Introduction
La reproduction sexuée est un processus fondamental qui engendre une diversité génétique considérable au sein des espèces. Ce phénomène repose sur deux mécanismes clés : la méiose et la fécondation. Cet article explore en détail ces processus, en mettant en lumière leur rôle dans la création de descendants uniques et en abordant les aspects moléculaires et cellulaires impliqués.
La méiose : Division cellulaire et brassage génétique
Chez les espèces à reproduction sexuée, les descendants sont uniques, différents des parents car ils contiennent du matériel génétique provenant des deux parents, mais aussi différents entre eux. Ce deuxième niveau de diversité génétique est lié au processus de la méiose, une forme de division spéciale qui génère les cellules reproductrices à partir des cellules parentales mâle et femelle. La méiose est un type de division cellulaire particulier qui se produit dans les cellules germinales (cellules destinées à devenir des gamètes). Elle permet de réduire de moitié le nombre de chromosomes, passant d'un état diploïde (2n) à un état haploïde (n). Ce processus est essentiel pour maintenir le nombre de chromosomes constant d'une génération à l'autre lors de la fécondation.
Les étapes clés de la méiose
Au cours de la méiose, les chromosomes de la cellule parentale, organisés en paires, sont séparés et distribués dans deux, puis quatre cellules filles. La méiose se déroule en deux divisions successives : la méiose I et la méiose II.
- Méiose I : C'est la division réductionnelle. Les chromosomes homologues (les paires de chromosomes) se séparent, ce qui réduit de moitié le nombre de chromosomes dans chaque cellule fille.
- Méiose II : C'est une division équationnelle, similaire à la mitose. Les chromatides sœurs (les deux copies de chaque chromosome) se séparent, ce qui produit quatre cellules filles haploïdes.
Le crossing-over : Un mécanisme de brassage génétique
Avant d’être séparés, les chromosomes des paires, qui sont dits « homologues », peuvent échanger entre eux du matériel génétique, par le mécanisme de crossing-over. Le crossing-over est un événement crucial qui se produit pendant la prophase I de la méiose. Il implique l'échange de segments d'ADN entre les chromosomes homologues. Ce processus a deux fonctions principales :
- Augmenter le niveau de brassage génétique : Les crossing-over créent de nouvelles combinaisons d'allèles (les différentes versions d'un gène) sur les chromosomes.
- Assurer une distribution équitable des chromosomes parentaux dans les cellules filles : Les crossing-over maintiennent les chromosomes homologues ensemble, ce qui permet de les positionner correctement sur le fuseau de fibres qui va ensuite les séparer et les répartir équitablement entre les deux cellules filles. Sans cette étape, les chromosomes seraient distribués n’importe comment.
Il y a en moyenne deux à trois crossing-over seulement par chromosome et par méiose, toutes espèces confondues.
Lire aussi: Moments inoubliables : Animation jeux enfants
Régulation du nombre de crossing-over
Le nombre de crossing-over est étroitement régulé. On peut avancer deux hypothèses. La première est d’ordre mécanique : trop de crossing-over empêcherait les chromosomes homologues de bien se séparer. Des études ont infirmé cette hypothèse puisque des mutants ayant 9 fois plus de crossing-over et chez lesquels la méiose se fait correctement ont été obtenus. Augmenter le nombre de crossing-over peut permettre d’accélérer le brassage génétique et d’obtenir plus de nouvelles combinaisons de gènes, ce qui est très intéressant pour les programmes de sélection. De fait, il a été possible, chez Arabidopsis thaliana, d'augmenter le nombre de crossing-over d’un facteur 9 sans perturber la méiose, en inhibant des gènes « anti -crossing-over » par des mutations ciblées. Ces mutations sont en cours de test sur d’autres espèces, pois tomate, colza, en collaboration avec d’autres équipes de l’Inra.
Pour qu’il y ait crossing-over, c’est-à-dire échange de fragments d’ADN entre deux chromosomes, il faut d’abord qu’il y ait une cassure du double brin d’ADN. Cette cassure déclenche des mécanismes de réparation, dont la plupart se font sans crossing-over : le brin se ressoude à l’identique. L’équipe de Raphaël Mercier a identifié trois gènes impliqués dans la limitation du nombre de crossing-over chez l’espèce modèle Arabidopsis thaliana. Ces gènes sont très conservés dans le règne vivant. Deux d’entre eux, fancm et recq4, codent pour des hélicases, et ont un rôle plus général dans la réparation de l’ADN. Ils sont associés à deux maladies génétiques, respectivement l’anémie de Fanconi et le syndrome de Bloom.
Anomalies de la méiose
Les anomalies de nombre de chromosome (aneuploïdies) sont responsables de 30 à 40 % des avortements spontanés.
La fécondation : Union des gamètes et restauration de la diploïdie
La fécondation est l’union d’un gamète mâle (spermatozoïde ou cellule pollinique) et d’un gamète femelle (ovule). Celle-ci réunit les deux noyaux haploïdes et donne naissance à un œuf diploïde. L’œuf, puis la nouvelle plante, possède la même quantité d’information génétique que ses deux parents et les nouvelles paires de chromosomes homologues présentent donc des allèles issus du pollen et des allèles issus de l’ovule.
