Ressources pédagogiques de la filière semences
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L'ADN

L'ADN : SUPPORT DE L'INFORMATION GÉNÉTIQUE

L’information génétique détermine les caractères de la plante. Elle est transmise des parents à leurs descendants. L’information génétique, essentielle à la construction et au fonction­nement de la cellule et de la plante, se trouve principalement dans le noyau. Elle est la même dans toutes les cellules de la plante, qui la recopient à chaque division cellulaire. L’expression de cette information est spécifique selon la fonction et le rôle de la cellule, mais information inutilisée reste présente.

De plus, hors noyau, les mitochondries et les chloroplastes possèdent eux aussi une information génétique propre. Elle est portée par un ADN circulaire de type bactérien.

L’acide désoxyribonucléique (ADN) est le support universel de l’information génétique chez les êtres vivants. Il est constitué de deux chaînes super enroulées en double hélice. Les deux brins de l’ADN sont l’assemblage de molécules élémentaires : les nucléotides. Chaque nucléotide comprend un sucre, le désoxyribose, un résidu phosphate et une des 4 bases azotées : adénine, guanine, cytosine, thymine.

Les ADN sont les plus grosses molécules du monde vivant : l’ADN d’une cellule humaine, totalement déroulé, mesure 2 mètres de long.

L’ADN enroulé et associé à des protéines, les histones, forme les chromosomes. Une cellule diploïde, notée 2n, possède des chromosomes associés deux à deux : ce sont les paires de chromosomes homologues. Les cellules reproductrices sont haploïdes, notées n. Elles possèdent un seul exemplaire de chromosomes homologues. Le maïs possède 10 paires de chromosomes différents, soit 20 chromosomes, on note 2n = 20. La pomme de terre, espèce tétraploïde, possède 12 chromosomes différents présents en quatre exemplaires.

La présentation des chromosomes d’une cellule, rangés par taille décroissante, constitue son caryotype.

Un gène est un fragment d’ADN qui correspond à un caractère héréditaire et constitue l’unité d’information génétique. L’ensemble des gènes d’un individu forme le génome. L’expression des caractères qu’ils gouvernent, telle qu’on peut l’observer, constitue le phénotype.

L’emplacement occupé par un gène sur le chromosome est le locus.

On estime que le nombre de gènes par génome végétal est d’environ 30.000.

Trois génomes différents dans la cellule végétale

Le génome du noyau dit génome nucléaire ne représente que 95% de la totalité de l’information génétique nécessaire à la vie de la cellule végétale.

On a démontré qu’au sein des cellules végétales, il y a en effet une coopération entre trois génomes : le génome nucléaire, le génome des mitochondries (environ 1%) et le génome des chloroplastes (environ 4%).

On attribue à ces ADN mitochondriaux et chloroplastiques la responsabilité de l’hérédité de type cytoplasmique, donc de transmission maternelle. En effet, lors de la fécondation, le pollen, gamète mâle, apporte l’information contenue dans le noyau, alors que l’ovule, gamète femelle, fournit, en plus de son noyau, son cytoplasme.

La structure d’un chromosome

Les chromosomes visibles (corps qui prennent le colorant) sont constitués de deux chromatides, chacune associées à des protéines. Chaque chromatide contient une molécule d’ADN. Les deux chromatides sont associée au niveau du centromère, zone de dé-spiralisation de l’ADN contenant des protéines particulières.

DU GÈNE À LA PROTÉINE

Un alphabet unique à 4 lettres

Un gène est un fragment d’ADN qui comprend la séquence codant une ou plusieurs protéines. L’ADN peut être considéré comme un long texte rédigé à l’aide de quatre lettres qui sont les quatre bases : adénine, thymine, guanine et cytosine (A – T, G – C). L’information génétique dépend de l’ordre des bases, c’est la séquence de l’ADN.

Ces bases sont complémentaires deux à deux et ne peuvent s’apparier qu’ainsi : adénine avec thymine, guanine avec cytosine. Ces liaisons sont responsables de la forme en échelle de l’ADN, les liaisons entre bases sont les échelons de la molécule d’ADN, qui s’enroule en hélice. Cette complémentarité entre les bases est également conservée lors de la réplication de l’ADN.

