Et de curiosité Montrer de l'intérêt pour les progrès scientifiques et techniques Manifester de l'intérêt pour la vie publique et les grands enjeux de la société Notions à construire








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date de publication27.03.2017
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Thème 2B

Activité 17 : La domestication du maïs par l’Homme


Compétences travaillées




Attitudes

Faire preuve d’autonomie et de curiosité

Montrer de l'intérêt pour les progrès scientifiques et techniques

Manifester de l'intérêt pour la vie publique et les grands enjeux de la société

Notions à construire


La sélection exercée par l'Homme sur les plantes cultivées a souvent retenu (volontairement ou empiriquement) des caractéristiques génétiques différentes de celles qui sont favorables pour les plantes sauvages. Une même espèce cultivée comporte souvent plusieurs variétés sélectionnées selon des critères différents ; c'est une forme de biodiversité. Les techniques de croisement permettent d'obtenir de nouvelles plantes qui n'existaient pas dans la nature (nouvelles variétés, hybrides, etc.). Les techniques du génie génétique permettent d'agir directement sur le génome des plantes cultivées.

.


Capacités

Comparer une plante cultivée et son ancêtre naturel supposé. Recenser, extraire et exploiter des informations afin de comprendre les caractéristiques de la modification génétique d'une plante.

Il y a 10 000 ans les hommes passent d’un mode de vie chasseur-cueilleur à celui d’agriculteur-éleveur : c’est le début du néolithique.
Ce changement de mode de vie va contribuer à l’augmentation des populations humaines qui passent d’environ 150 000 au paléolithique à  150 millions au début de notre ère, 1 milliard vers 1830, 2 milliards en 1940, 7 milliards aujourd’hui et nous serons 9 milliards en 1950 (Institut National d'Etudes Démographiques).
Nourrir 7 milliards de personnes suppose d’avoir des plantes cultivées à haut rendement et présentant des qualités de résistance et de conservation

Les plantes, comme les angiospermes, directement ou indirectement (par l'alimentation des animaux d'élevage) sont à la base de l'alimentation humaine. Elles constituent aussi des ressources dans différents domaines : énergie, habillement, construction, médecine, arts, pratiques socioculturelles, etc. La culture des plantes constitue donc un enjeu majeur pour l'humanité.
L'utilisation des plantes par l'Homme est une très longue histoire, qui va des pratiques empiriques les plus anciennes à la mise en œuvre des technologies les plus modernes.
A partir des documents proposés et vos connaissances, montrer comment l’Homme a agi sur le génome des plants de maïs au cours du temps pour les domestiquer.
Document 1 : Les traces archéologiques du maïs (Zea mays ssp. Mays)

Au début du XXe siècle, un botaniste, le Russe Nicolaï Ivanovich Vavilov, parcourt le monde à la recherche de plantes cultivables utiles. Au cours de ses voyages, il comprend que la zone d'origine d'une plante est probablement celle où poussent le plus grand nombre de variétés de celle-ci. En suivant ce raisonnement, il situe en particulier l'origine du maïs en Mésoamérique (du Mexique au Costa-Rica).
Les plus anciennes traces archéologiques du maïs ont été trouvées dans le sud du Mexique dans la vallée de Tehuacan et à Guila Naquitz.
Après Vavilov, plusieurs botanistes américains s'intéressent à l'origine du maïs, et certains émettent l'hypothèse que son ancêtre sauvage est la Téosinte (Zea mays ssp. Parviglumis ), une plante fourragère qui pousse notamment au Mexique et au Guatemala. On retrouve des plants de Téosinte sauvages dans la vallée de la Balsas au Mexique. Maïs et téosinte ont les mêmes caryotypes ; ils s’hybrident naturellement dans les régions où ils coexistent et les hybrides sont fertiles.

www.larecherche.fr/content/recherche/article?id=12260

Document 2 : Etude de l’architecture, des inflorescences, des structures des grains de maïs et mise en évidence de la nature des réserves des grains de maïs








La partie aérienne d’un plant de maïs est formée d’une tige, de 1 à 3 mètres et plus, qui est une succession de noeuds et d’entre-noeuds porteurs de feuilles engainantes.
Le maïs est une plante monoïque. Un même individu porte la floraison mâle et la floraison femelle. L’inflorescence mâle est séparée des inflorescences femelles.
L’épi de maïs est un spadice. Il est entouré par des spathes qui ont une structure de feuilles et forment un cornet autour de l’épi d’où émergent, au moment de la floraison, des “soies” qui sont les styles des fleurs qu’il contient.
Le produit du maïs est son grain porté par un épi entouré de spathes, appelé spadice. La forme du grain, sa composition et sa dureté sont des caractères importants en relation avec l’usage qu’on en fait.

