Fiche explicative de la leçon: Modes de reproduction sexuée Biologie • Troisième secondaire

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire les différentes stratégies de reproduction sexuée et donner des exemples d’organismes qui utilisent à la fois la reproduction sexuée et asexuée dans leur cycle de vie.

La reproduction est le processus de génération d’une progéniture. La reproduction peut être sexuée ou asexuée. Chaque mode de reproduction a ses avantages et ses inconvénients. Certains organismes alternent entre les modes sexué et asexué et sont capables de tirer parti des deux. Un schéma élémentaire de la reproduction sexuée et asexuée est illustré à la figure 1.

Une différence fondamentale entre la reproduction sexuée et la reproduction asexuée est que la reproduction sexuée nécessite la fusion de matériel génétique de deux types sexuels différents, qui, chez de nombreuses espèces, sont appelés les sexes mâle et femelle, tandis que la reproduction « asexuée » ne nécessite pas de gamètes mâle et femelle. Examinons ces deux types de reproduction plus en détail.

Lors de la reproduction asexuée, un seul parent engendre une progéniture (un ou une descendant(e)). Les descendants de la reproduction asexuée sont généralement génétiquement identiques à leur parent, ainsi qu’entre eux. Les organismes qui ont régulièrement recours à la reproduction asexuée sont les procaryotes (comme les bactéries), certains eucaryotes (comme les champignons tels que les levures) et certains protistes unicellulaires (comme Amoeba).

Certains avantages de la reproduction asexuée incluent qu'il s'agit d'un processus généralement plus rapide que la reproduction sexuée, car tous les membres de l’espèce peuvent générer eux-mêmes une progéniture. Un autre avantage est que la reproduction asexuée ne nécessite pas de trouver un partenaire, ce qui peut être dangereux.

Cependant, le principal inconvénient de la reproduction asexuée est qu’elle ne produit pas le même niveau de variation (brassage) génétique que celui résultant de la reproduction sexuée. Ceci peut rendre les populations vulnérables aux changements environnementaux.

Lors de la reproduction sexuée, deux parents combinent leur matériel génétique pour produire une progéniture génétiquement unique. Ces descendants ne seront identiques à aucun des parents et seront probablement également différents les uns des autres. La reproduction sexuée a le principal avantage d’augmenter le brassage génétique dans une population, ce qui peut améliorer leur résistance en cas de changement environnemental.

Certains des inconvénients de la reproduction sexuée incluent le fait qu’elle est généralement plus lente, plus coûteuse en énergie et plus longue. Bien que certains organismes à reproduction sexuée puissent produire un grand nombre de descendants, la reproduction asexuée produit généralement beaucoup plus de descendants plus rapidement. En général, les organismes qui se reproduisent de manière sexuée doivent se développer pour atteindre la maturité sexuelle, parfois appelée puberté, avant de pouvoir se reproduire. Ils doivent généralement fabriquer des gamètes, ou cellules sexuelles reproductrices, qui mettront eux-mêmes du temps à arriver à maturité. De plus, il faut souvent du temps pour trouver et préparer un endroit approprié pour l’accouplement et, surtout, pour trouver un partenaire, un processus qui peut parfois être dangereux. Par exemple, chez certaines espèces comme les lions, illustrés ci-dessous, les mâles doivent se battre ou rivaliser pour avoir l’opportunité de se reproduire.

Selon les espèces, la reproduction sexuée nécessite parfois également qu’un parent garde et protège l’embryon en développement dans son corps jusqu’à la naissance. Chez certaines espèces, la progéniture peut même nécessiter des soins et une protection parentale après la naissance, ce qui peut représenter un investissement coûteux à long terme.

La reproduction sexuée peut se produire de différentes manières. Celles-ci comprennent la conjugaison, la fécondation externe, la fécondation interne et l’alternance de générations (ce qui inclut à la fois les reproductions sexuée et asexuée). Examinons chacune de ces méthodes de plus près.

La conjugaison se produit lorsque deux organismes échangent et recombinent leur matériel génétique. De nombreux organismes, notamment les bactéries, les champignons, les algues et certains protistes, se reproduisent par conjugaison.

