disposés non pas sur un mais sur quatre chromosomes et les gènes de ces quatre complexes HOM/Hox ont à peu près les mêmes propriétés que ceux de la mouche. Ils sont exprimés à l'avant de l'embryon quand ils sont en 3' du chromosome et à l'arrière des axes embryonnaires quand ils sont en 5' du chromosome. En analysant les gènes de mouche et de souris il a été observé que le remplacement d'un gène de mouche par un gène placé à la même position sur un des quatre chromosomes de la souris, permet de réparer la mouche. Cette complémentation marque une homologie à travers l'évolution ou encore une orthologie. À partir de la constatation de ces orthologies, on peut tirer la conclusion qu'il existe un ancêtre commun aux arthropodes et aux vertébrés. Cet ancêtre aurait vécu il y a 600 millions d'années, soit avant l'explosion du précambrien. L'évolution a alors suivi deux voies différentes l'une vers l'embranchement des arthropodes, l'autre vers celui des vertébrés. Deux duplications chromosomiques ont probablement permis la formation des quatre complexes qui sont la signature des vertébrés.

Les gènes que nous venons de décrire n'influent pas directement sur le système nerveux antérieur. Les chercheurs qui s'intéressent au cerveau ont donc utilisé une stratégie très proche en cherchant des gènes s'exprimant dans les ganglions céphaliques de la mouche. Ils ont trouvé à nouveau des gènes de la même famille, codant pour des facteurs de transcription, par exemple orthodenticle ou otd. Ayant découvert ces gènes ils ont regardé si des gènes homologues existaient dans le cerveau de la souris et en ont trouvé. Par exemple otx 1 et otx 2 qui sont assez proches de otd, s'expriment aussi dans les régions antérieures du cortex de la souris et de l'Homme et sont capables de complémenter otd. La suppression, chez la mouche, du gène otd entraîne la perte des structures céphaliques antérieures et, pour certains allèles de otd, des ocelles (trois "yeux" dorsaux). Son remplacement par otx 1 ou otx 2 de souris ou d'Homme restitue à la mouche sa morphologie normale. A l'homologie de structure et de site d'expression dans les régions antérieures du système nerveux, s'ajoute donc la

complémentation fonctionnelle. Ceci suggère très fortement que les régions antérieures existaient chez l'ancêtre commun et peut être même avant. Ainsi l'idée très développée que la céphalisation est un processus tardif de l'évolution est une idée fausse. La génétique du développement nous démontre qu'en fait la tête était là depuis le départ, au moins depuis le moment où nous nous sommes séparés de nos lointains cousins les arthropodes. Pourquoi avons-nous deux gènes otx 1 et otx 2 ? La génétique de la souris est suffisamment évoluée pour qu'on puisse retirer ou ajouter un gène à n'importe quel moment du développement. On parle de perte ou gain de fonction. La délétion de otx 2 donne une souris sans tête, c'est-à-dire sans système nerveux antérieur. C'est létal. Celle de otx 1 laisse un cerveau presque normal mais aminci du côté temporal et la souris fait des crises d'épilepsie. Surtout, elle perd le canal latéral semi-circulaire de l'oreille interne, structure qui au cours de l'évolution apparaît avec la transition des poissons sans machoires (agnathes) aux gnathostomes. Si on remplace otx 2 par otx 1 la souris commence à faire son système nerveux

mais elle ne le maintient pas. Si on remplace otx 1 par otx 2 on restitue presque toutes les fonctions de otx 1 sauf le développement du canal latéral semi-circulaire de l'oreille interne. Cela suggère qu'au départ il y avait uniquement otx 2 (orthologue de otd). Une duplication de otx 2 a rendu possible la formation de son paralogue otx 1 dont l'évolution a apporté des gains de fonction associés au passage des agnathes aux gnathostomes. L'étude des gènes de développement permet donc non seulement de comprendre le développement des organismes mais aussi l'évolution des espèces. Une nouvelle discipline est née "l'évodévo" ou développement/évolution. Il existe une très grande quantité de gènes exprimés dans les régions antéro-postérieures et dorso-ventrales du système nerveux de telle sorte que si on prend un système nerveux aplati sur lequel on trace un quadrillage, chaque région peut être définie par une combinatoire d'expression de gènes de développement. C'est en fonction de cette information positionnelle que les cellules vont donner naissance aux différents organes.

L'étape suivante dans la formation du système nerveux après la formation du tube neural à partir de la plaque neurale qui s'est refermée, c'est de le faire grossir. À partir d'une ou deux rangées de cellules il faut construire, par exemple, un cortex de 2 m2 chez Homo sapiens. Les différentes zones de cette surface ne sont pas homogènes, elles ne sont pas dévolues aux mêmes fonctions : il existe des aires olfactives, des aires associatives, des aires auditives, des aires visuelles, etc. Au cours de l'évolution la surface du cortex a augmenté et s'est régionalisée. Plis et circonvolutions permettent de tout empaqueter dans la boîte crânienne. L'augmentation générale de surface et celle ds surfaces dévolues aux fonctions spécifiques ont probablement varié à la suite de mutations de gènes de développement régulant prolifération et survie cellulaire dans des régions particulières. Par exemple, les surfaces allouées aux fonctions dites cognitives, associatives, ou permettant la maîtrise du langage, ont augmenté chez Homo sapiens plus que chez nos cousins les primates. Après la régionalisation du système nerveux, la deuxième période de ce développement permet donc la multiplication des cellules, l'organisation du cortex en six couches, la formation de toutes les structures cérébrales, la navigation axonale, la formation des synapses. Les mécanismes d'orientation d'une cellule migrante ou du cône de croissance d'un axone d'une cellule nerveuse ne sont pas encore connus même si nous savons qu'ils ont partie liée avec la lecture de l'information positionnelle, donc l'expression des gènes de développement.

Nous allons maintenant passer à des aspects un peu plus généraux. Nous avons vu tout à l'heure que nous avions au niveau chromosomique quatre représentations du corps, ce qu'on appelle des homonculus génétiques ou représentations génomiques du plan du corps. Ce plan du corps est marqué par la localisation de ces gènes de développement le long des chromosomes et par leur domaine d'expression spatio-temporel. Le cerveau est lui-même l'objet d'une construction génétique soumise à une régulation épigénétique. Par exemple, il existe dans le cortex sensoriel - sous la forme de réseaux neuronaux - une représentation du corps (donc à caractère génétique car reproduisant l'imago), mais cette représentation est déformée épigénétiquement car les régions les plus innervées sur le plan sensoriel mobilisent le plus grand nombre de neurones. La stimulation sensorielle "anime et déforme" un ensemble de neurones qui sont, pas exemple, "la main dans le cerveau".

Les réseaux neuronaux sont construits en fonction, à la fois d'une contrainte génétique, il s'agit d'un homonculus spécifique de l'espèce, et d'un environnement sensoriel. Si on coupe les afférences sensorielles, on perd le développement correct des représentations du corps au niveau du cortex. Si, chez la souris, à la naissance, on ôte les vibrisses (récepteurs sensoriels sur le museau), ils ne seront pas représentés dans le cortex, le membre sera absent. L'usage et l'influence de l'environnement sur tous les systèmes sensoriels modifient donc pour chaque individu la construction de ses représentations au niveau du système nerveux central. C'est ce qu'on appelle l'épigenèse, processus par lequel bien qu'appartenant à une même espèce, tous les individus sont différents. Le cerveau est capable d'engrammer une histoire individuelle, affective, sensorielle, une histoire de nos stimulations par le milieu. Plus nous sommes stimulés, plus nous développons des constructions épigénétiques variées. C'est vrai chez l'enfant, chez l'adolescent mais aussi chez l'adulte. En effet, une des grandes innovations des vertébrés est d'avoir gardé un système nerveux embryonnaire chez l'adulte. Ainsi, l'épigenèse se construit-elle à partir des nouveaux neurones, des arborisations neuritiques qui se

déforment, des synapses qui se font et se défont. Elle est un processus d'adaptation qui se

poursuit toute la vie. Le fait d'être du côté des arthropodes ou de celui des vertébrés a des conséquences fondamentales sur les stratégies d'adaptation. Nous partageons beaucoup avec les mouches, avec les vers et toute les études sur ces organismes sont extraordinairement importantes pour comprendre comment fonctionne et comment se construit le système nerveux des vertébrés.

Mais les logiques de nos stratégies adaptatives sont très différentes. Dans l'embranchement des arthropodes, notre grand concurrent au niveau de l'évolution, l'adaptation se fait de façon presque purement génétique. Il y a très peu d'individuation. La construction de l'individu n'est jamais très éloignée de celle de son génome. Chez les vertébrés, et encore plus chez nous parce que nous avons des systèmes de communication qui sont très riches de sens, le langage en particulier, l'adaptation ne se fait pas au niveau de la sélection de clones, elle se fait au niveau de la variabilité de l'individu, de son évolution.

L'adaptation se fait par individuation

Le système nerveux d'un individu au temps t et au temps t+δt n'est pas le même, il a évolué. L'intensité des synapses, leur nombre, le nombre de cellules, l'organisation des réseaux auront varié. Cette variation de structure biologique correspond à une évolution de l'objet, une adaptation à son milieu, une réponse à son histoire. Il y a donc de la plasticité chez l'adulte, dans certaines limites bien entendu, et cette plasticité est très certainement liée à l'expression continuée de ces même gènes de développement qui sont responsables non seulement de l'évolution, non seulement de la mise en place des grandes structures cérébrales (cortex, cervelet, moelle épinière), mais aussi de la plasticité permanente du système morphologique y compris à l'âge adulte.