La floraison mâle apparaît sur une panicule au sommet du plant. La floraison femelle apparaît aux aisselles de feuilles situées généralement à mi-hauteur. La floraison mâle précède légèrement la floraison femelle : on dit qu’il y a protandrie

Les inflorescences femelles apparaissent à l’aisselle des feuilles situées à mi-hauteur entre la base et le sommet du plant.
L’épi de maïs est entouré par des spathes qui ont une structure de feuilles et qui forment un cornet autour de l’épi : le tout est appelé spadice.
Chez le maïs, la couleur du grain, sa forme, sa composition et sa dureté sont des caractères variétaux.
La rafle centrale, porteuse des grains, est constituée de cellulose.
Les grains sont insérés deux par deux sur la rafle.
Un grain de maïs est composé, de l’extérieur vers l’intérieur : d’un péricarpe transparent, d’un albumen vitreux et farineux et d’un embryon.
Le péricarpe transparent du grain de maïs est une enveloppe produite par le plant-mère : c’est donc un tissu exclusivement maternel. L’albumen vitreux et farineux, est quant à lui, issu d’une fécondation. C’est l’albumen qui définit la couleur des grains, couleur visible par transparence du péricarpe. L’embryon est issu également d’une fécondation. Il est enveloppé par l’albumen.
Comme la couleur de chaque grain, visible grâce à la transparence du péricarpe, est celle de l’albumen issu d’une fécondation, chaque grain peut avoir sa propre couleur en fonction de l’origine du pollen.
Le grain de maïs “Dent” (Zea mays indentata) est formé d’une partie d’albumen farineux (en blanc) et d’une partie d’albumen vitreux (en saumon) plus dur.
Le grain de maïs “Flint” (Zea mays indurata) est formé d’une partie d’albumen farineux (en blanc) entièrement coiffée d’une partie d’albumen vitreux (en saumon) plus dur.
Le grain de maïs “Pop corn” est formé d’une partie d’albumen vitreux (en saumon) qui recouvre entièrement une partie d’albumen sucré (en vert).
Le grain de maïs “Pod corn” (Zea mays tunicata) encore appelé maïs “à cosses” ou maïs “vêtu” est formé d’une partie d’albumen vitreux (en saumon) et d’une partie d’albumen sucré (en vert).
Le maïs “Flour” (Zea mays amylacea) ou “Soft corn” possède des grains qui contiennent uniquement de l’albumen farineux. Les grains, tendres alors, se moulent facilement.

Sitologie pour le maïs : http://www.afd.be/~plant-ch/mais.htm, http://www.afd.be/~plant-ch/mais/conaiss/AGmais.htm, http://www.afd.be/~plant-ch/mais/conaiss/EGmais.htm,
Sitologie pour la Téosinte : http://hila.webcentre.ca/research/teosinte/teosinte_macro/index.html,
Matériel proposé : Des épis de Maïs de différentes variétés, Matériel de dissection : scalpel, pince, ciseaux ..., Grains de Maïs trempés, Farine de maïs Loupe binoculaire + microscope + caméra

, verres de montre, lames et lamelles, réactifs pour identifier la nature des réserves des grains comme le réactif iodo-ioduré ou eau iodée, soude à 20 % , sulfate de cuivre (http://svt.ac-creteil.fr/?option-sciences-experimentales-svt,805)
Document 3 : Comparaison des épis et des grains de Maïs et Téosinte


