Fiche explicative de la leçon : Expériences de Mendel Sciences

Dans cette fiche explicative, nous apprendrons à décrire les expériences que Gregor Mendel a effectuées sur ses plants de pois et à expliquer comment ses découvertes l’ont amené à écrire ses lois sur l’hérédité.

Grégor Mendel était un moine autrichien ayant vécu dans les années 1800. Il a mené des expériences simples sur des pois pour décrire les grands principes de l’hérédité génétique. À l'époque, la communauté scientifique a rejeté ses idées, et ce n'est que lorsqu’ils ont été redécouverts dans les années 1900 que ses travaux ont été pris au sérieux. Aujourd’hui, il est considéré comme le père de la génétique.

Mendel était un jardinier passionné et était curieux de savoir comment les caractères, les variations des caractéristiques d’un organisme, sont hérités. Il était particulièrement intéressé par les caractères héréditaires, les caractères qui sont transmis par les parents à la descendance;par exemple, la taille, la couleur des yeux et la couleur des cheveux sont des caractères héréditaires.

Définition : Caractère héréditaire

Un caractère héréditaire est une variation d’une caractéristique héritée des parents d’un organisme.

Il faut les opposer aux caractères acquis, qui résultent de l’interaction avec l’environnement, comme par exemple le développement musculaire grâce au sport.

Définition : Caractère acquis

Un caractère acquis est une variation d’une caractéristique acquise par l’interaction d’un organisme avec son environnement.

Exemple 1: Identifier les caractères héréditaires chez l’Homme

Certains caractères sont transmis des parents à leurs enfants. Par exemple, un enfant peut avoir la même couleur des yeux qu’un de ses parents. Quel est le terme désignant ces caractères?

  1. déterminés
  2. acquis
  3. caractéristiques
  4. dominants
  5. héréditaires

Réponse

Les caractères sont des variations des caractéristiques observables. La couleur des yeux, la couleur de la peau, la taille et le groupe sanguin d’une personne sont des exemples de caractères. Bien que la couleur des yeux soit une caractéristique, une qualité ou un attribut appartenant à un organisme particulier, un terme plus spécifique s'applique. Par conséquent, « caractéristique » est fausse.

Certains caractères résultent de l’interaction d’un organisme avec son environnement et ne sont pas hérités des parents de cet organisme. Ces caractères comprennent la taille des muscles après l’exercice physique et les callosités sur les mains et les pieds après un travail manuel. Ces caractères sont dits acquis. Comme la couleur des yeux ne résulte pas d’interactions avec l’environnement, ce n’est pas un caractère acquis. Par conséquent, « acquis » est incorrect.

Certains caractères masquent d’autres caractères. Par exemple, lorsqu’une personne aux yeux marron a un enfant avec une personne aux yeux bleus, l’enfant aura très probablement des yeux marron. Cela se produit car le caractère des yeux marron masque le caractère yeux bleus chez l’enfant. Cette relation entre les caractères est appelée dominance. Les yeux marron dominent les yeux bleus. Bien que certaines couleurs des yeux soient dominantes par rapport aux autres, on ne dispose pas d’informations suffisantes pour déterminer si la couleur des yeux de l’enfant est dominante. Par conséquent, « dominant » est incorrect.

Comme certains caractères sont acquis à partir des interactions avec l’environnement, d’autres caractères sont transmis au sein des familles. Des caractères comme la couleur des yeux, la taille et la couleur naturelle des cheveux sont hérités des parents. Comme ces caractères sont hérités, ce sont des caractères héréditaires.

Par conséquent, « héréditaire » est correct.

Dans les années 1800, d’autres scientifiques ont émis la théorie que les caractéristiques d’un organisme sont un mélange des caractères de sa mère et de son père. Par exemple, ils ont théorisé qu’un croisement entre des fleurs rouges et blanches donnerait des fleurs roses, comme vous pouvez le voir sur la figure 1.

Mendel a remarqué que, bien que cette hypothèse du mélange était parfois vraie, ce n’était pas toujours le cas. Certains caractères sautaient des générations, et certains ne se mélangeaient même pas avec d’autres caractères. Par exemple, des plantes courtes croisées avec des plantes hautes n’aboutissaient pas en un phénotype intermédiaire, de taille moyenne. Parfois, la plante résultant d’un tel croisement était grande, et parfois elle était petite.

