Les élèves arrivent en classe de terminale avec des notions sur la méiose et des connaissances de génétique. Pour aborder les lois de Mendel, les élèves ont travaillé sur des modèles 3D d’épis de maïs disponibles dans la banque d’image de Mesurim2.

Grains de maïs

Parmi les divers organismes modèles disponibles, le maïs possède plusieurs caractéristiques pour illustrer les principes génétiques. Celles-ci incluent :

1. une large gamme de mutants clairement visibles pour divers caractères, en particulier les caractères du grain.
2. les fleurs mâles et femelles, qui sont portées sur des structures séparées et facilitent les croisements. Le maïs est une plante monoïque.
3. les grains sur un même épi, qui montrent une ségrégation génétique et représentent une population d’individus. La fleur de sexe mâle chez le maïs est la « panicule » à l’extrémité haute de la plante, sa fleur de sexe femelle est le futur « épi ».
4. la séparation des graines disposées en rangées sur un épi, qui peut être utilisée pour illustrer des concepts statistiques tels que les événements aléatoires, l’échantillonnage et la probabilité.

Hybridation maïs

Activité 1

La notion de croisement lois de Mendel

 Première loi : Loi d’uniformité des hybrides de première génération

Comme les gamètes sont issus de la méiose, ils ne possèdent qu’un seul allèle correspondant à l’un des deux chromosomes de l’individu "parent". Pour les lignées pures, c’est-à-dire les individus homozygotes récessifs ou dominants, les gamètes sont tous identiques puisqu’ils possèdent le même allèle.
Si l’on croise deux individus d’une même espèce homozygotes l’un dominant l’autre récessif, tous les descendants de la première génération, qui sont appelés hybrides F1, sont identiques relativement à ce caractère, c’est-à-dire tous hétérozygotes.

 Deuxième loi : loi de ségrégation des caractères dans la génération F2 ».

Pour un individu F1 hétérozygote, les deux allèles pour un même gène se séparent lors de la formation des gamètes (méiose) de sorte que 50% des gamètes obtiennent l’un des allèles et 50% des gamètes ont l’autre allèle.
À partir de deux individus F1, on obtient une génération F2 dans laquelle on trouve les deux versions du caractère dans des proportions bien définies : trois descendants au même phénotype (1 RR homozygote + 2 Rr hétérozygotes) et un descendant d’un autre phénotype (rr homozygote).

À partir de l’observation des résultats de croisements chez le maïs, sur le caractère de la couleur des grains (noir ou jaune) et en vous aidant des connaissances actuelles en génétique, valider et justifier les résultats prévus par les lois de Mendel.

Précisions Les observations des phénotypes des grains de maïs correspondent dans ce cas à des observations d’une population diploïde, mais il ne s’agit pas d’une population d’embryons. Il est possible d’adapter les informations et la précision des caractéristiques du maïs en fonction du niveau de la classe. Il existe une double fécondation chez les plantes à fleur, une qui va donner le futur embryon et l’autre qui va donner l’albumen, tissu nourricier de l’embryon. Timelapse de 7 heures montrant le guidage des tubes polliniques (gris) Attraction tube pollinique (https://twitter.com/NickDesnoyer/st...) La couleur de la couche à aleurone du grain de maïs est un exemple d’épistasie (en génétique, l’épistasie désigne l’interaction existante entre deux ou plusieurs gènes, l’un d’entre eux masquant ou empêchant l’expression des autres.). La couche à aleurone est un tissu fin constitué d’une seule couche cellulaire et situé entre le péricarpe et l’albumen (endosperme) du grain de maïs. Il s’agit d’un tissu triploïde (3 chromosomes par type de chromosome) issu de la fusion des deux noyaux polaires du sac embryonnaire et d’un des deux zygotes mâles qui ont fécondé le grain. Schéma de la double fécondation chez le maïs Schéma double fécondation Deux types de pigments peuvent colorer l’albumen : le carotène donne des grains jaunes (couleur la plus répandue) si l’aleurone et le péricarpe sont incolores ; les anthocyanes donnent des grains rouges, bleus ou violets. Le mélange des couleurs entre les différentes couches du grain (albumen, aleurone et péricarpe) donne des couleurs intermédiaires (orangé, rose, marron, vert). L’absence de pigment donne des grains blancs. La couche à aleurone peut prendre teintes différentes : le rouge, le violet à noir ou incolore. Dans ce dernier cas, le grain sera alors de la couleur de l’albumen (endosperme) : blanc ou jaune. Schéma d’une coupe de grain de maïs avec les structures à l’origine de la couleur de l’albumen Trois gènes sont impliqués dans l’expression de la couleur : Les gènes R1 et C1 sont des gènes de régulation : ils codent pour des activateurs ou inhibiteurs de transcription et sont susceptibles d’interrompre ou non la synthèse des anthocyanes. Un des gènes structurels à la base de la synthèse des caroténoïdes est le gène Y1.