Masse des grains :
10 grains de Maïs = 2.7g
10 grains de Téosinte = 0.6 g



http://lycee-bellepierre.ac-reunion.fr/svt/images/ts_specifique/theme02b/06.jpg http://lycee-bellepierre.ac-reunion.fr/svt/images/ts_specifique/theme02b/06.jpg http://lycee-bellepierre.ac-reunion.fr/svt/images/ts_specifique/theme02b/07.jpg

Les grains de Téosinte sont entourés d’une cupule qui sont des glumes soudées. Les grains de Maïs possèdent des glumes réduites (qui se coincent entre les dents lorsque l’on mange les grains).

http://lycee-bellepierre.ac-reunion.fr/svt/images/ts_specifique/theme02b/08.jpg http://lycee-bellepierre.ac-reunion.fr/svt/images/ts_specifique/theme02b/ma%c3%afss03.jpg

Coupes transversales dans des grains de Maïs et de Téosinte

Document 4 : La sélection massale
Les populations de Téosinte présentaient de nombreuses variantes. La sélection massale pratiquée par les premiers agriculteurs a consisté à choisir les plantes les plus intéressantes dans une population et à utiliser leurs graines comme semences pour la génération suivante. Les données archéologiques indiquent qu’après quelques millénaires de domestication, les caractères du syndrome de domestication étaient présents chez les maïs cultivés (absence d’égrenage, disparition de la coque entourant chaque grain chez le Téosinte, augmentation du nombre de rangées de grains) ; Un autre caractère tôt sélectionné a été la transformation de la morphologie de la plante : le Téosinte a une tige très ramifiée alors que chez le maïs, il y a une tige centrale avec deux ou trois ramifications courtes terminées par une inflorescence femelle.

Document 5 : Les gènes TB (Téosinte Branched 1) et TGA1 (Téosinte Glume A rchitecture 1)
Fichier Anagène disponibles : TB1-CDS.edi, TGA1-Téosinte-Maïs-ADN.edi

Les semences de Téosinte sont entièrement enfermées dans une cupule dure alors que les grains des maïs cultivés sont presque nus : les formations à l’origine de la cupule de Téosinte existent aussi chez le maïs mais sont très réduites et non coriaces.
Le passage d’un type de semence à l’autre a été une étape critique dans le processus de domestication, en donnant un accès direct à la semence sans avoir à briser la coque.
Au cours des années 1990, des études moléculaires ont amené à penser qu’un gène situé sur le chromosome 4 était en cause dans cette évolution de la cupule entourant chaque semence. Les chercheurs ont appelé ce gène tga1

Doebley et son équipe ont recherché l’origine génétique des différences dans l’architecture des pieds de maïs et de Téosinte : une tige principale avec deux ou trois ramifications courtes terminées par une inflorescence femelle chez le maïs, de nombreuses ramifications dès la base chez le Téosinte.
On connait un mutant chez le maïs qui est abondamment ramifié dès la base. Ce mutant ressemble au Téosinte par l’importance de ses ramifications.
Le croisement entre un maïs normal et le mutant (le mutant jouant le rôle de plante mâle) engendre en F1 des plantes ayant le phénotype normal. Le croisement de ces F1 conduit à une génération F2 comprenant approximativement, 3/4 (72/99) de plantes de phénotype normal et 1/4 (27/99) de plantes ayant le phénotype mutant. Ces proportions statistiques indiquent que la différence phénotypique est due à un seul gène et que l’allèle muté est récessif.
Les chercheurs ont ensuite identifié le gène en cause et l’ont appelé TB1 à cause du phénotype proche de celui du Téosinte du mutant du maïs. Ils ont cloné ce gène et déterminé sa séquence.
On a montré que la protéine TB1 codée par le gène est un facteur de transcription qui en se fixant à des séquences régulatrices

de gènes impliqués dans le cycle cellulaire et l’élongation des rameaux en contrôle l’expression, en ayant un effet inhibiteur.