La plasticité implique que de nombreuses cellules naissent, se différencient et meurent. Il existe des cellules souches dans la peau, le foie, le système hématopoïétique/immunitaire mais aussi dans le système nerveux central. Les premières ont été trouvées dans le bulbe olfactif : les interneurones du bulbe olfactif se reproduisent environ une fois par mois à partir de la zone sous-ventriculaire qui est une structure corticale située à l'avant du cerveau dont les cellules migrent pour aller envahir le bulbe. Ces cellules souches prolifèrent, migrent, se différencient comme des neurones normaux au cour du développement embryonnaire. Puis des cellules souches ont été repérées dans l'hippocampe, une structure à l'arrière du cortex qui est d'une grande importance pour la mémoire spatiale. Dans nombre de maladies neurodégénératives il y a perte de cellules au niveau de l'hippocampe. Très récemment des cellules souches ont été trouvées dans le cortex associatif du macaque. C'est une des régions la plus importante pour la mémorisation, la construction de souvenirs, pour la pensée d'une certaine façon. Le développement embryonnaire se poursuit donc sous une forme silencieuse chez l'adulte par la génération de nouvelles cellules souches qui vont migrer, se différencier et s'insérer dans des nouveaux réseaux neuronaux de la naissance à la mort. C'est une des bases de notre capacité à apprendre, de notre force d'adaptation, au niveau individuel, face aux défis qui nous sont apportés par les modifications de l'environnement physique et affectif. La question du vieillissement est donc à reposer. Pour certains, le vieillissement est une perte de fonctions à partir d'un âge idéal, une sorte de gain d'entropie catastrophique. Il peut être vu, aussi,

comme l'accumulation d'accidents du développement chez l'adulte. La biologie du développement pourrait donc nous donner des clés pour comprendre ce qu'est le vieillissement chez l'animal adulte et ce que sont de nombreuses maladies neurodégénératives comme la maladie d'Alzheimer.



En conclusion, revenons sur ce que ces résultats rapportés de façon extrêmement schématiques nous disent sur ce qu'on appelle "pensée". Il existe beaucoup de confusions sur le terme de "pensée". La pensée n'est pas une substance, elle n'est pas un mécanisme. Pour un biologiste, la pensée est le rapport adaptatif que tout corps vivant entretient avec son milieu. Les arthropodes, les invertébrés, ont une pensée qui est très génétique : leur rapport au milieu est fixé, très proche de leur génome. C'est une contrainte mais c'est peut-être aussi un succès parce qu'ils se développent de façon clonale. Des mutations favorables peuvent être reproduites très vite. La connaissance que nous avons des arthropodes, dans un certain sens soutiennent les thèses sociobiologiques. Si on veut bien admettre que la pensée est le rapport adaptatif à son milieu, alors, tous les êtres, animaux et plantes, pensent. Chez les vertébrés et au plus haut point chez Homo sapiens, le milieu modifie la structure. Nos gènes font que nous sommes Homo sapiens mais ils nous donnent une très grande liberté par rapport au milieu. L'évolution a sélectionné une stratégie de développement qui fait que

chaque individu peut se modifier au cours de sa vie, qu'il bénéficie d'une très grande liberté épigénétique. C'est une des bases du succès et de l'adaptation de l'espèce humaine, encore que, sans vouloir être pessimiste, après 200 000 ans d'existence à peine, nous ne savons pas vers quoi mènera ce perfectionnement extraordinaire des mécanismes épigénétiques. Enfin, nous pouvons nous adapter par individuation mais aussi par l'invention d'artefacts comme la culture qui est, avec la mémoire génétique et la mémoire individuelle, la troisième et dernière forme de mémoire à laquelle nous pouvons nous référer pour penser le vivant.

 

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PHOTOSYNTHÈSE

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photosynthèse


Consulter aussi dans le dictionnaire : photosynthèse
Cet article fait partie du dossier consacré à la nutrition.

Chez les végétaux et certaines bactéries, processus de fabrication de matière organique à partir du gaz carbonique de l’atmosphère et (cas principal) d’eau, utilisant la lumière solaire comme source d’énergie et produisant un dégagement d’oxygène. [Synonyme vieilli : assimilation chlorophyllienne.]

1. PRINCIPE

La photosynthèse, qui signifie littéralement « synthèse [de matière organique] par la lumière », correspond au piégeage de l’énergie lumineuse provenant du Soleil, et de son stockage sous la forme de matière organique (des glucides notamment). Ce faisant, les végétaux et les bactéries photosynthétiques produisent leurs propres composants à partir de l’énergie solaire (on dits qu’ils sont autotrophes).


La photosynthèse des végétaux et des cyanobactéries consomme de l’eau (H2O), du dioxyde de carbone (CO2) et produit de l’oxygène (O2) – des expériences de marquage radioactif ont montré que cet oxygène provient de l’eau, et non du CO2 absorbé. Ce faisant, elle enrichit l'atmosphère en oxygène. Consommé par les êtres vivants (respiration), cet oxygène atmosphérique est renouvelé en permanence par l’activité de l’ensemble des organismes photosynthétiques – s’il n’y avait plus de photosynthèse sur Terre, son stock finirait par s’épuiser. Cas particulier, la photosynthèse des bactéries pourpres et des bactéries vertes ne rejette pas d’oxygène, mais d’autres sous-produits (essentiellement du soufre [S]).

L’énergie nécessaire à la photosynthèse est fournie par le rayonnement du Soleil. La lumière est donc un facteur décisif dans le processus (c’est pourquoi, par exemple, une plante d’appartement placée dans une pièce sombre dépérit rapidement). L'intensité lumineuse optimale est différente d'une espèce végétale ou bactérienne à une autre. Les diverses radiations qui composent la lumière blanche ont une action spécifique : les radiations rouges (600 nm) et indigo (400-450 nm), absorbées par la chlorophylle, sont les plus efficaces ; les vertes ne sont d'aucun effet.

2. LOCALISATION

Chez les plantes et les algues, la photosynthèse s'effectue au niveau des parties vertes, et tout particulièrement des feuilles : leurs cellules renferment en effet de petites usines à photosynthèse, les chloroplastes, contenant eux-mêmes de la chlorophylle, un pigment de couleur verte qui permet la captation de l’énergie lumineuse. Chez les végétaux qui ne sont pas de couleur verte – par exemple les plantes à feuilles pourpres –, le processus et la localisation sont les mêmes : simplement, la chlorophylle est masquée par des pigments d’autres couleurs.

Chez les bactéries (notamment les abondantes cyanobactéries, mais aussi les bactéries vertes et les bactéries pourpres), qui sont dépourvues d’organites, la photosynthèse se fait dans le cytoplasme, sur des invaginations de la membrane cellulaire ou des corpuscules (appelés chlorosomes), qui renferment des bactériochlorophylles.
Chez les végétaux et les cyanobactéries, les pigments photosynthétiques sont groupés en photosystèmes : ceux-ci sont composés d’une antenne collectrice des photons (composée de chlorophylle b, de caroténoïdes et de protéines), et d’un centre réactionnel (composé de deux molécules de chlorophylle a), qui a pour fonction de transférer des électrons à une chaîne d’accepteurs d’électrons. Deux photosystèmes distincts ont été identifiés : le photosystème I et le photosystème II (numérotés dans l’ordre de leur découverte).
3. LES PHASES DE LA PHOTOSYNTHÈSE
La photosynthèse se déroule en deux phases distinctes : une phase dépendante de la lumière (phase photochimique ou phase claire), au cours de laquelle l'énergie solaire est captée par la chlorophylle, suivie d'une phase indépendante de la lumière (phase non photochimique ou phase sombre, beaucoup plus longue, où cette énergie est utilisée pour réaliser les synthèses chimiques.
3.1. LA PHASE PHOTOCHIMIQUE

Chez les végétaux, la phase photochimique, connue aussi sous les noms de phase claire ou phase lumineuse (bien que ces expressions soient aujourd’hui abandonnées par les scientifiques) se produit dans des replis de la membrane du chloroplaste, appelés thylakoïdes.
Au cours de cette phase, le photosystème I (PS I), frappé par les photons de la lumière solaire, éjecte des électrons. Ceux-ci sont transférés à une chaîne de transporteurs d’électrons, à l’issue de laquelle ils servent à réduire le NADP+ en NADPH + H+ (→ nicotinamide).

Des photons frappent aussi le photosystème II (PS II), qui libère également des électrons. Ceux-ci sont transférés à une chaîne de transfert d’électrons, puis à un complexe appelé cytochrome. Ce dernier transfert déclenche le passage d’ions H+ dans le stroma du chloroplaste (le milieu aqueux à l’intérieur du chloroplaste) ; ce passage permet à une enzyme, l’ATP-synthétase, de produire des molécules d’ATP (adénosine triphosphate) – l’ATP est la molécule universelle de stockage de l’énergie chez les êtres vivants. Du cytochrome, les électrons passent sur le PS I, pour compenser la perte d’électrons subie à la suite de l’action des photons. Les photons provoquent également la destruction des molécules d’eau (c’est la photolyse de l’eau). Cette réaction (H2O →2H+ + ½ O2 + 2e-) produit des protons qui vont rejoindre le stroma du chloroplaste et des électrons qui vont combler le trou électronique du PS II ; c’est aussi cette réaction qui dégage de l’oxygène (on voit ainsi que l’oxygène est un sous-produit, un déchet du mécanisme de la photosynthèse).

3.2. LA PHASE NON PHOTOCHIMIQUE

La phase non photochimique, autrefois appelée phase sombre ou phase obscure, se déroule dans le stroma du chloroplaste et ne nécessite pas de lumière. Elle correspond à la synthèse de la matière organique ; elle consomme du CO2 et libère de l'eau. L’ATP et le NADPH + H+ produits par la phase photochimique servent à transformer le CO2 en glucides, au cours d’une série de réactions biochimiques appelées cycle de Calvin. Celui-ci débute par la fixation du dioxyde de carbone sur un composé appelé RuDP (ribulose-1,5-diphosphate), grâce à une enzyme, la Rubisco (ribulose-1,5 bisphosphate carboxylase/oxygénase) – acteur majeur de la transformation du CO2 en composés organiques, la Rubisco est la protéine la plus abondante sur Terre.