Les élèves ont à disposition un lien vers le modèle directement disponible via Pearltrees et QR code si le modèle est présent dans la banque, Il y a également la possibilité d’ajouter des modèles 3D au format .glb dans Mesurim2. Les liens peuvent être modifiés afin de cacher les informations et les descriptifs de modèles.

lien direct et QR code mesurim2

Ils ont également un lien vers le tutoriel de l’outil de comptage réalisé par Philippe Cosentino. https://youtu.be/B_G7wMDPln0

Ils ont accès aux parents de lignées pures de couleur noire (R1//R1) et de couleur jaune (r1//r1) et au phénotype des individus F1.

Dans le détail : Il s’agit d’un monohybridisme sur un caractère de la couleur noir/jaune avec : le gène Y1 du chromosome 6 présentant l’allèle Y1 donnant la couleur jaune pour tous les individus ; le gène R1 du chromosome 10 avec l’allèle R1 violet, rouge à noir ou r1 sans couleur codant pour la synthèse d’un facteur de transcription d’anthocyane dans l’endosperme.

^{Les comptages sont réalisés sur 3 lignes maximum et sont ensuite mutualisés via un tableur.}

Résultat total du croisement P1 et P2	noir 100%	jaune 0%
Résultats total autofécondation F1	noir 260 (76%)	jaune 82 (24%)

Réalisation de l’échiquier de croisement et validation des lois de Mendel.

Modèle d’autofécondation avec 2 gènes pour la 3ème loi de Mendel, à venir

Activité 2

À la suite du TP sur les brassages intra et interchromosomique avec les drosophiles, cette activité a été proposée en classe entière et à distance afin d’approfondir la notion.

Nous avons déjà vu les principes de Mendel avec l’étude de la couleur des grains de maïs et les brassages génétiques sur les mouches en cours et en TP. Nous allons essayer ranger les épis qui trainent dans le laboratoire, depuis des dizaines d’années. La seul indication qui reste est l’étiquetage des boites « parents », « F1 » et « F2 ». Plusieurs étiquettes avec des caractéristiques génétiques ont été retrouvées mélangées dans les boites. Certains épis sont issus d’un monohybridisme, d’autre d’un dihybridisme (les gènes de couleur et de forme peuvent être liés ou non). étiquette R//R x r//r étiquette Y//y x y//y étiquette ShC//ShC x shc//shc Etiquette Su//Su R//R x su//su r//r À vous d’expliquer les phénotypes des grains de Maïs et de les relier aux bonnes étiquettes, tout en déterminant les parents de lignée pure. Vous devrez justifier vos choix en réalisant des tableaux de croisement et en analysant les pourcentages des différents phénotypes des grains observables sur les épis. Les grains contiennent une plus grande proportion de sucre que d’amidon en raison d’une ou plusieurs mutations de gènes récessifs qui empêchent la conversion du sucre en amidon L’albumen est dur au niveau des parois et à la base du grain ; le reste du grain est rempli d’un amidon mou qui va donner une forme particulière au grain lors de sa déshydratation. • 2 différentes mutations génétiques sont responsables du goût sucré du maïs : o Su 1 (normal sugary) o Sh1 (shrunken-1)

Précision : Selon le niveau des élèves : L’effet de xénie est défini comme l’effet direct d’un type de pollen (et donc du génotype paternel) sur le développement du grain. Par la double fécondation, 1/2 du génome de l’embryon et 1/3 du génome de l’albumen proviennent directement du pollen. Un pollen qui porte l’allèle dominant (et donc qui n’est pas issu de la même plante/lignée) va influencer les caractères du grain, on parle alors d’effet de xénie. Cet effet a été particulièrement étudié chez le maïs. En effet il peut être observé facilement sur un épi sur des caractères macroscopiques. On peut citer des caractères comme la couleur, la taille ou encore la composition du grain. Le maïs doux a été sélectionné pour ses grains au taux de sucre particulièrement élevé. Lors de la maturation le maïs non doux a un l’albumen rempli d’amidon (composé de parts variables d’amylose et d’amylopectine). Ces 2 molécules sont des polymères plus ou moins ramifiés de glucose. Cet assemblage est contrôlé par plusieurs processus eux-mêmes contrôlés par des gènes et des facteurs de transcription. Des mutations dans ces gènes qui contrôlent la production d’amidon modifient la teneur en amidon et en glucose de l’albumen. Ici on a un exemple avec les mutations qui provoquent des pertes de fonctions des gènes Sh2 (shrunken 2) et Su1 (sugary1 type). Métabolisme de production de l’amylose et de l’amylopectine dans l’albumen du grain de maïs Les étapes contrôlées par ces 2 gènes sont perdues dans le grain et le glucose s’y accumule au lieu d’être incorporé dans les molécules d’amidon. Une fois sec, la perte d’eau se traduit par un creusement qui a donné son nom aux maïs dentés (plissé). Les grains de maïs non ridés, à maturité, sont composés d’amylose et d’amylopectine. Lors de la maturation du grain l’amidon ainsi produit est "compacté" au fur et à mesure et occupe la quasi totalité de l’espace de l’albumen. Chez le maïs doux, la quantité d’amidon est bien inférieure, ainsi la quantité de matière sèche totale dans le grain est plus faible alors que le grain possède globalement la même taille et le même volume. Ainsi lors de la dessication l’enveloppe se rétracte et se "ratatine" pour donner cet aspect ridé.