Quantité d’ARNm tb1 dans des cellules d’épi et de pédoncule de Maïs et de Téosinte

Sitologie : http://www.lemonde.fr/journalelectronique/donnees/protege/20120107/html/830675.html, http://www.agron.missouri.edu/mnl/68/138doebley.html

Document 6 : Evaluation du nombre de régions de gènes non liés impliqués dans la domestication du maïs par réalisation de croisement



http://lycee-bellepierre.ac-reunion.fr/svt/images/ts_specifique/theme02b/03.jpg

Carte génique du Maïs Croisements de Beadle en 1930


À l’issu d’un croisement entre le Maïs et la Téosinte, on obtient de hydrides F1.
Ils présentent un mélange des caractéristiques entre les deux variétés.
Le croisement des individus F1 entre eux donne naissance à la génération F2où l’on retrouve des individus présentant le phénotype des parents Téosinte ou Maïs.

Les résultats de Beadle : sur 50 000 individus F2,environ 1/500 présentent le phénotype des parents, les autres présentent des phénotypes intermédiaires.

Si les différences morphologiques sont dues à un seul gène, la proportion P des génotypes Téosinte ou Maïs en F2 s’obtient à l’aide d’un échiquier de croisement F1 x F1.

Si les différences morphologiques sont dues à deux gènes (non liés) : la proportion pour obtenir des génotypes Téosinte ou Maïs est égale P x P.


Document 6 : Hybridation des variétés de Maïs

http://www.gnis-pedagogie.org/photos/mais---creation-dune-lignee.jpghttp://www.gnis-pedagogie.org/photos/mais---fabrication-dun-hybride.jpg


L'amélioration génétique du maïs repose sur la technique d'hybridation. Les bases de cette technique remontent au siècle dernier avec les travaux de Charles DARWIN, William BEAL et Georges SHULL. Ces travaux ont permis l'obtention de lignées pures à partir des populations créées par plusieurs siècles de sélection massale et de mettre en évidence l'effet d'hétérosis par le croisement de deux lignées pures (les plantes obtenues se révélaient plus vigoureuses et plus productives). C'est à partir de 1933 que les premières semences hybrides de maïs ont été disponibles pour les agriculteurs et que leur emploi s'est généralisé.
L'effet d'hétérosis, appelé également vigueur hybride, se traduit par la supériorité pour de nombreux caractères de l'individu hybride (vigueur, rendement, résistance aux maladies et à la verse, précocité) sur la moyenne des deux parents ou sur le meilleur des deux parents. Le maïs est une plante allogame, l'effet de vigueur hybride ou hétérosis est particulièrement marqué pour cette espèce et sera recherché par le sélectionneur.
Cette vigueur hybride est d'autant plus importante que les parents sont éloignés génétiquement.
Les sélectionneurs ont donc structuré la diversité génétique du maïs en groupes hétérotiques caractérisés par leur distance génétique et l'origine géographique des individus. Parmi la vingtaine de groupes ou sous-groupes existants, on peut citer : les dentés précoces, les dentés demi-tardifs, les cornés européens.

La création de lignées pures et stables, futurs parents de l'hybride, est un passage obligé pour la création de variétés hybrides homogènes et reproductibles exprimant le plus d'hétérosis.
Ainsi, dès le départ, le sélectionneur cherche à créer dans chaque groupe hétérotique des lignées qui donneront une bonne combinaison hybride avec des lignées d'autres groupes.
La création de variétés hybrides comporte deux phases qui aboutissent à la sélection des meilleures lignées :
- la création des lignées qui serviront de parents au futur hybride par autofécondations successives, pour fixer les caractères d'intérêt,
- le choix des futures lignées parentales par le croisement des lignées avec un testeur pour déterminer leurs aptitudes à la combinaison, c'est-à-dire pour fabriquer la variété hybride selon les objectifs du sélectionneur.