Le cycle de Calvin produit un triose (un sucre en C3), le glycéraldéhyde-3-phosphate (pour une consommation de 3 CO2, 9 ATP et 6 NAPH + H+). Les trioses se combinent ensuite pour former d’autres sucres, comme le glucose (sucre en C6 ou hexose).
Une quinzaine de secondes après l'absorption du CO2 apparaissent les premiers sucres. À partir de certains hexoses se constituent le saccharose et l'amidon. Outre des glucides, la photosynthèse peut également élaborer des lipides et des protéines par liaison avec une molécule azotée.
Ce cycle existe chez les algues, les plantes des régions tempérées et tous les arbres ; ces végétaux sont dits « plantes en C3 », car le cycle produit un triose.
4. ADAPTATIONS PARTICULIÈRES
4.1. PLANTES EN C4

Chez les graminées tropicales (maïs, mil, sorgho, canne à sucre, plusieurs plantes de la famille des amarantacées), on a découvert en 1966 un autre mécanisme, dit « photosynthèse en C4 ». Il s’agit d’une photosynthèse en deux temps qui se réalise dans deux endroits distincts des feuilles : le premier temps dans les chloroplastes des cellules du mésophylle (la « couche centrale » de la feuille), le second dans ceux de la gaine de cellules qui entoure les vaisseaux conducteurs de sève (gaine périvasculaire). Dans le mésophylle, la fixation du carbone conduit à un composé en C4 (malate ou aspartate). Celui-ci est ensuite transporté jusqu’à la gaine périvasculaire où il est à nouveau décomposé en CO2. Ce CO2 est alors incorporé dans le cycle classique de Calvin, qui aboutit à la production de glucose et d’amidon. Ce mécanisme fonctionne d'autant mieux que la lumière est plus vive et la température voisine de 40-50 °C.
Les plantes en C4 ont un rendement photosynthétique très supérieur à celui des plantes en C3.

La synthèse des glucides se faisant autour des vaisseaux conducteurs, la migration des produits synthétisés est également plus rapide. La photorespiration (fixation d’O2 au lieu de CO2 sur la Rubisco du cycle de Calvin, mécanisme qui diminue le rendement de la photosynthèse) y est très faible. Alors que les végétaux en C3 ont besoin de 150 à 250 g d'eau pour assimiler 1 g de carbone, les végétaux en C4 peuvent se contenter de 50 à 100 g.

4.2. CAM (CRASSULACEAN ACID METABOLISM)

        Certaines plantes, généralement des plantes grasses et quelques fougères, fixent le CO2 pendant la nuit pour former de l'acide malique. Cet acide est décomposé pendant le jour et libère du CO2 qui, comme précédemment, est introduit dans le cycle des synthèses (cycle de Calvin) en utilisant l'énergie captée par les chloroplastes à la lumière. Les plantes CAM peuvent ainsi supporter la vie dans les milieux arides-chauds : leurs stomates se ferment le jour pour limiter la transpiration et s'ouvrent la nuit pour laisser pénétrer le CO2, les synthèses se faisant le jour suivant.

5. BILAN DE LA PHOTOSYNTHÈSE
L'équation bilan de la photosynthèse des végétaux et des cyanobactéries (dans laquelle l'eau est le donneur d'électrons), est la suivante :

6 CO2 + 12 H2O + lumière → C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O

6. IMPORTANCE DE LA PHOTOSYNTHÈSE
De la lumière reçue par une feuille, 20 % sont réfléchis, 10 % transmis et 70 % effectivement absorbés, sur lesquels 20 % sont dissipés en chaleur, 48 % perdus en fluorescence. Il reste environ 2 % servant à la photosynthèse.

Grâce à la photosynthèse, les végétaux jouent un rôle irremplaçable à la surface de la Terre ; en effet, les plantes vertes sont, avec quelques groupes de bactéries, les seuls êtres vivants capables d'élaborer des substances organiques à partir d'éléments minéraux. On estime que chaque année 20 milliards de tonnes de carbone sont fixés par les végétaux terrestres à partir du gaz carbonique de l'atmosphère et 15 milliards par les algues.
Les végétaux verts sont les producteurs primaires indispensables, premier maillon de la chaîne trophique (→ chaîne alimentaire) ; les végétaux non chlorophylliens et les animaux herbivores et carnivores (y compris l'homme) sont entièrement dépendants de la photosynthèse.
Pour en savoir plus, voir les articles métabolisme, écologie.
Consulter aussi dans le dictionnaire : photosynthèse
Cet article fait partie du dossier consacré à la nutrition.

Chez les végétaux et certaines bactéries, processus de fabrication de matière organique à partir du gaz carbonique de l’atmosphère et (cas principal) d’eau, utilisant la lumière solaire comme source d’énergie et produisant un dégagement d’oxygène. [Synonyme vieilli : assimilation chlorophyllienne.]

1. PRINCIPE

La photosynthèse, qui signifie littéralement « synthèse [de matière organique] par la lumière », correspond au piégeage de l’énergie lumineuse provenant du Soleil, et de son stockage sous la forme de matière organique (des glucides notamment). Ce faisant, les végétaux et les bactéries photosynthétiques produisent leurs propres composants à partir de l’énergie solaire (on dits qu’ils sont autotrophes).

Principe de la photosynthèse
La photosynthèse des végétaux et des cyanobactéries consomme de l’eau (H2O), du dioxyde de carbone (CO2) et produit de l’oxygène (O2) – des expériences de marquage radioactif ont montré que cet oxygène provient de l’eau, et non du CO2 absorbé. Ce faisant, elle enrichit l'atmosphère en oxygène. Consommé par les êtres vivants (respiration), cet oxygène atmosphérique est renouvelé en permanence par l’activité de l’ensemble des organismes photosynthétiques – s’il n’y avait plus de photosynthèse sur Terre, son stock finirait par s’épuiser. Cas particulier, la photosynthèse des bactéries pourpres et des bactéries vertes ne rejette pas d’oxygène, mais d’autres sous-produits (essentiellement du soufre [S]).

L’énergie nécessaire à la photosynthèse est fournie par le rayonnement du Soleil. La lumière est donc un facteur décisif dans le processus (c’est pourquoi, par exemple, une plante d’appartement placée dans une pièce sombre dépérit rapidement). L'intensité lumineuse optimale est différente d'une espèce végétale ou bactérienne à une autre. Les diverses radiations qui composent la lumière blanche ont une action spécifique : les radiations rouges (600 nm) et indigo (400-450 nm), absorbées par la chlorophylle, sont les plus efficaces ; les vertes ne sont d'aucun effet.

2. LOCALISATION

Chez les plantes et les algues, la photosynthèse s'effectue au niveau des parties vertes, et tout particulièrement des feuilles : leurs cellules renferment en effet de petites usines à photosynthèse, les chloroplastes, contenant eux-mêmes de la chlorophylle, un pigment de couleur verte qui permet la captation de l’énergie lumineuse. Chez les végétaux qui ne sont pas de couleur verte – par exemple les plantes à feuilles pourpres –, le processus et la localisation sont les mêmes : simplement, la chlorophylle est masquée par des pigments d’autres couleurs.

Chez les bactéries (notamment les abondantes cyanobactéries, mais aussi les bactéries vertes et les bactéries pourpres), qui sont dépourvues d’organites, la photosynthèse se fait dans le cytoplasme, sur des invaginations de la membrane cellulaire ou des corpuscules (appelés chlorosomes), qui renferment des bactériochlorophylles.
Chez les végétaux et les cyanobactéries, les pigments photosynthétiques sont groupés en photosystèmes : ceux-ci sont composés d’une antenne collectrice des photons (composée de chlorophylle b, de caroténoïdes et de protéines), et d’un centre réactionnel (composé de deux molécules de chlorophylle a), qui a pour fonction de transférer des électrons à une chaîne d’accepteurs d’électrons. Deux photosystèmes distincts ont été identifiés : le photosystème I et le photosystème II (numérotés dans l’ordre de leur découverte).

3. LES PHASES DE LA PHOTOSYNTHÈSE
La photosynthèse se déroule en deux phases distinctes : une phase dépendante de la lumière (phase photochimique ou phase claire), au cours de laquelle l'énergie solaire est captée par la chlorophylle, suivie d'une phase indépendante de la lumière (phase non photochimique ou phase sombre, beaucoup plus longue, où cette énergie est utilisée pour réaliser les synthèses chimiques.

3.1. LA PHASE PHOTOCHIMIQUE

Chez les végétaux, la phase photochimique, connue aussi sous les noms de phase claire ou phase lumineuse (bien que ces expressions soient aujourd’hui abandonnées par les scientifiques) se produit dans des replis de la membrane du chloroplaste, appelés thylakoïdes.
Au cours de cette phase, le photosystème I (PS I), frappé par les photons de la lumière solaire, éjecte des électrons. Ceux-ci sont transférés à une chaîne de transporteurs d’électrons, à l’issue de laquelle ils servent à réduire le NADP+ en NADPH + H+ (→ nicotinamide).

Des photons frappent aussi le photosystème II (PS II), qui libère également des électrons. Ceux-ci sont transférés à une chaîne de transfert d’électrons, puis à un complexe appelé cytochrome. Ce dernier transfert déclenche le passage d’ions H+ dans le stroma du chloroplaste (le milieu aqueux à l’intérieur du chloroplaste) ; ce passage permet à une enzyme, l’ATP-synthétase, de produire des molécules d’ATP (adénosine triphosphate) – l’ATP est la molécule universelle de stockage de l’énergie chez les êtres vivants. Du cytochrome, les électrons passent sur le PS I, pour compenser la perte d’électrons subie à la suite de l’action des photons. Les photons provoquent également la destruction des molécules d’eau (c’est la photolyse de l’eau). Cette réaction (H2O →2H+ + ½ O2 + 2e-) produit des protons qui vont rejoindre le stroma du chloroplaste et des électrons qui vont combler le trou électronique du PS II ; c’est aussi cette réaction qui dégage de l’oxygène (on voit ainsi que l’oxygène est un sous-produit, un déchet du mécanisme de la photosynthèse).

