Résistance des hybrides – exemple du caféier arabica

LIAISON AVEC LE PROGRAMME
Niveau concerné TS obligatoire
Partie du programme : Thème 1-A-2 Diversification génétique et diversification des êtres vivants
PLACE DANS LA PROGRESSION
Thème 1A-1 : Les élèves ont étudié les mécanismes de la reproduction sexuée, de la méiose (dont crossing-over) et les brassages génétiques
PROBLEME A RESOUDRE
Comment expliquer la possibilité de plantation de l’hybride arabica dans des zones de températures plus larges que celles des espèces parents ?
NOTIONS, COMPETENCES
Notions - L’expression du génome de l’hybride dépend de la température ambiante.
Compétences - Traduire des informations sous forme de graphiques, tableau, ….
-  Mise en relation d’informations et de résultats.
ACTIVITE
Durée : 1h30 Coût : aucun Sécurité : RAS
  • Matériel et ressources : Aucun matériel
  • Déroulement de l’activité :

Exemple de résistance des hybrides : le caféier

Remarque préalable : Ce dossier regroupe certaines données sur les caféiers et des idées d’exploitation relatives à ces données (en caractères gras).

Les caféiers sont des arbustes des régions tropicales du genre Coffea de la famille des Rubiacées. L’espèce Coffea arabica est majoritairement cultivée pour la production mondiale de café (65%) de même que Coffea canephora (près de 35%).
Le caryotype de Coffea arabica est de 2n = 44. Cette espèce est le seul hybride connu parmi les 104 espèces du genre Coffea. Il provient du croisement de Coffea canephora (2n = 22) et Coffea eugenoïdes (2n = 22). Une étude approfondie du caryotype d’arabica a permis de démontrer la présence de deux lots de chromosomes Ea et Ca, qui proviendraient respectivement de formes ancestrales des espèces actuelles C.eugenioides (parent femelle, Génome Ea) et C. canephora (parent mâle, génome Ca).

- On peut faire poser des hypothèses sur l’origine de la tétraploïdie de C. arabica.
- On peut faire schématiser les mécanismes possibles (gamètes diploïdes ou doublement des chromosomes de la cellule œuf)

Remarque : les élèves auront déjà étudié les mécanismes de la reproduction sexuée.

L’arabica est originaire de l’Afrique de l’Est (Éthiopie : altitude 1200-1950m, avec des températures moyennes annuelles de 18 à 21°C). Seule espèce de caféier cultivée jusqu’en 1865, il est maintenant, largement répandu dans les régions tropicales, notamment en Amérique centrale et en Amérique du Sud.
Le robusta (Coffea canephora) est originaire de l’Afrique tropicale centrale et occidentale (Congo, Angola : altitude 250-1500m, avec des températures moyennes annuelles relativement stables de 22 à 26°C). Il a été largement introduit en Amérique et en Asie tropicale.
La carte ci-dessous résume les aires de répartition de ces deux espèces :

(source : site www.prota.org / Plant Resources of Tropical Africa)

Carte de répartition de Coffea eugenioides :
PNG

Coffea eugenioides est une plante indigène des hauts plateaux d’Afrique de l’Est. On peut la rencontrer dans l’est de la République démocratique du Congo, au Rwanda, en Ouganda, au Kenya et dans l’ouest de la Tanzanie. Elle pousse à des altitudes de 1000-2000 m et des températures de 18 à 23°C.

- On peut demander de colorier sur la carte l’ aire de répartition de canephora (robusta) et en déduire les zones où l’hybridation a pu avoir lieu.
- On peut comparer les caractéristiques environnementales des trois espèces et citer les espèces dont les caractéristiques sont les plus proches.

Une étude a été réalisée pour savoir si l’expression du génome de l’hybride dépend de l’environnement.
Des graines des trois espèces ont été placées dans une chambre de culture. Pour l’hydride arabica, deux variétés (ou cultivar = cv) ont été utilisées : cv Java issu du croisement C. eugenoïdes et C. robusta ; cv T18141 issu du back-cross entre C. arabica et C. robusta.

Dans deux chambres de culture, certaines conditions sont fixées et communes : photopériode (12h/12h) ; humidité de 80-90% par exemple. Une des chambres présente une température diurne de 26°C et une température nocturne de 22°C. L’autre chambre présente une température diurne de 30°C et une température nocturne de 26 °C.
Après 60 jours dans la chambre de culture la plus chaude ou bien 45 jours dans la plus froide, la taille des plantes et le nombre de feuilles nouvellement formées sont similaires. Deux jeunes feuilles sont alors recueillies et congelées très brutalement à -80°C.
L’ARN foliaire de chaque espèce est extrait et comparé entre eux.

Les % de différences entre les ARN sont donnés dans les tableaux suivants, ils sont identiques pour les deux variétés d’arabica :

Pour les températures de 22 à 26°C :

Pour les températures de 26 à 30°C :

COMMUNICATION DES RESULTATS, OBSERVATIONS, RECHERCHES

- Il est possible de :

  • résumer l’expérience sous forme de schéma fléché.
  • donner les facteurs expérimentaux (variable, constants, mesures).
  • comparer les résultats : entre espèces et en fonction de la température.
  • faire poser l’hypothèse sur le groupe de gènes qui s’exprime préférentiellement à fortes températures.
  • faire construire des graphes (exemple en secteur) sur tableur pour montrer les modifications d’expression des gènes en fonction de la température.
  • réaliser une comparaison de l’expression des gènes chez ces deux hybrides en fonction des zones de température.
  • en revenant sur le constat initial des zones de culture des trois espèces : expliquer la possibilité de culture de l’arabica dans les différentes zones et montrer l’intérêt de l’hybridation.
LES RÉPONSES ATTENDUES

1) Différences entre les deux parents diploïdes :

Cette différence reste importante quelle que soit la température, mais elle est accentuée à 22-26°C. Les gènes dont l’expression diffère entre ces deux espèces sont de trois natures :
-  Gènes dont l’expression diffère quelle que soit la température (38.8%)
-  Gènes dont l’expression diffère uniquement à 22-26°C (45.8%)
-  Gènes dont l’expression diffère uniquement à 26-30°C (16.67%)

Schématisation sous forme de diagramme de Venn (Modèle de l’article donné en ressource) :

2) Différences entre les hybrides et leurs parents diploïdes :

Toujours d’après le tableau :

-  Pour l’espèce C. eugenoïdes, la divergence reste comparable pour les deux températures.
-  Pour l’espèce C. robusta, la divergence est plus faible pour les températures de 26-30°C.

Les hybrides possèdent les chromosomes venant de chaque parent et donc la totalité de leurs gènes.
Les différents modèles d’expression de ces gènes sont établis entre les allopolyploïdes (à définir éventuellement, selon l’avancée du cours) arabica et leurs parents. Certains modèles montrent que les gènes s’expriment indifféremment entre l’hybride et ses parents (groupe : « aucun changement »), d’autres montrent la dominance d’expression de l’un des parents chez l’hybride.

Les résultats sont consignés dans le tableau ci-dessous :

Exemples de graphes pouvant être obtenus :

Source bibliographique :

« Genomic expression dominance in the natural allopolyploid Coffea arabica is massively affected by growth temperature » Amélie BARDIL, Juliana DANTAS, Marie Christine COMBES, Philippe LASHERMES et Benoît BERTRAND – Publication “New phytologist” 2011

Remerciement :

Corine ENARD – INRA de Versailles pour l’apport de sources et la relecture du travail.

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