Définition : Caractère

Un caractère est une variation d’une caractéristique.

Définition : Progéniture

La progéniture est la descendance d’organismes vivants, produite par un seul organisme, ou par deux dans le cas de la reproduction sexuée.

Mendel a décidé de mener des expériences sur les plants de pois pour étudier les mécanismes de l’hérédité. Il a choisi les plants de pois pour des raisons spécifiques. Les plants de pois poussent rapidement et sont faciles à entretenir. Il pouvait cultiver de nombreuses plantes de pois dans son jardin et les faire atteindre rapidement la maturité sexuelle en quelques semaines. Imaginez s’il avait choisi d’expérimenter sur les arbres. Il aurait fallu des années avant que les arbres atteignent la maturité sexuelle, et ils auraient été difficiles à cultiver et à gérer. Ses expériences auraient pris des dizaines d’années.

Les pois ont également des caractéristiques visiblement différentes, comme par exemple les pois lisses ou ridés et les pois verts ou jaunes. Cela a permis à Mendel d’étudier facilement ces caractéristiques entre les générations.

Enfin, les plants de pois peuvent s'autopolliniser, se croiser, ou être pollinisés artificiellement. La fleur de pois contient à la fois des parties féminines et masculines (appelées carpelles et étamines, respectivement), et ainsi les pois sont dits hermaphrodites.

Terme clé : Hermaphrodisme

L’hermaphrodisme, c’est quand un organisme possède à la fois des organes reproducteurs mâles et femelles.

C’est pour cette raison que les pois peuvent s’auto-polliniser. Ils peuvent également effectuer une pollinisation croisée avec d’autres plantes et être pollinisés artificiellement, comme nous le décrirons ici. Pendant l’autopollinisation, la plante de pois se féconde pour produire une progéniture génétiquement identique. Les pois peuvent également effectuer une pollinisation croisée, un processus dans lequel le pois est fécondé par le pollen d’un autre pois pour produire une progéniture génétiquement unique. Enfin, les pois peuvent être pollinisés artificiellement, un processus par lequel un être humain féconde un pois avec le pollen d’une autre plante choisie. Cela a permis à Mendel de contrôler les plantes qui se reproduisaient et de concevoir avec précision ses expériences.

Exemple 2: Décrire les raisons pour lesquelles Mendel a utilisé des plants de pois dans ses expériences sur l'hérédité

Lequel des choix suivants n’est pas une raison pour laquelle Mendel a choisi les petits pois pour ses expériences?

  1. Les plants de pois peuvent s'autopolliniser ou être pollinisés artificiellement par l'homme, de sorte que Mendel a pu étudier l'effet de l'autopollinisation et de la pollinisation croisée.
  2. Les plants de pois poussent rapidement, ce qui a permis à Mendel d'en produire un grand nombre en peu de temps.
  3. Les pois ont des paires de caractères très contrastés;par exemple, leurs cosses peuvent être jaunes ou vertes.
  4. Les plants de pois sont très rares, donc Mendel savait que personne d'autre ne faisait ces expériences.

Réponse

Mendel était un moine du 19ème siècle qui a mené des expériences sur les pois pour étudier comment les caractères sont transmis entre les générations.

Mendel a spécifiquement choisi des plants de pois pour ses expériences pour plusieurs raisons. Les pois sont faciles à cultiver et atteignent leur maturité rapidement. Il voulait étudier comment les caractères se transmettent au fil des générations. Comme les plants de pois poussent très rapidement et atteignent la maturité sexuelle en quelques semaines, Mendel a pu raccourcir la durée de ses expériences. S’il avait choisi une espèce au développement très lent, cela aurait pris des années pour que l’organisme se reproduise et donne une progéniture, rendant ses expériences incroyablement longues.

En outre, les petits pois ont des caractéristiques très contrastées, faciles à observer et à étudier. Par exemple, la couleur des graines et des cosses peut être verte ou jaune, la texture des graines peut être ridée ou lisse, et la plante elle-même peut être petite ou grande. Cela a rendu la distribution et la variation des caractères faciles à suivre et à étudier au cours des expériences.