3.2. LA PHASE NON PHOTOCHIMIQUE

La phase non photochimique, autrefois appelée phase sombre ou phase obscure, se déroule dans le stroma du chloroplaste et ne nécessite pas de lumière. Elle correspond à la synthèse de la matière organique ; elle consomme du CO2 et libère de l'eau. L’ATP et le NADPH + H+ produits par la phase photochimique servent à transformer le CO2 en glucides, au cours d’une série de réactions biochimiques appelées cycle de Calvin. Celui-ci débute par la fixation du dioxyde de carbone sur un composé appelé RuDP (ribulose-1,5-diphosphate), grâce à une enzyme, la Rubisco (ribulose-1,5 bisphosphate carboxylase/oxygénase) – acteur majeur de la transformation du CO2 en composés organiques, la Rubisco est la protéine la plus abondante sur Terre.

Le cycle de Calvin produit un triose (un sucre en C3), le glycéraldéhyde-3-phosphate (pour une consommation de 3 CO2, 9 ATP et 6 NAPH + H+). Les trioses se combinent ensuite pour former d’autres sucres, comme le glucose (sucre en C6 ou hexose).
Une quinzaine de secondes après l'absorption du CO2 apparaissent les premiers sucres. À partir de certains hexoses se constituent le saccharose et l'amidon. Outre des glucides, la photosynthèse peut également élaborer des lipides et des protéines par liaison avec une molécule azotée.
Ce cycle existe chez les algues, les plantes des régions tempérées et tous les arbres ; ces végétaux sont dits « plantes en C3 », car le cycle produit un triose.
4. ADAPTATIONS PARTICULIÈRES
4.1. PLANTES EN C4

Chez les graminées tropicales (maïs, mil, sorgho, canne à sucre, plusieurs plantes de la famille des amarantacées), on a découvert en 1966 un autre mécanisme, dit « photosynthèse en C4 ». Il s’agit d’une photosynthèse en deux temps qui se réalise dans deux endroits distincts des feuilles : le premier temps dans les chloroplastes des cellules du mésophylle (la « couche centrale » de la feuille), le second dans ceux de la gaine de cellules qui entoure les vaisseaux conducteurs de sève (gaine périvasculaire). Dans le mésophylle, la fixation du carbone conduit à un composé en C4 (malate ou aspartate). Celui-ci est ensuite transporté jusqu’à la gaine périvasculaire où il est à nouveau décomposé en CO2. Ce CO2 est alors incorporé dans le cycle classique de Calvin, qui aboutit à la production de glucose et d’amidon. Ce mécanisme fonctionne d'autant mieux que la lumière est plus vive et la température voisine de 40-50 °C.
Les plantes en C4 ont un rendement photosynthétique très supérieur à celui des plantes en C3.

La synthèse des glucides se faisant autour des vaisseaux conducteurs, la migration des produits synthétisés est également plus rapide. La photorespiration (fixation d’O2 au lieu de CO2 sur la Rubisco du cycle de Calvin, mécanisme qui diminue le rendement de la photosynthèse) y est très faible. Alors que les végétaux en C3 ont besoin de 150 à 250 g d'eau pour assimiler 1 g de carbone, les végétaux en C4 peuvent se contenter de 50 à 100 g.

4.2. CAM (CRASSULACEAN ACID METABOL

Certaines plantes, généralement des plantes grasses et quelques fougères, fixent le CO2 pendant la nuit pour former de l'acide malique. Cet acide est décomposé pendant le jour et libère du CO2 qui, comme précédemment, est introduit dans le cycle des synthèses (cycle de Calvin) en utilisant l'énergie captée par les chloroplastes à la lumière. Les plantes CAM peuvent ainsi supporter la vie dans les milieux arides-chauds : leurs stomates se ferment le jour pour limiter la transpiration et s'ouvrent la nuit pour laisser pénétrer le CO2, les synthèses se faisant le jour suivant.

5. BILAN DE LA PHOTOSYNTHÈSE
L'équation bilan de la photosynthèse des végétaux et des cyanobactéries (dans laquelle l'eau est le donneur d'électrons), est la suivante :

6 CO2 + 12 H2O + lumière → C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O

6. IMPORTANCE DE LA PHOTOSYNTHÈSE
De la lumière reçue par une feuille, 20 % sont réfléchis, 10 % transmis et 70 % effectivement absorbés, sur lesquels 20 % sont dissipés en chaleur, 48 % perdus en fluorescence. Il reste environ 2 % servant à la photosynthèse.

Grâce à la photosynthèse, les végétaux jouent un rôle irremplaçable à la surface de la Terre ; en effet, les plantes vertes sont, avec quelques groupes de bactéries, les seuls êtres vivants capables d'élaborer des substances organiques à partir d'éléments minéraux. On estime que chaque année 20 milliards de tonnes de carbone sont fixés par les végétaux terrestres à partir du gaz carbonique de l'atmosphère et 15 milliards par les algues.
Les végétaux verts sont les producteurs primaires indispensables, premier maillon de la chaîne trophique (→ chaîne alimentaire) ; les végétaux non chlorophylliens et les animaux herbivores et carnivores (y compris l'homme) sont entièrement dépendants de la photosynthèse.
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VÉGÉTAUX : DIVERSITÉ, HYBRIDATION

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VÉGÉTAUX : DIVERSITÉ, HYBRIDATION

En 1998, le Groupe sur la Phylogénie des Angiospermes (APG) publie une étude phylogénétique des plantes à fleurs en comparant des séquences de l'ADN chloroplastique. Ces taxonomistes moléculaires ne retiennent que les groupes strictement monophylétiques (c'est-à-dire descendant tous d'un ancêtre commun). Autant que possible, ils ont tenu à conserver les noms des ordres et des familles bien connus. Des études portant sur des gènes avec des fonctions différentes, la petite sous-unité de l'ARN ribosomique, le 18S, et les espaceurs internes transcrits, les ITS, ont abouti aux mêmes conclusions. Plus important encore, la classification moléculaire est basée sur des séquences consultables sur Internet (GenBank), accessibles à tous les chercheurs. L'ancêtre vivant des plantes à fleurs (‘the abominable mystery' de Darwin) est un arbuste de Nouvelle-Calédonie, Amborella. Les Welwitchia et Gnetum sont proches des Conifères et pas des Angiospermes. Les Monocots ont dérivé de plantes de type Magnolia. Les Dicots vraies comprennent les plantes dont les grains de pollen comportent trois pores. Les Dicots regroupent deux vastes ensembles naturels, les rosidées et des astéridées, et à leur base on trouve les Saxifragales et les Ranunculales. Quelquefois, les phénomènes de convergence et de simplification par retour vers un caractère primitif confèrent, à des espèces apparentées, une multiplicité d'apparences, totalement déroutante. Les études moléculaires ne sont pas une fin en soi, mais la première étape pour comprendre les processus de diversification des espèces végétales. Des phénomènes d'hybridation - on parle aussi d'introgression - peuvent survenir et avoir des implications évolutives très significatives. Les études de ces dix dernières années ont montré que l'hybridation et l'introgression, plus répandues dans le monde végétal que ce que l'on imaginait, peuvent conduire à la diversification rapide des espèces. La connaissance des relations phylogénétiques entre les espèces permettra de surveiller les risques de dissémination des transgènes.

Texte de la 436e conférence de l'Université de tous les savoirs donnée le 15 juillet 2002
La diversité végétale

Par Jacques Mugnier

Parler de la diversité des plantes, c'est évoquer 250 000 espèces très diverses, depuis les plantes arborescentes, de taille parfois impressionnante, comme les grands séquoias, aux herbacées à fleurs minuscules, comme les fleurs de Lemna ou, au contraire, impressionnantes comme les fleurs de Rafflesia qui peuvent atteindre un kilo.
L'objectif de la taxonomie végétale est de rendre cette diversité intelligible par le moyen d'une classification. Celle- ci se fonde sur la phylogénie végétale, c'est-à-dire sur la reconstruction de l'histoire évolutive des plantes. Discipline récente (moins de 10 ans), la phylogénie moléculaire s'inscrit dans la continuité de la taxonomie des plantes - ou botanique -, qui représentent, quant à elles, l'aboutissement de plusieurs siècles de travaux.

L'exposé sera divisé en cinq parties.
La première partie, après un historique sur la botanique traditionnelle, présente quelques principes de la taxonomie.
La seconde partie aborde la taxonomie moléculaire et les apports de cette approche dans différents domaines : discussion sur les critères de classification, origine des plantes à fleur concernant les critères de classification classique, et l'origine des plantes à fleur par rapport aux travaux antérieurs.
La troisième partie a pour but d'expliquer certains mécanismes de l'évolution, essentiellement l'hybridation. La co-évolution plantes-insectes représente un autre mode de spéciation, qui sera également illustré.
Une quatrième partie montre les limites de la phylogénie moléculaire.
La dernière partie, à la lumière de ces connaissances nouvelles sur l'évolution des plantes, aborde le problème récent des risques des transgènes.
I. Histoire de la classification végétale
Pour comprendre les bases actuelles de la phylogénie moléculaire, une recherche historique sur la botanique est capitale. C'est le minimum exigible dans un exposé sur la diversité des plantes.
A. Historique de la taxonomie
La taxonomie des plantes - ou botanique- est apparue en Europe, entre le XVIe et le XVIIIe siècle. Les concepts et théories qui la fondent n'ont jamais été figés mais, au contraire, ont toujours évolué.
De manière arbitraire, j'ai choisi de démarrer cette histoire de la botanique par Linné. Il a proposé un système de classification, toujours en vigueur, où les plantes sont regroupées de manière hiérarchisée en ordre, divisées en familles, puis en genres et enfin en espèces. Linné a donné l'idée d'une unité de la classification. Très influent sur ces contemporains, il refusait l'idée d'Évolution, dont il a, par son influence, retardé la propagation dans la communauté scientifique.
L'École française est particulièrement brillante à la fin du XVIIe siècle, tout d'abord avec le botaniste Pierre Magnol (1638-1715). Il est le premier, avant Linné, à regrouper les espèces en famille. Ensuite vient le botaniste Michel Adanson (1727-1806), qui, un an avant Linné, propose une classification animale binomiale. Il est le créateur de la phénétique : ce mode de classification se fonde, non pas sur la comparaison d'un caractère, mais sur la comparaison de l'ensemble des caractères de la plante. A la lumière de l'histoire, on peut dire que, sans ses démêlés avec ses contemporains et la Révolution de 1789, Adanson serait probablement considéré comme le père de la botanique. Véritable dynastie, les Jussieu poursuivent la voie ouverte par Adanson. Diffusant les idées de son oncle Bernard, Antoine Laurent de Jussieu formule le Principe de subordination des caractères, selon lequel les caractères observés n'ont qu'une importance relative, qui doit être hiérarchisée.
En Suisse, les Candolle père et fils se distinguent au sein du jardin botanique de Genève et suivent les principes de Jussieu. Augustin Pyrame (1778-1841) est l'inventeur du terme « taxonomie ». Il a combattu la vision fixiste de Linné, en estimant que les espèces évoluaient.