Spirogyra est un genre d’algue verte flottant, abondante en eau douce. Les cellules cylindriques de Spirogyra forment des chaînes qui s’unissent pour former de longs filaments. L’algue tire son nom de l’arrangement en spirale des chloroplastes à l’intérieur de ses cellules.

Spirogyra a recours à la conjugaison lorsque les conditions environnementales deviennent indésirables rendant difficile sa survie. En se reproduisant de manière sexuée, Spirogyra peut augmenter le brassage génétique de sa progéniture, ce qui lui confère une meilleure chance de survie. En effet, le brassage génétique ajoute de nouveaux traits à leur composition génétique, ce qui pourrait aider les descendants à s’adapter à leurs nouveaux environnements.

Chez Spirogyra, la conjugaison se produit de deux manières.

Les cellules individuelles de Spirogyra sont généralement haploïdes (n), ce qui signifie qu’elles ne possèdent normalement qu’un seul ensemble (set) de chromosomes. Lors de la conjugaison, deux filaments adjacents forment un tube appelé tube de conjugaison, qui relie une cellule à une autre dans le nouveau filament. Un type spécial de gamète est déplacé de la cellule du filament « mâle » à l’autre filament « femelle » à travers ce tube de conjugaison. Là, le matériel génétique des deux cellules haploïdes se combine en une cellule diploïde appelée zygote (2n). Le zygote diploïde possède le double du nombre de chromosomes des cellules haploïdes qui se sont combinées pour le créer.

Le zygote est entouré d’une paroi épaisse et passe l’hiver dans un état de dormance appelé zygospore. La zygospore reste en dormance jusqu’à ce que les conditions environnementales deviennent favorables. Le noyau diploïde de la zygospore se divise ensuite par méiose, ce qui crée 4 noyaux haploïdes. Un seul des quatre noyaux haploïdes survit, et la zygospore se transforme en un nouveau filament de Spirogyra contenant du matériel génétique provenant des deux filaments qui l’ont créé. Ce type de conjugaison chez Spirogyra est appelé conjugaison scalariforme. Comme vous pouvez le voir sur la figure 3, les tubes de conjugaison qui se forment entre les deux filaments ressemblent aux barreaux d’une échelle, et le mot scalariforme dérive en fait du latin pour « en forme d’échelle » ! 

Spirogyra peut également recourir à un mécanisme appelé conjugaison latérale. Dans ce type de conjugaison, le matériel génétique de deux cellules adjacentes est combiné dans un même filament pour former un zygote qui se développe en zygospore. Tout comme pour la conjugaison scalariforme, la zygospore reste en dormance jusqu’à ce que les conditions environnementales s’améliorent, puis se divise par méiose pour former un nouveau filament de Spirogyra. La conjugaison latérale dans Spirogyra est illustrée à la figure 4.

Chez les organismes multicellulaires complexes, la reproduction sexuée nécessite la production de gamètes. La production de gamètes implique un processus de méiose, qui réduit de moitié le matériel génétique des cellules. Les gamètes sont des cellules utilisées pour la reproduction sexuée. Il existe généralement deux variétés, le gamète mâle (spermatozoïde, ou spermatie chez certains champignons ou algues, ou encore anthérozoïde chez certaines plantes et algues) et le gamète femelle (ovule, ou oosphère chez les végétaux et les algues). Le gamète mâle est généralement considéré comme le gamète qui se déplace vers le gamète femelle pour que la fécondation ait lieu et le gamète femelle est généralement le gamète non mobile. Chez les organismes qui n’ont pas de différences prononcées entre les sexes biologiques, le type de gamète produit peut être utilisé pour les caractériser ! 

Les gamètes sont des cellules haploïdes (n) qui sont généralement produites par méiose. Un gamète mâle et un gamète femelle se combinent lors d’un processus appelé fécondation pour produire un zygote diploïde (2n). Ce zygote se développe ensuite par division cellulaire mitotique en une progéniture qui finira par devenir un adulte sexuellement mature, capable de se reproduire et de recommencer le cycle de vie.

Les humains sont un exemple d’organisme qui se reproduit de manière sexuée, par fécondation interne.