Enfin, les pois peuvent s’autoféconder (le pollen d’une plante féconde son propre ovule, générant des plantes génétiquement identiques) ou réaliser une pollinisation croisée (le pollen d’une plante féconde l’ovule d’une autre plante, générant des plantes génétiquement différentes). Mendel a utilisé cela à son avantage. Il a été en mesure de choisir les plantes à reproduire avec d’autres plantes spécifiques, ajoutant un contrôle calculé à ses expériences.

Les pois sont des plantes de jardin courantes. Ils ne sont pas rares. Mendel a choisi les pois, car ils sont faciles à cultiver, ont une génération rapide, ont des caractéristiques contrastées et offrent la possibilité de contrôler quels deux plants se reproduisent ensemble. Il convient de noter, cependant, que Mendel n’était pas le premier à utiliser les pois à des fins scientifiques.

Avec ces informations, revenons sur nos options de réponse. Une seule des options est une raison incorrecte pour Mendel d’avoir choisi les plants de pois, celle qui affirme que les pois sont très rares et que Mendel savait que personne d’autre ne faisait ces expériences.

Au cours de ses expériences, Mendel a pollinisé artificiellement ses pois. Il retirait avec précaution les étamines, qui produisent des granules de pollen contenant le sperme des plantes qu’il voulait croiser. Comme les plants de pois peuvent s'autopolliniser, l'élimination des étamines empêche ce phénomène de se produire. Il utilisait ensuite un pinceau pour brosser le pollen des étamines d’une plante sur le carpelle d’une autre plante (qui contient les ovules). Ce processus utilisé par Mendel pour polliniser artificiellement les plantes est illustré dans la figure 2.

Définition : Autopollinisation

L’autopollinisation a lieu lorsque des grains de pollen contenant les gamètes mâles (cellules sexuelles) fécondent les gamètes femelles de la même plante.

Définition : Pollinisation croisée

La pollinisation croisée a lieu lorsque des grains de pollen contenant les gamètes mâles (cellules sexuelles) d’une plante fécondent les gamètes femelles d’une autre plante.

Exemple 3: Décrire le raisonnement derrière les étapes expérimentales de Mendel sur les plants de pois

Mendel a effectué des expériences pour découvrir comment la couleur des graines était déterminée chez les pois. Quand il avait une plante prête à être utilisée dans son expérience, il retirait les étamines de ses fleurs. Pourquoi?

  1. pour empêcher la plante de produire des graines
  2. pour lui permettre de séquencer l’ADN de la plante
  3. pour s’assurer que la plante ne puisse pas faire de pollinisation croisée
  4. pour offrir plus d’espace pour la croissance des graines
  5. pour s’assurer que cette plante ne s’autopollinise pas

Réponse

Mendel, un moine pionnier des expériences génétiques, a effectué ses expériences sur des pois dans les années 1800. Il a méticuleusement étudié la façon dont les caractères sont hérités entre les générations de plantes de pois avant la découverte de l’ADN et est considéré comme le père de la génétique. Comme son travail est antérieur à la découverte du séquençage de l’ADN, l’option faisant référence à cette expérience lui permettant de séquencer l’ADN de la plante est fausse.

Mendel a spécifiquement étudié comment les caractères tels que la hauteur, la couleur et la texture des graines sont transmis entre les générations de plants de pois. Comme les plantes partent de graines, Mendel n’a pas modifié ses plants de pois pour empêcher la production de graines. En fait, il avait besoin que ses plantes produisent des graines pour voir les caractères et les caractéristiques de leur progéniture. Par conséquent, l’option qui affirme qu’il a empêché les plantes de produire des graines est également fausse.

Mendel a mené ses expériences en croisant des plantes spécifiques avec d’autres plantes. Pour ce faire, il a pollinisé artificiellement les plantes, contrôlant de quelle plante le pollen allait féconder les ovules d’une plante spécifique. Le processus par lequel l’ovule d’une plante est fécondé par le pollen d’une autre plante est appelé pollinisation croisée. Puisque Mendel croisait des plantes par pollinisation croisée pour étudier les caractères de leur progéniture, l’option indiquant qu’il voulait empêcher la pollinisation croisée est fausse.

Les étamines sont l'organe de fécondation mâle de la plante. Ils contiennent des anthères, de petites structures qui produisent des granules de pollen. À l’intérieur de ces granules de pollen se trouve le sperme de la plante, qui peut féconder d’autres plantes. L'élimination des étamines ne permet pas une croissance plus importante des graines. Par conséquent, l’option qui suggère le contraire est également fausse.