Pour obtenir des lignées parentales, il faut pendant de nombreuses générations, forcer artificiellement les plantes issues d'un croisement de départ, à recevoir leur propre pollen, tout en évitant l'arrivée de pollens étrangers. Les fleurs femelles de chaque plante que l'on désire autoféconder sont ensachées.
L'autopollen est recueilli à partir de la panicule de la plante et déposé sur les soies des fleurs femelles de la plante.
A chaque génération, seules les plantes les plus intéressantes sont retenues. L'obtention de lignées s'accompagne d'un effet dépressif (effet d'inbreeding) résultant des croisements consanguins répétés.
Une lignée produit du pollen en quantité plus faible qu'un hybride. Une lignée demande une attention particulière car elle est plus fragile et plus délicate à cultiver qu'un hybride.
Chez les plantes allogames comme le maïs, il n'y a pas de forte corrélation entre la valeur des lignées et celle des hybrides qu'elles peuvent donner. Le sélectionneur recherche parmi les lignées parentales en cours de création, celles qui donnent les meilleurs hybrides lorsqu'elles sont croisées (test d'aptitude à la combinaison).
En complément le sélectionneur utilise pour améliorer les populations qui servent à fabriquer de nouvelles lignées, la sélection récurrente réciproque et pour corriger un défaut d'une lignée pure, tout en lui conservant ses caractéristiques essentielles, le croisement en retour ou back-cross.http://www.gnis-pedagogie.org/photos/mais---effet-dheterosis.jpghttp://www.gnis-pedagogie.org/photos/mais---differents-types-dhybrides.jpg

Par des croisements multiples entre lignées, le sélectionneur obtient des hybrides dit expérimentaux, qu'il testera en différents lieux. Il retiendra les hybrides les plus performants en comparaison à des témoins.
Ces hybrides sont obtenus en croisant des lignées entre elles. Celle qui sert de géniteur femelle est préalablement castrée, avant d'avoir émis du pollen, ses fleurs seront fécondées par le pollen de la lignée choisie comme géniteur mâle.

Le croisement de deux lignées permet l'obtention d'une variété appelée hybride simple. Un hybride simple peut être croisé avec une lignée bien choisie, pour obtenir un hybride trois voies, ou avec un autre hybride simple pour donner un hybride double.
L'hybride simple est plus délicat à produire car ses parents sont des lignées. Mais l'hybride commercial est homogène et l'effet d'hétérosis maximum.
L'hybride trois voies est plus facile à produire, généralement c'est l'hybride qui est choisi dans ce cas comme parent femelle. Ainsi, la production de semences est importante. Il permet aussi d'assurer une base génétique plus large à la variété finale, en combinant les caractères se trouvant sur trois parents.
Les hybrides doubles moins performants que les hybrides simples et les hybrides trois voies ne sont plus commercialisés.
En 2002, la part des hybrides simples vendue en France en production de semences était de 82 %, 18 % pour les hybrides trois voies et résiduels pour les hybrides doubles.

Document 7 : Réalisation du maïs génétiquement modifié Bt
canon (L=0,5 cm)

projetant le gène ‘’insecticide’’ dans les cellules de maïs

projection

pénétration

billes de tungstène enrobée du gène ‘’insecticide’’- pénétration dans le noyau des cellules de maïs

billes de tungstène enrobées du gène d’intérêt (gène ‘’insecticide’’)

Bacillus thuringiensis (bactérie)

extraction du gène d’intérêt (gène ‘’insecticide’’)

gène ‘’insecticide’’ intégré dans l’ADN de la cellule de maïs

divisions cellulaires

régénération de plantules modifiées

maïs entier produisant son insecticide

Les étapes de la transgénèse sont :

1. Repérer un caractère intéressant dans un organisme vivant et identifier la protéine.

2. Identifier et isoler le gène d'intérêt.

3. Réaliser et amplifier une construction génique

4. Transférer de l'ADN = Introduction d'un ADN étranger dans une cellule embryonnaire de Maïs.

5. Contrôler l'efficacité du transfert chez l'hôte.

6. Sélectionner des cellules exprimant le gène ajouté par tri.
Des variétés de maïs ont été transformées par des firmes privées pour produire dans leurs tissus la toxine Cry1Ab de Bacillus thuringiensis (Bt), active contre la pyrale du maïs.

Cette stratégie de lutte offre plusieurs avantages :

• la toxine Cry1Ab n'est active que sur les insectes, aucune toxicité n'a été mise en évidence, ni pour les animaux domestiques ni pour l'homme.

• la toxine est produite principalement dans les parties vertes de la plante, qui ne sont jamais consommées par l'homme ;

• les premiers essais ont montré une remarquable efficacité de ces maïs (voir tableau ci-dessous) ; les larves vivent à l'intérieur de la plante, dès leur éclosion, elles sont éliminées avant d'avoir pu provoquer des dégâts ;

• la toxine insecticide produite dans la plante est protégée des conditions climatiques, pluie ou rayonnements ultraviolets.