Les étapes de la fécondation chez les ascidies
Les œufs d’ascidie sont arrêtés en métaphase de la méiose I et la fécondation déclenche l’achèvement de deux divisions méiotiques précédant la fusion des génomes parentaux et les clivages embryonnaires. Il a été constaté que, dans les ascidies comme dans la plupart des autres métazoaires, la voie Mos / MAPK impose l’arrêt du cycle cellulaire dans les œufs ovulés (dit arrêt cytostatique induit par le « CSF »). En outre, c’est la cinétique d’inactivation de la voie Mos /MAPK après fécondation qui limite à deux le nombre de globules polaires durant la méiose de l’ascidie. L’activé Mos / MAPK favorise également un clivage très inégal (et donc la formation de petits globules polaires) en maintenant un petit fuseau méiotique périphérique. Enfin, les phosphatases qui s’opposent à l’activité MAPK dans l’œuf ascidie et permettent la libération de l’arrêt cytostatique et la sortie de la méiose comme étant PP2A et Calcineurine ont été décrites.
Lire aussi: Mariage réussi avec enfants
L’extrusion du premier globule polaire (PB1) se produit 9 minutes après la fécondation et l’extrusion du 2ème globule polaire (PB2) intervient environ 25 minutes après la fécondation. Une série d’étapes accompagne les clivages inégaux produisant les globules polaires. D’abord, le fuseau méiotique migre près du cortex d’une manière actine dépendante, définissant le pôle animal de l’œuf et provoquant la différenciation du cortex sus-jacent. Après l’activation des œufs, la membrane plasmique recouvrant le fuseau méiotique produit une protrusion lors de la phase de « outpocketing » et le fuseau tourne et maintien un de ses pôles dans la protrusion. Le globule polaire est formé après anaphase par abscission en laissant un résidu de « midbody » dans l’ovocyte.
Conséquences de la fécondation
La fécondation a plusieurs conséquences importantes :
- Restauration de la diploïdie : L'union des gamètes haploïdes restaure le nombre diploïde de chromosomes dans le zygote (l'œuf fécondé).
- Détermination du sexe : Chez certaines espèces, les chromosomes sexuels (X et Y) sont déterminés lors de la fécondation. Par exemple, chez les humains, un zygote XX donnera une femelle, tandis qu'un zygote XY donnera un mâle.
- Initiation du développement embryonnaire : La fécondation déclenche une série d'événements qui conduisent au développement de l'embryon.
Alternatives à la reproduction sexuée : La reproduction asexuée
En conditions naturelles, certains végétaux se multiplient sans passer par la reproduction sexuée. Un nouvel individu se forme à partir d’un organe de la plante « mère ». On appelle clones tous les individus nés d’un même organisme et possédant le même patrimoine héréditaire. Un tubercule, un stolon, un rhizome, une bulbille sont donc à l’origine d’un clone.
- La multiplication par stolons : Dans le cas du fraisier par exemple, il y a formation de tiges aériennes rampantes. De place en place, se forment des bourgeons et des racines qui sont le point de départ de nouveaux pieds.
- La multiplication par tubercules : Par exemple, pour la pomme de terre, des tiges souterraines renflées par les réserves permettent d’obtenir une nouvelle plante par développement de bourgeons (les yeux, donnant des germes).
- La multiplication par rhizomes : Dans le cas de l’asperge par exemple, ce sont des tiges souterraines pouvant s’enraciner et donner une nouvelle plante.
- La multiplication par bulbilles : Les bulbes secondaires (bulbilles), formés à partir du bulbe, s’en détachent, puis s’enracinent pour se développer en une nouvelle plante comme chez l’ail par exemple.
La culture in vitro
La culture In vitro est une technique qui permet de régénérer une plante entière à partir de la mise en culture sur un milieu nutritif de cellules ou d’explantas de tissus végétaux. Les plantes, obtenues en conditions stériles, sont saines car exemptes de virus ou de bactéries. A l’origine, la méthode était destinée à régénérer des plantes saines à partir de culture de méristèmes de plantes infectées par des virus. En effet, les méristèmes sont exempts de virus. Actuellement, elle est également utilisée pour multiplier des plantes en grand nombre. Dans le cas de la pomme de terre, il est possible de repiquer des fragments de germe comportant un nœud muni d’une petite feuille et d’un bourgeon. La plante issue de la bouture peut être fragmentée à son tour et conduite à d’autres boutures.
Empêcher le brassage génétique
L’équipe de Raphaël Mercier travaille sur un autre grand axe, qui consiste cette fois à éliminer le brassage génétique lié à la reproduction sexuée et aux crossing-over : il s’agit d’obtenir des graines strictement identiques à la plante mère, mimant ainsi un phénomène naturel mais assez rare appelé apomixie. Si ce processus aboutit, et qu'il est possible d'avoir une plante qui se multiplie par graine en restant identique à elle-même, nous pouvons nous attendre à une véritable révolution dans le monde de la sélection végétale ! En particulier, la possibilité de reproduire des hybrides sans avoir à refaire le croisement à chaque fois permettrait de lever beaucoup de barrières et de produire de nombreux hybrides adaptés à toutes sortes de milieux plus rapidement et plus économiquement.
Lire aussi: Mécanisme Contraction Musculaire
tags: #animation #meiose #et #fecondation