En Angleterre, la botanique est représentée par Dalton Hooker (1817-1911), dans la continuité des Jussieu et de Candolle. Il utilise sa propre description des plantes qui reste, de nos jours, un outil précieux pour les taxonomistes.
Après que les idées de Darwin se furent imposées dans la communauté scientifique, la classification cherche à mettre en évidence relations évolutives, de parenté, entre les organismes : c'est la phylogénie. L'Allemand Adolf Engler propose la première classification phylogénique conséquente, entre 1887 et 1915. Son contemporain, Charles Bessey (1845-1915) est le premier botaniste américain. C'est un fervent partisan de Darwin.
On entre dans l'ère de la botanique moderne avec, entre autres, deux auteurs qui publient, indépendamment, en 1968 : l'Américain Arthur Cronquist et le Russe Armen Takthajan. En fait, leur classification s'avère extrêmement proche. Un botaniste danois Rolf M.T. Dahlgren (1932-1987) réalise une classification originale en comparant des critères physico-chimiques. Toutes ces classifications se fondent sur la comparaison de données plus sophistiquées et variées que précédemment.
Actuellement, le chercheur James Reveal est en train de rendre la botanique accessible sur internet. La taxonomie est remise au goût du jour en raison des possibilités offertes par l'étude de l'ADN.
B. Critères de classification
Après ce survol de l'histoire de la classification végétale, il paraît important de pointer les éléments de la construction de ces classifications.
Le principe de la taxonomie, c'est de placer dans un groupe, qu'on appelle un taxon, les espèces monophylétiques, c'est-à-dire toutes celles qui ont hérité d'un ancêtre commun un ensemble de caractères. Ce travail présente deux difficultés :
- tout d'abord, le choix, primordial, du caractère, qui doit permettre de comparer différentes espèces. En classification, on définit un « caractère » comme un trait héritable que possède un organisme. L'étape du choix du caractère est arbitraire : c'est aux botanistes de choisir les caractères qu'ils supposent liés à l'évolution des plantes. Par exemple, Linné fonde sa classification sur les étamines, Magnol sur le calice. Les études à cette époque étaient poussées au niveau de la description des pièces florales et des organes reproducteurs : les botanistes anciens ont souvent basé leur classification sur les caractères de la fleur et en particulier, le nombre de pétales et d'étamines. Adanson est le premier à affirmer la nécessité de comparer le plus grand nombre de caractères possibles et non les seules pièces florales.
- l'hypothèse sur le caractère ancestral ou dérivé des réalisations du caractère. Pour grouper les espèces dans un taxon, il faut les comparer à un ancêtre commun. Quand les données sur l'état ancestral d'une espèce manquent, les auteurs formulent des hypothèses de travail. Par exemple, Engler a bâti sa classification sur l'hypothèse que les fleurs simples sont primitives par rapport aux fleurs complexes, et que les monocotylédones sont primitives par rapport aux dicotylédones. Bessey a rejeté les idées d'Engler sur cette nature des fleurs primitives. Il suppose en revanche que les Magnolias sont les ancêtres primitifs des autres fleurs. Différents caractères étaient ainsi jugés, de façon arbitraire, archaïques, ou, au contraire, évolués.
Ces hypothèses de travail arbitraire ont été à l'origine d'erreurs dans la vision de l'histoire évolutive des plantes. La classification moléculaire a permis de discuter de la pertinence de ces caractères comme critères de classification, mais rencontre également des problèmes équivalents.
II. La botanique moléculaire
La botanique moléculaire est une science très récente puisqu'il faut attendre les années 1980 pour que différentes inventions favorisent l'engouement pour cette nouvelle discipline.

A. Les origines
Les phylogénies moléculaires sont fondées sur la comparaison de séquences d'ADN. Les nucléotides sont les caractères de la botanique moléculaire. Cela implique que le matériel génétique puisse être facilement caractérisé et comparé, ce qui a été rendu possible par trois innovations techniques :
- tout d'abord, la PCR ( polymerase chain reaction), méthode qui permet d'étudier l'ADN - connue à l'origine comme outil permettant de relever les empreintes génétiques. On peut aujourd'hui étudier l'ADN de manière assez facile en laboratoire. Cette technique a valu à son inventeur, Kary Mullis, le prix Nobel de chimie en 1993.
- le deuxième outil est le développement d'internet. Toutes les séquences d'ADN obtenues par les chercheurs font l'objet de travaux publiés où les techniques d'investigation et l'objet d'étude doivent être décrits précisément. Si la publication étudie une séquence, la séquence doit être disponible pour la communauté scientifique. Les séquences sont déposées sur un site internet, le site « Genbank », qui regroupe l'ensemble des séquences décrites, ainsi que les génomes complets. En ce qui concerne les plantes, le seul génome complet est celui d' Arabidopsis, plante modèle en biologie moléculaire végétale.
- enfin, il faut pouvoir comparer toutes ces séquences. Un chercheur américain de l'Université de Washington, Joe Felsenstein, a développé des méthodes mathématiques pour comparer ces séquences.
B. Les gènes étudiés
A partir de là, plusieurs équipes vont travailler sur différents gènes, à caractère universel, ce qui permet de les comparer chez toutes les plantes à fleur (ou Angiospermes).
Une première équipe du jardin botanique de Kew en Angleterre compare un gène chloroplastique D'autres équipes, notamment l'équipe de Soltis (Douglas et Pamela, de l'Université de Washington) travaillent à partir de l'ARN ribosomique. En deux mots, le ribosome est divisé en deux sous-unités, une petite sous-unité et une grande sous-unité. Il est en partie composé d'ARN, nommés ARN 26S et ARN 18S. Les séquences d'ADN codant pour ces ARN sont séparées par des « espaces », appelés les ITS ( internal transcribed spacers).

En 1998, le groupe de Mark Chase publie la première classification moléculaire des plantes à fleur, la classification APG (pour angiosperm phylogeny group). Ils sont suivis l'année suivante par les époux Soltis, qui obtiennent la même phylogénie. D'autres groupes, dont le mien, travaillent à partir des ITS et obtiennent, à peu près, la même classification que les deux autres équipes.
C'est très important d'obtenir les mêmes résultats, à partir de séquences différentes, d'autant plus que ces nouvelles classifications révèlent quelques surprises par rapport aux conceptions anciennes.
C. Les résultats de la taxonomie moléculaire
Il n'est pas question d'évoquer ici les 250 000 espèces végétales contenues dans cette classification. Nous allons juste aborder quelques exemples, qui remettent en cause les classifications antérieures et les hypothèses sur lesquelles elles se fondaient.
1. La remise en cause des critères des classifications traditionnelles
A l'embranchement des Ranunculales (ex : le coquelicot), se trouvent des familles comme les Buxacées et les Trochodendracées. La classification moléculaire contredit entre autre Takthajan, qui avait classé les Trochodendracées comme plantes très archaïques en raison du caractère primaire des vaisseaux conducteurs de sève.