Les plants de pois sont auto-fécondants, ce qui signifie que le sperme présent dans leurs granules de pollen peut féconder leurs propres ovules situés dans le carpelle de la plante, l’organe femelle de la plante. La plante de pois peut s’autopolliniser, générant une progéniture qui est génétiquement identique à la plante mère.

Mendel voulait empêcher cette autofécondation, car il contrôlait méticuleusement quelles plantes spécifiques étaient fécondées. S’il avait autorisé l’autofécondation, il aurait été difficile de tirer des conclusions sur la façon dont les caractères sont transmis à la progéniture. Par conséquent, pour contrôler ses expériences, Mendel retirait les étamines pour s’assurer que la plante n’a pas de pollen pour se féconder.

Ainsi, la bonne réponse est qu’il le faisait pour s’assurer que cette plante ne s’autopollinise pas.

Dans la première expérience de Mendel, il a examiné la couleur des graines de petits pois. Certaines graines sont jaunes et d’autres vertes. Mendel voulait vérifier si les plantes à graines jaunes et vertes étaient des souches pures, c'est-à-dire que leur progéniture aurait toujours la même couleur de graines que celle de leurs parents (lignée pure). Pour ce faire, Mendel produit d’abord des plantes autopollinisées avec des graines jaunes et des plantes avec des graines vertes.

Il a autofécondé les plantes en appliquant le pollen de chaque plante à son propre stigmate. Par conséquent, l’ovule de chaque plante a été fécondé avec son propre pollen, et la graine obtenue ne portait que des informations génétiques identiques à son parent. Toutes les plantes à graines jaunes autofécondées n’ont donné que des descendants à graines jaunes, et toutes les plantes à graines vertes autofécondées n’avaient que des descendants à graines vertes. Cela a permis à Mendel de s’assurer que ses plants de petits pois étaient de véritables souches pures. Ces plantes dites pures étaient les plantes mères, comme le montre la figure 3.

Ce premier croisement entre les plantes mères reproductrices est appelé le croisement P, et toute la progéniture résultant du croisement P est appelée la première génération F. Les choses sont devenues encore plus intéressantes lorsque Mendel a croisé les plantes pures à graines jaunes avec les plantes pures à graines vertes lors du croisement F.

Comme vous pouvez le voir sur la figure 4, la progéniture F résultant n’avait pas une couleur de graine jaune-vert comme prédit par la théorie du mélange. Au contraire, toute la progéniture avait des graines jaunes. Le caractère vert avait disparu.

Cependant, lorsqu’une plante à graines jaunes F a été croisée avec une autre plante à graines jaunes F pour produire la génération F, le caractère vert a réapparu.

Dans la génération F, quand Mendel a croisé de nombreux plants à graines jaunes F, environ 75 sur 100 des plantes de la progéniture avaient des graines jaunes, mais 25 sur les 100 avaient des graines vertes. Mendel a décrit ces nombres sous forme de rapports. Pour quatre plantes, trois plantes avaient des graines jaunes et une plante avait des graines vertes. Par conséquent, la progéniture avait un rapport graines jaune/graines vertes de 31.

Mendel a conclu de cette expérience que certains caractères sont dominants et d’autres récessifs. Les caractères dominants apparaissent toujours si l’organisme hérite de l’information génétique qui code pour le caractère. Les caractères récessifs, eux, peuvent disparaître lors de la pollinisation croisée.

Terme clé : Caractère dominant

Un caractère dominant est la version d’un caractère qui est toujours visible si l’organisme hérite des informations génétiques le codant.

Terme clé : Caractère récessif

Un caractère récessif est la version d’un caractère qui n’apparaît que si l’information génétique qui produit le caractère dominant est absente.

À partir des résultats de son expérience, Mendel a proposé les lois de l’hérédité.

La première loi de l’hérédité que Mendel a postulée est la loi de l’indépendance de la transmission des caractères. Cette loi stipule que les facteurs unitaires (maintenant appelés gènes) codant pour les facteurs héréditaires se séparent indépendamment les uns des autres lors de la formation du gamète. Par conséquent, lorsqu’un descendant hérite d’un caractère de couleur de graine, cela est indépendant du fait que l'organisme hérite d'autres caractères, tels que la couleur des fleurs ou la hauteur.