Aide au comptage : Un tableau collaboratif de vos comptages est disponible pour augmenter la fiabilité des résultats. Pour chaque individu ne compter que 3 lignes de grains.

Aide « lois » de Mendel : Certains allèles sont dominants, certains allèles récessifs Certains allèles peuvent s’expriment quand même un petit peu, comme pour les colorations de certaines fleurs qui ont différentes nuances qui dépendent plus de la concentration en colorant que de la présence ou absence de colorant. Certains allèles modifient la régulation de l’expression de gène au niveau de séquences promotrices qui permettent de favoriser ou non la transcription de gènes.

Aide croisement Rétrocroisement ou back cross Le premier croisement ou croisement test entre deux parents de lignées pures P1 x P2 donne la génération F1 qui permet de déterminer le caractère dominant d’un allèle, ici pour les gènes déterminant la couleur ou la forme du grain. Le deuxième croisement entre F1 et le parent double récessif, appelé génération F2, montre des phénotypes qui correspondent aux caractéristiques des génotypes des gamètes de F1. Dans le cas de gènes indépendants les résultats seront de ¼, s’ils sont liés, les résultats seront différents entre les combinaisons de parentaux et des combinaisons recombinés. Hybride = organisme issu du croisement de deux lignées « pures » différentes. Pour un caractère (monohybydisme), on croise des individus homozygotes pour l’allèle responsable de ce caractère. Lors de la méiose les cellules produites reçoivent un seul des deux allèles de chaque paire avec une probabilité équivalente. Pour deux paires d’allèles, quatre combinaisons d’allèles sont possibles pour les gamètes produits : Le brassage interchromosomique est observé avec plusieurs gènes portés par des chromosomes différents. Les 4 combinaisons d’allèles sont équiprobables : 25%. Les phénotypes parentaux sont plus probables que les phénotypes recombinés par brassage interchromosomique et intrachromosomique, si les gènes sont liés.

Aide génétique des Maïs Tableau des gènes impliqués dans la forme et la couleur

gène	numéro de chromosome	Allèles	Rôle
SH1	chromosome 9	Sh1 Rond sh1 Plissé	synthèse du glucose endosperme
C1	chromosome 9	C1 violet rouge c1 sans couleur	endosperme transcription des anthocyanes
Y	chromosome 6	Y1 jaune y1 blanc	endosperme synthèse de carotène
R1	chromosome 10	R1 violet rouge r1 sans couleur	endosperme synthèse d’anthocyane facteur de transcription
Su 1	chromosome 4	Su1 rond su1 ridé	endosperme production de sucre

Les élèves ont accès comme la première activité à des liens directs dont toutes les informations des épis sont absentes.

Exploitation de modèles 3D d’objets réels : épis de maïs issus de croisements différents de parents homozygotes pour des caractères de couleurs et de formes

Travail sur navigateur internet via tablettes ou PC

Elèves comptage classe

Elève comptage tablette

Epis F2 genes non liés noir//jaune lisse//ridé

Comptage complet épis F2

maïs mesurim2 comptage

Résultats des croisements F2

F2 2 gènes indépendants noir//jaune lisse//ridé
Noir ridé	98 (23.6%)
Noir lisse	118 (28.5%)
Jaune ridé	92 (22.1%)
Jaune lisse	107 (25.8%)

F2 2 gènes liés noir lisse//jaune plissé
Noir lisse	107 (43.5%)
Noir plissé	13 (5.3)
Jaune lisse	11 (4.5%)
Jaune plissé	115 (46.7)

Autofécondation noir//jaune
Noir	260 (76%)
Jaune	82 (24%)

Autofécondation f1 2 gènes liés noir lisse//jaune plissé
Noir lisse	265 (61%)
Noir plissé	50 (11.6%)
Jaune lisse	9 (2%)
Jaune plissé	105 (24.4%)