Les Hamamélidacées, sont mises dans le même groupe que les pivoines. Or, les Hamamélidacées ont des fleurs très simples, contrairement aux pivoines, aux très nombreux pétales, les étamines s'étant transformés en pétales. Précédemment, les Vitacées (la vigne) étaient classées dans les Rhamnacées parce que leurs étamines alternent aux pétales. La phylogénie moléculaire montre que la vigne n'appartient pas aux Rhamnacées : c'était une erreur due à un processus de convergence évolutive.
Ainsi, ces exemples montrent que les caractères morphologiques, en particulier les étamines et les fleurs, ont souvent trompé les botanistes. Ces caractères se révèlent très variables, même entre espèces proches évolutivement.
2. Correspondance entre critères moléculaires et caractéristiques morphologiques
La question qu'on peut se poser, c'est de savoir si les taxons de la phylogénie moléculaire sont liés à des propriétés morphologiques ou physico- chimiques.
En 1998, l'équipe de Chasse met côte à côte deux familles : les Brassicacées (la famille de la moutarde), et les Caricacées (la papaye), dans l'ordre des Brassicales. Lors de la présentation de cette classification, il y a eu beaucoup de scepticisme : c'était impensable d'associer des familles aussi différentes. En revanche, le chercheur danois, Dahlgren, que j'ai évoqué précédemment, avait bien placé les papayes à côté de la moutarde car elles produisent toutes deux le même composé volatil, de l'essence de moutarde. Actuellement, les plantes classées dans les Brassicales produisent toutes cette essence de moutarde, et toutes n'étaient auparavant pas classées dans ce taxon.
Dans le groupe des Rosidées (la rose), la caractéristique commune est de posséder des ovules entourés de plusieurs couches de cellules - ou ovules crassinucellés. Dans le groupe adjacent, les Astéridées, au contraire, les assises de cellules s'amincissent au point de n'avoir presque qu'une couche de cellules autour de l'ovule. Ainsi, la taxonomie moléculaire a classé dans les Astéridées toutes les familles qui avaient des ovules tenuinucellés, et dans les Rosidées, toutes les familles à ovules crassinucellés (soit 149 familles). Deux grands ensembles monophylétiques sont ainsi définis par une caractéristique très sûre. De la même façon, l'ensemble des plantes à fleur partage la caractéristique de réaliser une double fécondation, c'est-à-dire la fécondation de l'Suf et la fécondation de l'endosperme.
La nouvelle classification APG, APG 2, en cours de publication, comporte une petite révolution : elle supprime la division des Angiospermes en monocotylédones et dicotylédones. Cette classification propose de diviser les plantes à fleur selon la nature du grain de pollen, ce qui distingue deux grands groupes : les Eudicotylédones et les Magnoliides. Chez les Eudicotylédonnes, le grain de pollen présente trois pores (pollen tri-apperturé) ; les Magnoliides sont mono-aperturées (le grain de pollen n'a qu'un pore). Ainsi, dans le groupe des Magnoliides sont classées les monocotylédones et d'anciennes dicotylédones. Les monocotylédones sont à présent considérées comme le groupe le plus récent dans l'évolution des angiospermes mono-aperturées.
3. La convergence évolutive
En fondant la classification sur des caractéristiques morphologiques, on peut se heurter à des problèmes de convergence évolutive. Il s'agit d'homoplasie c'est-à-dire qu'on compare des caractères qui ne descendent pas d'un ancêtre commun et sont apparus indépendamment, par des voies différentes.
Je vous en présente un seul exemple, parmi beaucoup d'autres connus. Les Nymphéacées sont actuellement considérées comme une des familles les plus primitives, située à la base des plantes à fleur : ce sont les nénuphars. Les botanistes traditionnels, même Cronquist , associaient le lotus au Nymphéacées. Vous avez une convergence formidable de la fleur qui a longtemps fait penser que ces familles étaient très proches. En réalité, la phylogénie moléculaire a révélé que les familles du lotus et du nénuphar sont très éloignées dans l'histoire évolutive. Si on examine les grains de pollen, ceux des Nymphéacées ont un pore ; ceux du lotus, trois pores. Le classement selon les apertures de grains de pollen est pertinent.
La Nature par des mécanismes encore méconnus a produit des formes qui se ressemblent beaucoup, mais n'ont absolument pas la même origine phylogénétique.
4. Classification moléculaire et classification traditionnelle
Comment se situent les botanistes traditionnelles par rapport à la nouvelle classification des plantes à fleur ?
Bessey, le véritable initiateur des systèmes de classification évolutifs, avait déjà vu l'origine des monocotylédones très proches du groupe des Magnolia. Bessey avait une vision de l'origine des plantes particulièrement efficace. Au contraire, le système de Cronquist est très déstabilisé par la phylogénie moléculaire, notamment parce qu'il avait accordé une importance excessive à la formation des étamines.
Dahlgren, en donnant une classification se fondant sur des critères physico- chimiques, a obtenu une vision proche de la vision moléculaire, à quelques doutes près, en raison du caractère trompeur de étamines chez certaines familles (famille du thé, famille du Camélia).
D. Les apports évolutifs
1. L'origine des plantes à fleurs
A la base des Angiospermes, vous avez la famille des Amboréllacées. Cette famille n'a qu'un seul représentant, un petit arbuste de Nouvelle Calédonie. Actuellement, cinq études indépendantes ont confirmé ce résultat : pour l'heure, la plante la plus ancienne connue serait Amborella de Nouvelle Calédonie.
2. Datation : l'hypothèse de l'horloge moléculaire
La phylogénie moléculaire offre la possibilité d'évaluer la date d'apparition des espèces. Cette estimation se fonde sur l'hypothèse de l' horloge moléculaire, selon laquelle l'ADN évolue régulièrement dans le temps. Ainsi, le nombre de différences moléculaires constatées entre les séquences de deux espèces est lié au temps qui les séparent depuis leur premier ancêtre commun. Cela reste une hypothèse à tester, qui peut être source d'erreurs.
Selon cette méthode, on a estimé qu' Amborella, la plus vieille Angiosperme connue serait apparue il y a 132 millions d'années. Les Nymphéacées seraient apparues il y a 130 millions d'années. Or, événement remarquable, on a découvert au Portugal des fossiles particulièrement bien conservés datés à 125-120 millions d'années. En 2002, de manière assez inattendue aussi, dans le New Jersey, un fossile qui ressemblait à des feuilles de Triuris (famille des Triuridacées) a été mis à jour. Il s'agit d'une plante saprophyte qui pousse sans chlorophylle et représente la plus ancienne dicotylédone connue. A côté des Triuris, on trouve une plante connue exclusivement au Japon, Japonelirion, également saprophyte, qui est estimée à 110 millions d'années.
L'apparition des Platanacées et des Nelumbonacées (le lotus) est située à 108 par l'horloge moléculaire et à 100 millions d'années par les fossiles. L'horloge moléculaire a minimisé l'ancienneté des Magnolias et des Pipéracées, qui seraient apparues il y a 90 millions d'années. Les Ranunculacées, les légumineuses et les composées (Rosidés, Astéridés, Renonculacées) seraient apparues il y a 30 millions d'années, à la fois par estimation selon le principe de l'horloge moléculaire et par les fossiles connus de ces groupes.
Actuellement, un engouement énorme pousse les chercheurs à intégrer les données de la paléobotanique et celles de la phylogénie moléculaire, afin de comparer la fiabilité des données de part et d'autre.
III. Les mécanismes de l'évolution et de la spéciation chez les plantes
A. Polyploïdie et hybridation
La diversification des végétaux repose une propriété qui leur est particulière : la possibilité d'être polyploïde [voir ploïdie]. Chez les animaux, la polyploïdie est létale. Chez les plantes, cette propriété crée des possibilités supplémentaires de spéciations, par l' hybridation entre espèces.
Des familles entières seraient issues de la polyploïdie (rosacées, oléacées, salicacées, etc). On considère même que 70 à 80 % des Angiospermes seraient issues de la polyploïdie. La polyploïdie permet l'hybridation c'est-à-dire le croisement d'espèces différentes. Certaines espèces ont une capacité d'hybridation considérable. Ainsi, les Dactyloriza, des orchidées de nos régions, s'hybrident si rapidement qu'il est difficile d'en définir les espèces.
L'exemple le plus connu d'hybridation artificielle, cité comme cas d'école, est la tentative de croisement réalisée par un scientifique russe, Karpenchenko. Son idée était de croiser le radis et le chou, pour obtenir un hybride avec des racines de radis et des feuilles de choux - et doublement comestible. En première génération (notée F1) de ce croisement, il a obtenu des hybrides stériles, diploïdes, à 2n=18 chromosomes. Ensuite, il a doublé le nombre de chromosomes et obtient des individus allotétraploïdes à 4n chromosomes. Ces hybrides, s'ils sont croisés avec l'un ou l'autre des parents, donnent des individus triploïdes, 3n stériles (comme la plupart des triploïdes). Ce mécanisme est responsable de la spéciation car les hybrides ne peuvent pas se recroiser avec leur parents, mais seulement entre eux. Ainsi, Karpenchenko a obtenu une nouvelle espèce, Raphanobrassica. Hélas ! Pas de chances : elle a les racines du chou et les feuilles du radis !
La plante la plus utilisée au niveau des modèles végétaux est Arabidospis thaliana, dont le génome est complètement séquencé. Elle est utilisée pour mettre au point les méthodologies moléculaires permettant d'étudier l'hybridation ou l'origine des espèces. Jusqu'à présent, la seule façon d'apporter la preuve d'une hybridation était de croiser les parents supposés de l'hybride. On pouvait observer des morphologies « intermédiaires » chez les descendants obtenus en laboratoire et les comparer à l'hybride supposé. Cependant, c'était très long et aléatoire.
Des techniques moléculaires sont actuellement développées et mises en oeuvre dans cette perspective. Elles consistent :
1) Premièrement, à marquer par sonde des séquences d'ADN. Une sonde permet de déterminer si une séquence d'ADN est présente chez un individu. Les sondes des parents vont pouvoir être détectée - ou non - chez l'hybride, où les deux lots de chromosomes sont mélangés.
2) Les techniques RAPD permettent d'identifier les allèles hérités d'un parent ou de l'autre.
3) La visualisation de l'ADN chimériques, des séquences où les nucléotides proviennent d'un mélange des nucléotides des parents.
Ces techniques ont permis de déterminer quelles sont les espèces « parents » de plantes supposées hybrides. Une étude a porté sur les Tragopogons, une espèce de salsifis. Certaines espèces de salsifis ont été introduites aux Etats-Unis, autour de 1900, en provenance d'Europe. Deux espèces notamment, T. dubius et T. pratensis se sont répandues dans tous les Etats-Unis. Environ 50 ans après, des espèces hybrides, tétraploïdes, sont apparues. Leur ITS de ces espèces sont chimériques provenant en partie de T. dubius, une autre partie de T. pratensis : cela prouve qu'il s'agit d'hybrides. Ces hybrides présentent des propriétés physiologiques modifiées par rapport aux parents, qui leur confèrent la capacité de s'installer dans des zones rudérales. Elles ont ainsi prospéré. Il n'y a pas eu de spéciation géographique : ces hybrides coexistent dans la même zone que leur parents. Ce type de spéciation est dite « sympatrique ».
Les Encelia illustrent le phénomène inverse. Deux espèces existent : E. actoni et E. frutescens. Une nouvelle espèce à morphologie intermédiaire est apparue, supposée hybride, ce qui est prouvé par ses ITS, chimériques. Ces espèces vivent dans des zones géographiques différentes. E. actonis vit dans les zones montagneuses à l'est de la Californie, dans des aires tempérées, tandis que E. frutescens s'établit dans des zones désertiques du Nevada, où il fait très chaud. L'hybride aime les températures intermédiaires, ni trop chaud, ni trop froid : il s'établit dans l'Utah. Ainsi, il s'est développé dans une aire voisine de l'aire de répartitions de ses parents : il s'agit d'une spéciation « parapatrique ».
B. La co-évolution
L'hybridation et la polyploïdie n'ont pas été les seuls mécanismes, ou forces, de l'évolution. Un élément de l'évolution des plantes à fleur est l'interaction avec les insectes.
Je développerai l'exemple du figuier pour illustrer ce phénomène. Le figuier est un genre qui regroupe de très nombreuses espèces. Les figues ne peuvent être pollinisées que par un seul insecte, une petite guêpe : un blastophage. Une espèce de blastophage ne peut polliniser qu'une seule espèce de figue et réciproquement, une espèce de figue ne nourrit qu'une espèce de blastophage. On compte ainsi autant d'espèces de figuiers que d'espèces de blastophages.