Définition : Gène

Un gène est une séquence d’ADN qui contient les informations nécessaires pour produire une certaine caractéristique (par exemple, la couleur des yeux).

La deuxième loi de Mendel, la loi de la dominance, stipule qu'une version du caractère cachera une autre version du caractère si l'organisme possède deux versions différentes du caractère. Dans ce cas, les deux versions du gène sont dites hétérozygotes et l'organisme est dit hybride. Au lieu que les versions du caractère se mélangent comme postulé par la théorie du mélange de l’hérédité, pour produire un nouveau caractère intermédiaire, le caractère dominant se manifeste exclusivement par rapport à l'autre version du caractère, qui est dite récessive. Par exemple, chez les pois, le caractère des graines jaunes est dominant sur celui des graines vertes. De nombreux caractères suivent la loi de la dominance, et certaines versions de caractères dominent sur d’autres versions de caractères. Dans le cas où un organisme reçoit deux versions du même caractère, cette paire de gènes est dite homozygote (ce qui signifie qu’ils sont semblables). C’est le seul cas où le caractère récessif peut être révélé.

Enfin, Mendel a énoncé la loi de la ségrégation, qui stipule qu’un organisme hérite de deux copies de chaque facteur héréditaire (maintenant connu sous le nom de gènes). Une copie est héritée de la mère de l’organisme, et l’autre copie est héritée du père de l’organisme. Par exemple, chez les pois, une progéniture peut hériter d’un gène pour les graines jaunes de la plante mère et d’un gène pour les graines vertes de la plante père.

Exemple 4: Décrire les caractères pour la couleur de la Graine

Le schéma ci-dessous montre comment Mendel a combiné le matériel génétique d’une plante à graines jaunes avec une plante à graines vertes. Il a observé que toutes les plantes donnaient des graines jaunes. Quel terme peut être utilisé pour décrire le caractère des graines jaunes?

Réponse

Mendel, un moine qui vivait dans les années 1800, a effectué des expériences sur des plants de petits pois pour comprendre comment les caractères sont transmis entre les générations. Il a pollinisé artificiellement des plantes et a spécifiquement croisé des plantes avec certains caractères pour voir les caractères que leur progéniture porterait.

Dans une expérience, Mendel a croisé une plante à graines jaunes avec une plante à graines vertes. Toutes les plantes issues du croisement avaient des graines jaunes. Cette génération a été appelée la génération F. Lorsque deux plantes à graines jaunes F ont été croisées, le caractère vert a réapparu. Certaines plantes obtenues avaient des graines jaunes, et d’autres avaient des graines vertes.

D’après les résultats de cette expérience, Mendel a proposé la loi de la dominance. Cette loi stipule que les organismes hybrides (comme un pois obtenu à partir de plants à graines jaunes et vertes) afficheront uniquement la version dominante et masqueront la version récessive d’un caractère. Ici, le caractère de graine verte est récessif car il devient caché en présence du caractère de graine jaune. Comme le caractère graine jaune est affiché dans l’organisme hybride, c’est un caractère dominant.

Par conséquent, le terme qui peut être utilisé pour décrire le caractère des graines jaunes est dominant.

Les expériences de Mendel sur les pois ont été déterminantes pour comprendre comment les caractères sont transmis des parents à la progéniture et serviront ensuite de base au domaine moderne de la génétique.

Points clés

  • Mendel a mené des expériences sur des pois parce qu’ils sont faciles à cultiver, poussent très vite et présentent des caractères manifestement contrastés, et parce qu'il pouvait contrôler précisément leur reproduction par autopollinisation ou pollinisation croisée.
  • Sur la base de ses expériences, qui ont donné des pois de première et deuxième générations, Mendel a énoncé trois lois importantes pour l’hérédité en génétique:
    • La loi de la dominance, qui stipule que les caractères dominants masquent les caractères récessifs chez les organismes hybrides.
    • La loi de la transmission indépendante des caractères, qui stipule que les organismes héritent de caractères indépendamment d’autres caractères.
    • La loi de ségrégation ou disjonction des allèles, qui stipule qu’un organisme hérite de deux facteurs (gènes) héréditaires pour chaque caractère:un exemplaire hérité de la mère et l’autre copie héritée du père.

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