La synthèse d’un ARN messager

L’ADN est situé dans le noyau, siège de l’information génétique. La synthèse des protéines a lieu dans le cytoplasme au contact des ribo­somes accolés ou non au réticulum endoplasmique. Pour assurer le transfert de l’information, un ARN messager (acide ribonucléique) est synthétisé. Cet ARN messager (ARNm) contient le codage qui déterminera la nature et l’ordre dans lequel les acides aminés seront associés pour former la protéine. On parle de transcription pour caractériser la synthèse d’ARN à partir d’ADN. Les ARN messagers sont constitués comme l’ADN par l’enchaînement de nucléotides. Une des quatre bases est différente : l’uracile remplace la thymine. Ils sont constitués d’une seule chaîne de nucléotides, simple brin, contrairement à l’ADN.

L’ARN messager passe à travers la membrane nucléaire (associé à des protéines) et transporte dans le cytoplasme l’information qu’il porte. L’ARN messager sert de matrice à la production de protéines. C’est la traduction.

Un dictionnaire d’assemblage

Une protéine est formée par un enchaînement précis d’acides aminés. Il en existe 22, dont 20 sont communs à l’ensemble des protéines. De leur ordre dépendent les propriétés de la protéine. Il existe donc un dictionnaire d’assemblage qui permet, à partir de l’alphabet de l’ARN messager à 4 lettres (ou bases), de composer les mots codant chacun des 22 acides aminés. C’est le code génétique. Chaque mot est composé de 3 bases : le codon (triplet).

La redondance du code génétique

Il y a 64 codons et 22 acides aminés. Ainsi, plusieurs codons codent le même acide aminé : il y a redondance. D’autre part, 3 codons ne codent pas un acide aminé, mais commandent l’arrêt de la synthèse de la protéine, ce sont les codons stop. Le code génétique est non chevauchant : une base n’entre dans la composition que d’un seul codon. Le code génétique est ponctué : tous les codons sont contigus. Il n’y a pas de base entre deux codons qui n’entrerait pas dans l’un des deux.

Un langage universel

Le code génétique est commun à tous les êtres vivants, de la bactérie à l’homme, chez les animaux comme chez les végétaux : il est universel. Ceci signifie que lorsqu’un gène, issu d’un organisme codant pour un caractère particulier, est inséré dans un deuxième organisme, ce dernier sera capable d’exprimer la même protéine. Il parle le même langage et comprendra ces informations codées.

L’assemblage des acides aminés

La fabrication d’une protéine fait intervenir trois acteurs principaux : l’ARN messager, les ribosomes et les ARN de transfert. Les ribosomes sont formés par l’association d’ARN ribosomique et de protéines. Fixés le plus souvent sur le réticulum endoplasmique, ces organites sont des ateliers où s’effectue l’assemblage de la protéine. Ils servent de support à la rencontre des acides aminés et de l’ARN messager. C’est à ce niveau que les ARN de transfert interviennent.

A chaque acide aminé correspond un ARN de transfert. Celui-ci porte un anticodon dont les 3 bases sont complémentaires de celles du codon correspondant à l’acide aminé codé par l’ARN messager. Ce sont des adaptateurs indispensables pour faire correspondre un acide aminé donné à un codon déterminé de l’ARN messager.

La structure finale de la protéine

Elle n’est obtenue qu’après certaines modifications très diverses parmi lesquelles :

  • création de ponts disulfures entre acides aminés soufrés,
  • élimination de certaines portions de la molécule,
  • liaison avec des glucides,
  • liaison notamment avec des groupements phosphates et sulfates.

Ces modifications sont indispensables au bon fonctionnement de la protéine car elles déterminent en particulier son repliement dans l’espace et donc l’accès à son site actif.

CONNAITRE LE GÉNOME ET LA DIVERSITÉ GÉNÉTIQUE

Autrefois, le sélectionneur abordait la diversité génétique uniquement par des caractères observables. Aujourd’hui, les techniques de biologie moléculaire permettent la lecture de plus en plus précise du génome et de sa diversité génétique.

Grâce aux marqueurs génétiques, il devient possible de mettre en évidence et de suivre les gènes impliqués dans l’expression des caractères de la plante. La combinaison des marqueurs et l’utilisation des puces à ADN amplifient considérablement l’analyse des génomes. Ces techniques permettent l’identification des plantes et la comparaison des cartes génétiques de différentes espèces.

Enfin, de nouvelles technologies dites “omiques” génèrent des grandes quantités de données concernant par exemple le séquençage des gènes (génomique), l’expression des ARN (transcriptomique), la synthèse des protéines (protéomique) et de métabolites secondaires (métabolomique). Ces données apportent une vision dynamique des facteurs qui régulent la vie des plantes.