THEME 2:

L'HISTOIRE DE LA GENETIQUE, DEPUIS MENDEL JUSQU'AUX ENJEUX ACTUELS DES BIOTECHNOLOGIES

****

MENDEL ET LA NAISSANCE DE LA GENETIQUE

 
Le moine tchèque Johann Gregor MENDEL (1822-1884) est reconnu comme le fondateur de la génétique (science de l'hérédité): il publie ses travaux en 1866, mais ceux-ci passent inaperçus jusqu'en 1900.
Nous montrerons comment une méthode expérimentale rigoureuse et l'exploitation mathématique des résultats ont bouleversé la conception de l'hérédité.
 
Thèmes traités et activités pédagogiques (durée: 2 semaines):
Le contexte scientifique de l'époque
Une méthode scientifique rigoureuse
Le monohybridisme
Le dihybridisme

1 Le contexte scientifique de l'époque

Après être entré au monastère Saint-Thomas de Brno où l'on teste les méthodes d'amélioration des espèces cultivables, MENDEL, devenu frère Gregor, parfait sa formation à l'Université de Vienne dans de nombreux domaines: mathématiques, sciences physiques, botanique, physiologie végétale, entomologie, paléontologie.
Il prend connaissance des débats scientifiques de l'époque qui divisent les universitaires sur l'hérédité et les mécanismes de la fécondation. De retour à Brno il établit les plans de ses expérimentations qu'il mènera sur le pois (Pisum sativum).

1.1 LES QUESTIONS SCIENTIFIQUES EN SUSPENS...

1.2 L'HYBRIDATION EST UNE TECHNIQUE DEJA CONNUE

2 Une méthode scientifique rigoureuse

De nombreux botanistes et horticulteurs avant Mendel avaient cherché à comprendre les mécanismes de transmission des caractères et à sélectionner des hybrides stables, mais faute d'une approche méthodique, ils n'étaient pas parvenus à dégager des conclusions.

2.1 SELECTION DE VARIETES STABLES

Le choix du matériel est un préalable qui conditionne la réussite des expériences. Mendel écrit:
Mendel choisit de ce fait le pois (Pisum sativum) pour les raisons suivantes:
"Les plantes doivent posséder des caractères différentiels constants" : c'est-à-dire des caractéristiques bien définies et contrastées, dont la transmission de génération en génération peut être facilement repérée et suivie.
Diversité de forme, de taille, de couleur des différents organes
"Il faut que, pendant la floraison, leurs hybrides soient naturellement, ou puissent être, mis à l'abri de toute intervention d'un pollen étranger".
Structure de la fleur évitant la pénétration de pollens étrangers (corolle formée d'un étendard, de 2 ailes, de 2 carènes enfermant les organes reproducteurs)
"Les hybrides et leurs descendants ne doivent éprouver aucune altération notable de fertilité dans la suite des générations".
 Grande fécondité des hybrides permettant de suivre la transmission des caractères sur plusieurs générations
 
Mendel sélectionne ainsi 7 variétés à "caractères différentiels" constants:
 
 Forme de la graine
lisse
ridée
Couleur de la graine 
jaune
verte
Couleur de la fleur 
violette
blanche
Couleur de la gousse avant maturation
verte
jaune
Forme de la gousse après maturation
plate
bosselée
Position des fleurs sur la tige
axillaire
terminale
Hauteur du pied
géante (200 cm)
naine (30 cm)

2.2 UN PROTOCOLE EXPERIMENTAL ASSOCIE A UNE EXPLOITATION STATISTIQUE

Mendel réalise, entre 1858 et 1863, de très nombreuses hybridations entre pois ayant deux "traits" différents pour un même caractère parmi les 7 répertoriés: c'est ainsi que sur 28 000 plants, il en examine 13 000 et environ 300 000 graines. 


Définissez ce que l'on entend par "caractère différentiel constant" et par "lignée pure" chez les parents. Pourquoi peut-on parler d'hybrides chez les plants de première génération (cette appellation est à priori plus évidente pour les plants de deuxième génération)?
Quel intérêt voyez-vous à analyser un très grand nombre de plants?

3 Le monohybridisme

3.1 DES RESULTATS

3.2 LE CONCEPT D'HEREDITE PARTICULAIRE

4 Le dihybridisme

La première loi de Mendel est-elle valable si l'on considère la transmission simultanée de deux ou plusieurs caractères différentiels?

4.1 UNE EXPERIENCE DE DIHYBRIDISME


Mendel sélectionne deux variétés de pois différant par deux caractères (figure ci-contre):
- caractère "couleur des graines": jaune désigné par J ou verte désigné par v (nous avons vu que J est dominant, r récessif),
- caractère "forme des graines": lisse désigné par L ou ridé désigné par r (nous avons vu que L est dominant, r récessif).

Expliquez la couleur et la forme des graines de F1. Montrez que les résultats de F2 correspondent à deux cas séparés de monohybridisme.

4.2 L'INTERPRETATION DE MENDEL

Mendel, après avoir vérifié que les résultats obtenus se reproduisent à la troisième génération, émet l'hypothèse que les ovules et les grains de pollen produits par l'hybride de F1 possèdent diverses combinaisons des "facteurs" A, a, B et b en quantités égales.

Réalisation de croisements-tests:
 
Mendel vérifie son hypothèse en réalisant les fécondations croisées suivantes:
 
Hybride de F1 x pollen de lignée pure ab
 Plante de lignée pure ab x pollen d'hybride de F1
 31
 28
 24
27 
 26
 27
 25
22
Quelles sont, vues sous l'angle mathématique, les différentes combinaisons en éléments A, a, B, b dans les gamètes de F1? Proposez une formulation des différents types de descendants comme dans le §3.3.3.
 
Mendel conclut ainsi: "les descendants des hybrides, chez lesquels sont réunis plusieurs carctères essentiellement différents, représentent les différents termes d'une série de combinaisons dans lesquelles sont groupées les séries de formes de chaque couple de caractères différents. Il est en même temps prouvé par là que la façon dont se comporte chaque couple de caractères différentiels, est indépendante des autres différences que présentent les deux plantes souches."
 
Il formule ainsi un deuxième principe, qui sera exprimé par la suite en tant que deuxième loi de Mendel ou loi d'indépendance des caractères: les versions alternatives d'un caractère donné se transmettent indépendamment des versions alternatives d'un autre caractère.
 
Construisez un échiquier de croisement pour expliquer les résultats obtenus en F2 et confrontez les résultats théoriques aux résultats expérimentaux.

 

Les travaux de Mendel conduisent à une nouvelle conception de l'hérédité

L'absence d'hybrides avec des caractères intermédiaires entre ceux des parents et la réapparition du caractère récessif en F2 réfutent l'idée d'hérédité par mélange.

Mendel suggère que les caractères sont transmis comme des "unités", des "facteurs", des "éléments" distincts: c'est le concept d'hérédité particulaire.

L'hérédité n'est plus conçue comme directe, à partir de "petits granules" contenant des structures préformées, mais chaque caractère est déterminé par un support matériel que l'on qualifiera plus tard de gène (hérédité indirecte).

Malgré une large diffusion dans le monde scientifique, les travaux de Mendel, publiés en 1866, vont rester ignorés, car ses conceptions restent théoriques et non fondées sur des observations cytologiques.