En 1995 la culture du maïs transgénique a été autorisée aux Etats-Unis, en 1996 au Canada et en novembre 1997 en France. En 1997 elle a représenté 10 % des surfaces cultivées en maïs aux Etats-Unis.


• Les limites d'efficacité

La toxine insecticide produite par la plante bloque l’appareil digestif des larves de pyrale ou de sésamie, cette dernière est présente essentiellement dans le Sud de la France. Dans les zones méridionales, une deuxième génération de chenille de pyrale et de sésamie apparaît la même année. Il faut donc estimer l’efficacité de l’insecticide produit par la plante lors des infestations tardives.

• Les risques de contournement

L'apparition de pyrales résistantes à la toxine de Bt, dans ce cas les chenilles ne seraient plus détruites, les agriculteurs devraient revenir à l’utilisation d’insecticides chimiques.

Pas de risque majeur pour les autres cultures, l’infestation des haricots ou des framboisiers par la pyrale est moins massive, elle est contrôlable par plusieurs molécules chimiques.

Les risques de sélection de populations de pyrale résistantes à Bt sont en principe plus élevés que dans le cas des insecticides chimiques, car tous les insectes qui ont consommé du maïs transgénique ont été en contact avec la toxine.

La probabilité et la vitesse de sélection d'insectes résistants dépendent :

  • du nombre de générations ;

  • de la concentration de la toxine dans la plante ;

  • de la fréquence initiale et de la «force» des éventuels gènes de résistance dans les différentes populations de pyrale ;

  • de la fréquence des accouplements des survivants d'un champ transgénique avec les papillons issus des champs voisins non transgéniques ;

  • du coût biologique d'acquisition de la résistance (femelles moins fécondes, développement plus lent...).

• Les effets non intentionnels

On ne connaît pas d'effets non intentionnels néfastes prévisibles sur les prédateurs naturels de la pyrale.

Au contraire, on peut penser que l'utilisation de maïs Bt permettra le développement d'auxiliaires (= prédateurs) jusque-là tués par les traitements chimiques. Peu à peu ils contribueront mieux à la régulation des populations de ravageurs.
L'objectif général des travaux effectués à l'INRA :

• est d'identifier s'il existe dans les populations naturelles de pyrale des gènes susceptibles d'induire une résistance à la toxine présente dans le maïs transgénique.

Il s'agit d'établir la courbe de toxicité de la toxine de Bacillus thuringiensis pour les différentes populations sauvages de pyrale, la perte de la toxicité est indicateur de l'évolution de la résistance à Bt.

L'établissement d'une telle courbe dans une région donnée est indispensable avant l'installation de plantes transgéniques.

• de caractériser les éventuels gènes de résistances afin de mettre au point des méthodes de détection simples avant qu'ils atteignent des fréquences permettant leur détection par des tests toxicologiques classiques.

Une sélection, commencée en 1993 et poursuivie en conditions expérimentales pendant 26 générations, n'a pas permis l'obtention d'une lignée de pyrale résistante à la toxine de Bt. À chaque génération, mille chenilles ont été traitées dans le but de trouver une résistance.

• d'étudier leur hérédité et leur maintien dans les populations dans différentes conditions expérimentales et ainsi d'évaluer les risques de dispersion géographique de gènes de résistance, s'ils apparaissent.

Ces différents travaux donneront des éléments de biovigilance. Ils contribueront au suivi des conséquences sur l'environnement de la culture du maïs Bt. Les «marqueurs» génétiques révélés par ces études pourront de plus servir aux investigations visant à identifier les relations entre les gènes de résistance et ainsi aider à la caractérisation de marqueurs génétiques de la résistance.

Extrait d’un article de Guy Riba (INRA Paris) et Josette Chaufaux ( INRA Versailles)

http://www.inra.fr/internet/Directions/DIC/ACTUALITES/DOSSIERS/OGM/riba.htm

http://www.universcience-vod.fr/media/805/mgm---mais-genetiquement-modifie.html?page=3&cat_id=167







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