Le gamète mâle (ou spermatozoïde) est produit dans les organes reproducteurs masculins. Les spermatozoïdes sont de petites cellules avec très peu de cytoplasme et une queue qui leur permet de nager vers l’ovule. Le gamète féminin (également appelé ovule) est fabriqué dans les ovaires. En général, les ovules sont de grandes cellules sphériques ou ovoïdes qui possèdent les organites et les nutriments nécessaires à la croissance de l’ovule en développement. Chez l’homme, beaucoup plus de spermatozoïdes sont produits que d’ovules, une caractéristique typique de la production de gamètes.

Le spermatozoïde est haploïde : il possède la moitié du matériel génétique présent dans les cellules somatiques typiques (ou cellules de l’organisme) du parent masculin. L’ovule est également haploïde, possédant la moitié du matériel génétique présent dans les cellules somatiques typiques du parent féminin. Ces deux cellules se combinent lors de la fécondation interne pour engendrer un zygote diploïde unique. C’est ce que l’on appelle la fécondation interne, car ce processus se produit dans le corps de la mère.

Le zygote possède du matériel génétique des deux parents. Les cellules du zygote se divisent et finissent par se transformer en un embryon puis en un fœtus, et enfin donne naissance à un bébé par accouchement. Ce bébé se développera pendant l’enfance, l’adolescence et l’âge adulte, pour finalement devenir un adulte capable de se reproduire et d’avoir ses propres enfants. Le cycle de vie de l’Homme est illustré à la figure 5.

La fécondation externe diffère de la fécondation interne, car elle se produit à l’extérieur des corps des deux parents. La fécondation externe a lieu chez la plupart des espèces de poissons (en particulier les poissons osseux) et aussi chez les amphibiens comme les grenouilles et les crapauds. Au cours de ce processus, les gamètes mâles sont souvent transportés à la femelle par l’eau et la fécondation des gamètes a lieu à l’extérieur.

La reproduction chez l’homme est un bon exemple des avantages et des inconvénients de la reproduction sexuée. L’un des inconvénients de la reproduction sexuée est le temps et l’énergie nécessaires. Deux humains adultes ne peuvent généralement engendrer qu’un seul descendant à la fois. La période de gestation entre la fécondation et la naissance est de 40 semaines. La gestation est plus communément appelée grossesse, et c’est la période de développement d’un bébé dans l’utérus de sa mère, qui dure généralement environ 9 mois chez l’Homme. Ensuite, il faut s’occuper de la progéniture jusqu’à ce qu’elle atteigne sa maturité.

Le principal avantage de la reproduction sexuée est l’augmentation du brassage génétique. Étant donné que les gamètes tels que les spermatozoïdes et les ovules sont produits par méiose, ce sont des cellules génétiquement uniques. Chaque gamète possède une combinaison différente de gènes. Lorsque ces cellules se combinent, elles produisent une progéniture possédant un assortiment aléatoire de traits (caractéristiques) hérités de chaque parent. Ce brassage génétique profite à l’ensemble de la population car, en cas de pressions ou de changements environnementaux, certains individus possèderont probablement les caractéristiques d’adaptation nécessaires pour survivre. Ils pourront ensuite transmettre ces caractéristiques d’adaptation à la génération suivante.

Jusqu’à présent, nous avons parlé de la reproduction sexuée dans des organismes comme Spirogyra, dont les cellules haploïdes individuelles dans un filament fusionnent pour produire des zygotes diploïdes. Nous avons également appris l’existence d’organismes principalement diploïdes, comme l’Homme, qui doivent fabriquer des gamètes haploïdes pour se reproduire sexuellement (reproduction sexuée). Maintenant, nous allons voir les organismes dont le cycle de vie comprend à la fois une phase de reproduction sexuée diploïde et une phase de reproduction asexuée haploïde. Nous appelons communément cela « l’alternance de générations ».

Plasmodia est un genre parasitaire unicellulaire de protistes (protozoaires) qui peuvent infecter l’Homme et provoquer une maladie appelée paludisme. Le cycle de vie du Plasmodium est un exemple d’alternance de générations. Les sporozoïtes sont des cellules haploïdes (n) de Plasmodium présentes dans les glandes salivaires de certains moustiques. Ces sporozoïtes en forme de fuseau (fusiformes) pénètrent dans le corps humain lorsqu’il se fait piquer par un moustique Anophèle femelle infecté.