La phylogénie basée sur des ITS et celle fondée sur les critères morphologiques ne coïncident absolument pas. Pourtant, chez les figuiers, il n'y a aucun phénomène d'hybridation connue, c'est une plante diploïde à 2n=20 chromosomes. On n'arrive pas à expliquer les différences entre les deux classifications par les artéfacts classiques en génétique.
En revanche, la classification moléculaire des insectes correspond parfaitement à la classification moléculaire de figuiers. En fait, les blastophages ont joué le rôle de taxonomistes : ils ont sélectionné des caractères. Il y a eu une co-évolution étroite entre insectes pollinisateurs et les figuiers.
Cet exemple pourrait être multiplié par des milliers. Je n'en mentionne qu'un, mais c'est un facteur extrêmement important dans l'évolution des plantes à fleur.
III. Les limites des phylogénies moléculaires
A. L'exemple du coton
Le coton offre un exemple intéressant de contradictions entre phylogénies. Cette plante a plusieurs origines : africaine, américaine, et australienne. Quand on établit la phylogénie des espèces sauvages, en considérant deux gènes différents (gène chloroplastique, ITS), les résultats sont complètement contradictoires.
A partir des ITS, toutes les espèces australiennes sont monophylétiques, c'est-à-dire se trouvent dans la même branche. De même, tous les cotons africains appartiennent à une même branche, ainsi que les cotons sauvages du nouveau monde. En revanche, avec l'étude des gènes chloroplastiques, on n'arrive pas à différencier les cotons sauvages américains des cotons sauvages africains. Pourtant, il est clair que depuis la formation de l'océan atlantique, antérieure à l'apparition du coton, la spéciation a différencié les cotons sauvages de chacun des continents.
Ainsi, les ITS donnent une bonne image de l'évolution de l'espèce. En revanche, les gènes chloroplastiques se sont dupliqués sans évoluer, indépendamment du reste du génome (on parle de gènes égoïstes). Ce qu'il faut retenir, c'est que des gènes ont évolué, ont suivi l'histoire de l'espèce - les ITS - tandis que d'autres gènes - les gènes du chloroplaste- n'ont quasi pas évolué, et ne font pas apparaître les divergences entre les espèces des différents continents.
On est confronté à la limite de la méthode. En utilisant des gènes différents, on peut obtenir des phylogénies très différentes. Cette étude a été le point de départ de nombreuses recherches pour comprendre ces contradictions entre les phylogénies fondées sur différents gènes.
B. Comment expliquer ce problème de contradiction entre phylogénies ?

L'évolution concertée
Les erreurs résultent de l'utilisation de familles multi-géniques pour construire les classifications. Par exemple, le gène de l'ARN ribosomique est constitué de deux sous unités. Pour chacune, le gène est répété 100-200 fois dans le génome. Ces unités répétées sont très homogènes : toutes les petites sous unités (18S) sont semblables ; toutes les grandes sous-unités (28S) sont identiques entre elles. Un phénomène d'évolution concertée agit comme système de régulation et permet cette homogénéité des séquences. Si une mutation apparaît au niveau des ITS, au cours de l'évolution, cette mutation est réparée, de telle sorte que les ITS deviennent homogènes au sein de l'espèce.
De la même façon, quand une espèce apparaît par hybridation, les séquences provenant des parents s'homogénéisent avec le temps au sein de la nouvelle espèce, de telle sorte que le polymorphisme dû aux deux origines de gènes disparaît. Pourtant, on a vu précédemment qu'il est possible de distinguer les ITS provenant de deux parents - les séquences restent « chimériques ». Cela n'est possible que lorsque l'hybridation est très récente : l'homogénéisation des ITS par évolution concertée n'a pas eu le temps de se produire et le polymorphisme « parental » est conservé à l'intérieur d'individus de même espèce.
En pratique, pour certaines espèces ayant divergé il y a très longtemps, ce polymorphisme se rencontre encore. Pourquoi ?
Les conditions de l'évolution concertée
En biologie végétale, un des modèles les plus utilisés est la pivoine. La reine des fleurs, « la reine des herbes » dans la Grèce Antique est devenue la reine des cytologistes. Elle offre l'avantage de posséder un petit nombre de chromosomes de grosse taille. Par la méthode de fluorescence in situ, la fameuse méthode FISH, on peut notamment localiser les gènes sur ces chromosomes.
Les pivoines seraient apparues dans le bassin méditerranéen, il y a près de 20 millions d'années. L'évolution concertée a Suvré - leurs ITS sont parfaitement homogènes. En l'étudiant, on s'est aperçu que les gènes utilisés pour construire les phylogénies se situent souvent près des centromères. C'est une zone particulière au niveau des chromosomes. Cette position des gènes favoriserait l'homogénéisation des séquences. Il semblerait que la proximité des centromères est responsable d'une bonne homogénéisation des ITS, qui, par conséquent, permettent une bonne différentiation entre espèces.
Cependant, quand on compare Arabidopsis à des Brassica, bien que leur divergence remonte à plus de 20 millions d'années, il existe encore un très fort polymorphisme. Apparemment, le temps n'est pas suffisant pour homogénéiser les familles multigéniques par évolution concertée dans ce cas. Pour résoudre cette contradiction, les auteurs ont regardé la position des gènes ribosomiques chez les Brassica. Ils se situent très loin des centromères, ce qui peut expliquer le polymorphisme des ITS.

Pour éviter les erreurs dues au choix du gène, la règle de base pour la construction d'une phylogénie moléculaire, les études d'hybridation ou d'évolution, est d'étudier plusieurs séquences d'ADN. Cette règle va sans doute devenir obligatoire pour que les résultats d'une étude soient acceptés.

IV. Les risques de transgénèse

Je vais terminer cet exposé en vous présentant des exemples de risques de transgénèse. L'utilisation d'outils moléculaires a révélé que la spéciation par hybridation est un phénomène courant et parfois extrêmement rapide.
Le maïs fournit la base alimentaire d'une grande partie de l'humanité. Il a été domestiqué à partir d'une plante, la téosinthe, qui n'est pas très appétissante et produit peu de graines. L'ensemble des espèces de maïs, sauvages, cultivées, téosinthes, est tenu en collection au Mexique, une collection fantastique, unique au Monde. Cette collection a été contaminée par le transgène Bt, cultivé illégalement au Mexique. Ce transgène confère au maïs Bt la résistance à la pyrale grâce à l'introduction des gènes de résistance de la bactérie Bacillus thurigiensis. La publication (dans la revue Nature) qui décrivait cette contamination a soulevé une polémique, avec contestation des résultats. Il reste possible que cette introgression du Bt dans les collections ne soit pas stable et disparaisse... mais cela reste à prouver.
Le blé cause encore davantage de problème. Son ancêtre est probablement un Aegilops primitif, qu'on peut qualifier de « mauvaise herbe ». Parmi les espèces proches du blé, se trouvent l' Aegilops cylindrica et Hordeum maritimum, deux mauvaises herbes européennes. Toutes deux peuvent se croiser avec le blé - cela a été démontré. Il est donc interdit de cultiver des blés transgéniques en Europe. En revanche, ces blés transgéniques sont déjà cultivés en Amérique du Nord. Il y aura probablement de problème d'introgression de gènes chez des mauvaises herbes, tels qu' Aegilops ou Hordeum. On ne peut nier ce risque, il existe bel et bien.
Il est inutile de parler du cas des crucifères ( Brassica) - colza, moutarde... - qui peuvent s'hybrider avec n'importe quelle autre crucifère, même de genre différent. Chez les colzas, les éléments transgéniques passeraient très rapidement dans les espèces sauvages.

Conclusion
Lors de cette conférence, j'ai abordé de manière rapide les connaissances issues de la nouvelle classification des plantes à fleur. Les opportunités de recherches sur les questions d'hybridation sont nombreuses. Les exemples présentés datent de 2002 : c'est réellement un domaine scientifique très jeune et porteur.
Les hypothèses sur l'horloge moléculaire demandent encore confirmation. Cependant, on commence à posséder de bonnes bases puisque les estimations par techniques moléculaires concordent avec les données paléontologiques.
Je vous ai également mis en garde sur ces techniques, très puissantes. Actuellement, dans mon laboratoire, on peut produire des centaines de séquences d'ITS par jour. La capacité de production de données en laboratoire est devenue impressionnante. Cette information surabondante, est accessible à tous les chercheurs. Cela signifie qu'en cas de conflit entre taxonomistes, ils peuvent utiliser des éléments expérimentaux communs, accessibles gratuitement sur internet.
Même si l'information se multiplie, la compréhension des génomes reste parcellaire. Les gènes ne forment pas un ensemble homogène. Au contraire, le génome est une mosaïque complexe de gènes ayant des vitesses d'évolution différentes, avec des phénomènes de convergence, des comportements « égoïstes » de gènes, etc. On peut générer des résultats artefactuels si on se limite à des études peu approfondies.
Enfin, j'ai mentionné très rapidement les risques des transgènes. Il faut manipuler ces éléments avec d'infinies précautions pour ne pas polluer, à travers les phénomènes d'hybridation, les espèces proches. Ces modifications peuvent se passer très rapidement et modifier profondément les propriétés des plantes sauvages, à une échelle de temps humaine.


Glossaire


Espèce : ensemble des individus capables par reproduction de donner des descendants non stériles.

Étamine : appareil reproducteur mâle, où se forment les grains de pollen

Evolution concertée : tendance de différents gènes d'une famille de gène à évoluer de conserve, c'est-à-dire que chaque locus de la famille a tendance à présenter le même variant, la même séquence génétique.
Famille de gènes : un ensemble de gènes liés qui occupent différents endroits (ou locus) dans l'ADN, la plupart sont issus de la duplication d'un gène ancêtre et présentant la même séquence. Les membres d'une famille de gène peuvent être très proches fonctionnellement, ou, au contraire, très différents.