Les sporozoïtes infectent les cellules du foie (les hépatocytes) et se reproduisent par un processus asexué appelé schizogonie, dont le concept est similaire à celui de la scissiparité (ou fissiparité) ; cependant, le nombre de cellules filles produites par les deux processus est différent. Alors que, dans la schizogonie, une seule cellule mère se divise en plusieurs cellules filles par fissions multiples, dans la scissiparité, la cellule mère se divise en deux cellules filles identiques de même taille. Il y a habituellement entre deux et quatre cycles réplicatifs de schizogonie, et ce nombre varie selon les espèces de Plasmodium.

Les sporozoïtes évoluent en schizontes (ou mérontes), et les cellules finales produites par schizogonie libérées de ces mérontes sont appelées mérozoïtes, qui sont également haploïdes. Les mérozoïtes sont généralement libérés toutes les 48 heures et se propagent pour infecter les globules rouges, dans lesquels le nombre de mérozoïtes augmente rapidement. Pendant ce temps, l’hôte humain ressent les symptômes d’une infection palustre, tels que de fièvre, frissons et sueurs.

Comme le montre la figure 6, certains mérozoïtes se différencient en gamétocytes haploïdes pour la phase sexuée, ce qui signifie qu’il y a à la fois des macrogamétocytes femelles et des microgamétocytes mâles dans les globules rouges de l’Homme infecté. Les stades de multiplication dans les cellules sanguines sont responsables des symptômes qui apparaissent chez un être humain infecté par le paludisme. Ces gamétocytes sont récupérés par un autre moustique femelle lorsque celui-ci pique l’hôte humain infecté.

Les gamétocytes contenus dans le sang ingéré par le moustique se transforment rapidement en gamètes mâles et femelles matures par un processus appelé gamétogenèse.

La phase de reproduction sexuée peut alors avoir lieu dans l’intestin du moustique. Les microgamètes (mâles) fécondent le macrogamète (femelle) pour former un zygote diploïde. Le zygote se divise plusieurs fois et change de forme pour se transformer en ookinète, qui se transforme ensuite en oocyste lors de son passage dans les intestins du moustique. La réplication du parasite dans l’oocyste forme des milliers de sporozoïtes selon un processus appelé sporogonie. L’oocyste se rompt et libère des sporozoïtes, et ces sporozoïtes infectent ensuite les glandes salivaires du moustique, où ils restent jusqu’à ce que le moustique se nourrisse à nouveau et infecte un autre être humain. Puis, le cycle de vie peut recommencer.

En résumé, une phase de reproduction asexuée dans le foie de l’homme infecté (schizogonie) est suivie d’une phase de reproduction sexuée dans ses globules rouges, qui forme des gamètes dans l’intestin d’un moustique qui s’est nourri du sang d’un être humain infecté (gamétogénèse). Après la fusion de ces gamètes dans le moustique, il y a ensuite une période de maturation (sporogonie) dans le moustique Anophèle femelle, qui nécessite une division nucléaire et des fissions multiples pour produire des sporozoïtes, qui peuvent être transmis à un autre humain.

Exemple 3: Identifiez les étapes du cycle de vie du Plasmodium

Le protiste Plasmodium est un parasite qui vit dans deux hôtes, l’Homme et le moustique, comme indiqué sur la figure. Une alternance de générations peut également être observée dans son cycle de vie.

À quelle étape du cycle de vie du Plasmodium se déroule la fécondation ? 

Réponse

Le schéma ci-dessous illustre plus en détail le cycle de vie du Plasmodium.

Le Plasmodium est un genre de parasite unicellulaire, dont une espèce entraîne la malaria chez l’Homme. Le cycle de vie du Plasmodium implique plusieurs formes et se produit chez deux hôtes, l’Homme et le moustique.

La fécondation est le nom du processus de fusion de deux gamètes pour former un zygote. Les gamètes sont des cellules haploïdes, ce qui signifie qu’ils ont la moitié du nombre caractéristique de chromosomes pour un organisme donné, également appelé « n ». Deux gamètes fusionnent pour former un zygote diploïde, qui possède le nombre caractéristique de chromosomes d’un organisme donné, également appelé « 2n ».