Phylogénie : science qui décrit les relations évolutives entre organismes

Ploïdie :
Chaque espèce a un nombre n donné de chromosomes. La plupart des organismes sont diploïdes, ce qui est noté 2n: chaque chromosome est présent en deux exemplaires. Un lot de n chromosomes est apporté par le père, l'autre par la mère - les cellules reproductrices (ou gamètes) mâles et femelles sont haploïdes, contenant n chromosomes. On estime que le tiers des plantes à fleurs contiennent plus de deux lots de chromosomes : on dit qu'elles sont polyploïdes.
Une cellule diploïde peut connaître un doublement du nombre de ses chromosomes: il en résulte une cellule tétraploïde, à 4n chromosomes. Ce phénomène a peu de probabilité de se réaliser spontanément, mais par utilisation de produits chimiques, on peut ainsi obtenir de tétraploïdes à haute fréquence en laboratoire. Un autre processus de doublement est quant à lui fréquent : l'union de gamètes restés diploïdes 2n - des gamètes non réduits. Les tétraploïdes peuvent être :
- autotétraploïdes : les lots de chromosomes sont homologues, i.e. chaque lot de n chromosomes sont identiques. Cela se produit par doublement du nombre de chromosomes d'une cellule diploïde, ou par union de gamètes diploïdes de même espèce.
- allotétraploïdes : des lots de chromosomes non homologues sont mis en présence. Cela peut se produire par union de gamètes 2n provenant d'espèces diploïdes différentes. Ces allotétraploïdes se comportent comme une nouvelle espèce.

Taxonomie : science qui nomme et classe les organismes

Saprophytes : organisme hétérotrophe vivant sur de la matière organique non vivante

Gène : unité d'information héréditaire, composée d'une séquence d'ADN. Un gène comprend l'ensemble des séquences impliquées dans la production d'une protéine c'est-à-dire les séquences codantes (qui codent a proprement parlé pour la protéine) et les séquences régulatrices (qui permettent de moduler l'expression du gène).

 

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L'ADN : DÉCHIFFRER POUR MIEUX COMPRENDRE LE VIVANT

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Et demain ?


En s'appuyant sur les informations que contiennent nos gènes, la génomique ouvre la voie à de nouvelles pratiques : le Big data, la médecine personnalisée, la thérapie génique.

Publié le 25 janvier 2018
         
BIG DATA ET SMART DATA
Avec l’avènement de la génomique, la biologie est entrée dans l’ère du Big data, des données massives. En 2013, 15 pétaoctets de données de séquences ont été générées dans le monde. Depuis, le nombre de séquenceurs et la capacité de séquençage n’ont fait qu’augmenter ! Recourir à des outils informatiques pour générer, stocker et analyser ces données est devenu vital. À titre d’exemple, pour reconstituer un génome bactérien de seulement quelques mégabases, il faut environ 200 000 milliards de comparaisons de caractères. Mais le séquençage n’est pas le seul fournisseur de données. La transcriptomique, la protéomique et plus récemment l’épigénomique, toutes les technologies “omiques” dépendent de l’informatique. Au carrefour de ces disciplines est née la bio-informatique. Elle permet de modéliser la conformation d’une protéine, de prédire sa fonction ou de calculer un flux énergétique… Ces simulations font gagner un temps précieux à la recherche, en oncologie ou en diabétologie par exemple. L’utilisation de ces données requiert cependant l'acceptation de la société et une surveillance éthique.


De nouvelles méthodes d'analyse restent encore à inventer pour passer du Big data au Smart data, l'utilisation intelligente des données. Croiser, interroger et exploiter différentes bases et sources de données devient l'enjeu du XXIe siècle.


LA MÉDECINE PERSONNALISÉE
Aujourd’hui la médecine envisage de personnaliser son offre. Comment ? En scrutant notre ADN afin d'identifier les différences individuelles. C’est aujourd’hui possible grâce aux formidables progrès technologiques qui ont considérablement baissé les coûts et les temps d’analyses du séquençage et du génotypage. Ces techniques permettent d’identifier les gènes impliqués dans différentes maladies et de proposer des diagnostics et des pronostics plus sûrs. Sur 7 275 maladies monogéniques recensées en 2017, plus de la moitié ont vu leur gène impliqué identifié. La présence de mutations génétiques chez une personne ne signifie pas toujours qu'elle développera une maladie, mais indique un facteur de prédisposition génétique, pouvant conduire à un suivi ciblé. Les tests permettent donc d'affiner un diagnostic et la prise en charge de la maladie.
Proposer un traitement adapté à chacun est le deuxième enjeu de la médecine personnalisée. Les taux de réponse aux traitements traditionnels varient entre 20 et 80 %. La cause ? Nos sensibilités individuelles aux médicaments qui peuvent, selon notre génome, se révéler plus ou moins efficaces et, dans certains cas, dangereux. Pour le cancer, les différents traitements possibles pourront être testés sur les cellules tumorales du patient. Séquencer les tumeurs peut également permettre de trouver le traitement le plus efficace en fonction du type d’oncogène muté. En juin 2016, la France s'est lancée officiellement dans la bataille mondiale de la médecine personnalisée en lui dédiant 12 plateformes de séquençage haut-débit du génome.

INFO : Le génome de 560 tumeurs du sein a été séquencé. Résultat : moins de 100 gènes ont été identifiés comme porteurs des 1 600 mutations détectées ; ce qui confirme la faisabilité de futurs traitements personnalisés.

LA THÉRAPIE GÉNIQUE

Le principe de la thérapie génique est d’introduire un gène sain, un gène médicament, dans le noyau d’une cellule malade. Aujourd’hui, elle englobe bien d’autres procédés, comme l’administration de molécules modulant l’expression des gènes. Quelles sont les maladies concernées par cette approche ? Les maladies génétiques, bien sûr, mais aussi des maladies comme le cancer, le Sida ou les maladies cardiovasculaires.

La thérapie génique aura des effets différents si elle s’opère sur des cellules somatiques ou des cellules germinales du patient. Dans le premier cas, les effets s’appliquent au patient et non à sa descendance. La France est un des leaders mondiaux dans ce domaine. La thérapie génique somatique a remporté de nombreux succès. En 2012, douze essais ont été conduits avec succès par une équipe de l’hôpital Henry Mondor, à Créteil, sur des patients atteints d’une forme avancée de la maladie de Parkinson. Dans le cas de la thérapie génique germinale, les effets sont permanents et transmis à la descendance ; elle est interdite en France par la loi de Bioéthique.

Utilisation des vecteurs viraux
L’étape critique de la thérapie génique est d’introduire le gène médicament dans la cellule. Cela peut se faire directement par un vecteur, viral ou artificiel. Un vecteur est une sorte de véhicule qui guide l’ADN vers sa cible et lui permet de traverser les différentes membranes cellulaires. Depuis des millions d’années, les virus développent des stratégies pour infiltrer les cellules et les infecter. Une fois rendus inoffensifs, ils font d’excellents candidats. Ces vecteurs viraux, dits intégratifs, insèrent leur ADN avec le gènemédicament dans le génome de l’hôte qui, en cas de division, le transmet aux cellules filles. C’est le cas des rétrovirus. Inconvénient majeur : leur insertion est aléatoire dans le génome de l’hôte et peut entraîner d’autres maladies. Dorénavant, les chercheurs se tournent vers les lentivirus, des vecteurs non intégratifs considérés comme plus sûrs. Avec eux, l’ADN médicament reste dans la cellule de l’hôte sans s’insérer dans son génome, il s’exprime pendant la durée de vie de la cellule puis disparaît avec elle. Malgré l’efficacité des vecteurs viraux, la piste des vecteurs artificiels est aujourd’hui à l’étude car elle est considérée comme plus sûre.
Découverts en 2013, les CRISPR (Clustered regularely interspaced short pallindromic regions) pourraient être “ le couteau suisse ” de la génétique. Cette technique permet de supprimer, modifier, ajouter des gènes à la demande, facilement et à moindre coût. Ainsi, il est possible de cibler précisément le point d’insertion des gènes médicaments et de remplacer les gènes défectueux par des gènes sains. Les maladies génétiques du sang et du foie pourraient être les premières à en bénéficier, de même que les greffes.


ESSAI DE THÉRAPIE GÉNIQUE : La maladie de Huntington est une maladie neurodégé- nérative. Elle est causée par la mutation d’un gène situé sur le chromosome 4. En France, elle touche actuellement 10 000 patients, âgés de 40 à 50 ans. La thérapie génique pourrait prolonger la durée de vie de ces patients, en injectant dans la zone du cerveau atteinte, via un vecteur viral, une protéine qui protègerait leurs neurones de la mort.

QUESTION D’ÉTHIQUE
La réflexion éthique analyse les changements que la recherche scientifique introduit dans la société, la responsabilité des chercheurs et les réactions que suscitent les nouvelles techniques. La bioéthique est apparue dans les années 1970. Cette réflexion est née de la perception des dangers potentiels attachés aux utilisations de la biologie et de la génétique. Aboutissement de plusieurs années de travaux, la Déclaration universelle sur le génome humain et les droits de l'homme a été adoptée en 1997 par l’Unesco. Dès 1994, la France s'est dotée de ses premières lois de bioéthique.

Objectif : donner un encadrement législatif aux innovations médicales qui impliquent une manipulation du vivant - des expérimentations sur l'homme à la procréation assistée.

Ces textes ont été révisés une décennie plus tard. La loi adoptée en 2004 a interdit le clonage, reproductif ou thérapeutique, ainsi que la recherche sur les cellules souches embryonnaires, hormis les expérimentations permettant des progrès thérapeutiques. Puis des États généraux de la bioéthique se sont tenus en 2009 ; une année durant laquelle des réflexions et des échanges ont été menés par un groupe de travail réunissant des médecins, des juristes, des universitaires et des chercheurs. Les sujets abordés ont été : cellules souches et statut de l'embryon humain ; diagnostic prénatal et préimplantatoire ; assistance médicale à la procréation et droits de l'enfant ; tests génétiques et droits des personnes ; dons, prélèvements et conservation d'éléments du corps humain et encadrement éthique ; accompagnement de fin de vie et soins palliatifs ; relations avec les pays en développement dans les domaines de la recherche et du soin. La loi relative à la bioéthique en vigueur à ce jour date de juillet 2011.

 

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