Sur le schéma, nous pouvons voir que l’étape du cycle de vie du Plasmodium où les gamètes sont formés se trouve en bas à droite de l’image dans la section intitulée « moustique ». La suite de flèches nous montre que le microgamète haploïde mâle fusionne avec le macrogamète haploïde femelle pour produire un zygote diploïde. Ce processus est appelé fécondation, et il se produit chez l’hôte moustique après que ce dernier ait piqué un être humain infecté.

En appliquant ces informations au schéma de la question, nous pouvons déterminer que le stade du cycle de vie du Plasmodium au cours duquel la fécondation a lieu est le stade 5.

Le cycle de vie du Plasmodium montre une alternance de générations dans un organisme unicellulaire. Il connait une phase de reproduction asexuée chez l’hôte humain et une phase de reproduction sexuée chez l’hôte moustique. L’alternance de générations est également communément observée chez les plantes, dont le cycle de vie d’une fougère est un exemple.

Les fougères sont des plantes vasculaires non florifères (qui ne produisent pas de fleurs), appartenant à la classe des Polypodiopsida, comme le polypodium, par exemple, qui est une plante ornementale.

Une fougère adulte est aussi appelée sporophyte. Le sporophyte est diploïde. Sur la face inférieure des feuilles d’une fougère (également appelées frondes) se trouvent des structures appelées sores. Ces sores contiennent des cellules diploïdes appelées cellules mères des spores (2n) qui se divisent par méiose pour générer des spores haploïdes (n). Les spores sont libérées et transportées par l’air. Les spores qui atterrissent sur une surface appropriée commenceront à croître et à germer, comme le montre la figure 7.

Les spores haploïdes se transforment en gamétophytes en forme de cœur. Les gamétophytes sont des plantes beaucoup plus petites constituées de cellules haploïdes. Ils ont des rhizoïdes qui les ancrent au sol et facilitent l’absorption des minéraux et de l’eau pour aider les sporophytes à leurs débuts. Les gamétophytes sont capables de générer à la fois des anthérozoïdes et des oosphères.

Le gamétophyte fabrique des oosphères haploïdes dans une structure appelée archégone et des anthérozoïdes haploïdes dans une structure appelée anthéridie. Les anthérozoïdes d’un gamétophyte peuvent se déplacer jusqu’à une plante adjacente ou voisine via des gouttelettes d’eau. Les anthérozoïdes sont attirés à l’entrée de l’archégone d’une autre plante, où ils peuvent féconder les oosphères. Parfois, l’autofécondation a lieu lorsqu’un anthérozoïde d’un gamétophyte féconde une oosphère du même gamétophyte.

Qu’il y ait fécondation croisée ou autofécondation, le zygote diploïde formé à partir de ce processus se transformera en un nouveau sporophyte diploïde pour recommencer le cycle de vie. Le sporophyte devient indépendant de son gamétophyte lorsque les premières feuilles et racines de la fougère commencent à se développer.

L’alternance de générations offre certains avantages aux organismes qui y ont recours. Par exemple, elle permet la production rapide de nouveaux organismes à travers la phase de reproduction asexuée, mais fournit également un brassage génétique à travers la phase de reproduction sexuée. Ceci permet aux organismes de se disperser largement et également de s’adapter aux changements environnementaux.

Exemple 4: Rappels sur le cycle de vie d’une fougère

Au cours du cycle de vie de la fougère ornementale (Polypodium), un zygote est produit. Sous quelle forme végétale se développe-t-il ? 

1. Un sporophyte diploïde
2. Un gamétophyte haploïde
3. Un gamétophyte diploïde
4. Un sporophyte haploïde
5. En sporange haploïde

Réponse

Ce schéma montre une illustration simplifiée du cycle de vie d’une fougère typique.

Le zygote est la cellule diploïde formée à partir de la fusion de deux gamètes haploïdes. Nous pouvons voir sur ce schéma du cycle de vie des fougères que les gamètes mâles et femelles sont formés par le gamétophyte, une progéniture haploïde de petite taille de la fougère diploïde mature. Le gamétophyte produit des gamètes haploïdes qui fusionnent pendant la fécondation pour former un zygote diploïde qui se transforme en un nouveau sporophyte diploïde, autrement dit la forme mature de la fougère que nous connaissons.

Cela signifie que la forme végétale en laquelle se développe un zygote de fougère est un sporophyte diploïde.

Passons en revue certains des points clés que nous avons abordés dans cette fiche explicative.