Vidéo de la leçon: Effets de l’environnement sur l’expression des gènes Biologie

Transcription de la vidéo

Dans cette vidéo, nous allons tout d’abord revoir les gènes et leur expression. Nous apprendrons ensuite comment les facteurs environnementaux peuvent influencer l’expression des gènes, puis nous examinerons les relations entre l’intensité lumineuse, la synthèse de la chlorophylle et le taux de photosynthèse dans les plantes. Commençons par définir certains des termes clés que nous utiliserons tout au long de la vidéo.

Un gène est un segment d’ADN qui contient les informations nécessaires à la production d’une certaine caractéristique ou d’une unité fonctionnelle. Par exemple, les protéines sont un type d’unité fonctionnelle, et de nombreux gènes contiennent les informations nécessaires pour produire des protéines telles que des enzymes et des hormones. L’expression génique est le processus par lequel les informations codées dans le gène sont utilisées pour créer ou synthétiser des protéines. En raison des informations qu’ils contiennent, les gènes sont en partie responsables de l’apparence et du comportement d’un organisme. Par exemple, des gènes codent pour les protéines qui déterminent la couleur des yeux, très variable selon les individus. Et les gènes peuvent influencer la tendance d’une personne à être plus timide ou plus sociale.

Cependant, l’environnement d’un organisme peut faire varier le niveau d’expression génique, et ces variations dans l’expression génique peuvent à leur tour influencer l’apparence ou le comportement de l’organisme. Un exemple assez extrême de l’influence de l’environnement sur l’expression génique est celui des tortues de mer. La température à laquelle sont exposés les œufs de tortue de mer détermine le sexe de l'embryon qu'ils contiennent. Cela détermine la proportion des sexes à l’éclosion. Lorsque les œufs sont à des températures plus chaudes, les petits seront principalement des femelles. Lorsque les températures sont plus froides, les petits seront principalement des mâles. Et les températures intermédiaires conduisent à un ratio sexuel d'environ 50, 50. Ce phénomène a lieu parce que la température ressentie pendant l’incubation des œufs modifie l’expression des gènes qui codent pour diverses enzymes et hormones sexuelles.

Les scientifiques poursuivent leurs recherches sur l'avantage évolutif de cette détermination du sexe en fonction de la température. Chez les plantes, les facteurs environnementaux comme la concentration en dioxyde de carbone, la température et l'intensité lumineuse affectent l'expression des gènes impliqués dans la photosynthèse. Vous savez probablement déjà que la photosynthèse est le processus par lequel les plantes utilisent la lumière, le dioxyde de carbone et l'eau pour produire du glucose et de l'oxygène. Vous vous rappelez peut-être aussi que la photosynthèse a lieu dans des organites des plantes appelés chloroplastes. Si nous zoomons pour voir de plus près un chloroplaste, nous pouvons voir une structure à l’intérieur appelée membrane thylakoïdienne. Et incrustées dans cette membrane thylakoïdienne se trouvent des molécules de chlorophylle.

La chlorophylle est un pigment biologique, c’est-à-dire une molécule qui absorbe des longueurs d’ondes spécifiques de la lumière tout en réfléchissant d’autres longueurs d’onde. La chlorophylle absorbe les longueurs d’onde bleues et rouges de la lumière plus efficacement que les longueurs d’onde vertes. Cela signifie qu’une plus grande quantité de lumière verte peut être réfléchie par les plantes, leur donnant leur aspect vert caractéristique. À l’intérieur des chloroplastes, la chlorophylle est constamment dégradée, de sorte que la plante doit continuellement synthétiser de la chlorophylle afin de maintenir la photosynthèse. En fait, la quantité de chlorophylle disponible est l’un des principaux facteurs affectant le taux de photosynthèse. Et les facteurs environnementaux qui affectent l’expression des gènes influencent la quantité de chlorophylle disponible.

Voyons maintenant de plus près comment le facteur environnemental de l'intensité lumineuse interagit avec la chlorophylle disponible pour affecter le taux de photosynthèse. Ce graphique simplifié présente l'intensité lumineuse sur l'axe des 𝑥 et le taux de photosynthèse sur l'axe des 𝑦. En commençant au point 𝐴 et en nous déplaçant vers la droite le long de l’axe des 𝑥, nous pouvons voir que lorsque l’intensité lumineuse augmente, le taux de photosynthèse augmente également. Cette relation existe parce que l’intensité lumineuse influence la synthèse de la chlorophylle dans les plantes. Dans des conditions de faible luminosité, les gènes impliqués dans la synthèse de la chlorophylle, représentés ici par des barres bleues sur un brin d’ADN, seront régulés à la baisse. Cela signifie que la plante produira moins de protéines nécessaires à la fabrication de la chlorophylle et que le taux de photosynthèse sera faible.

Si la plante reste dans ces conditions de faible luminosité, elle peut devenir jaune. Dans certains cas, la plante peut mourir. Mais ce processus a aussi lieu naturellement, comme lorsque les arbres perdent leurs feuilles à l’automne. Ce scénario de faible luminosité et faible taux de photosynthèse est représenté par le point 𝐴 sur la courbe. Dans des conditions de forte luminosité, les gènes impliqués dans la synthèse de la chlorophylle seront régulés à la hausse. La plante produira beaucoup de protéines nécessaires à la fabrication de la chlorophylle et le taux de photosynthèse sera élevé. Les plantes cultivées dans des conditions de forte intensité lumineuse sont généralement plus vertes et plus saines que les plantes cultivées dans des conditions de faible luminosité. Le scénario d'une intensité lumineuse élevée et d'un taux de photosynthèse élevé est représenté par le point 𝐵 sur le graphique.

Une augmentation de l'intensité lumineuse ne peut pas accroître indéfiniment le taux de photosynthèse. Et nous pouvons le voir sur le graphique. Après le point 𝐵, la courbe se stabilise, ou atteint un plateau, et le taux de photosynthèse devient stable. Cela se produit parce que d’autres facteurs deviennent limitants. Ainsi, une nouvelle augmentation de la synthèse de la chlorophylle ne permettra pas à la plante d'augmenter son taux de photosynthèse. Cependant, la modification d'un autre facteur environnemental, comme l'augmentation de la température à un niveau plus optimal, permettra à la plante d'augmenter son taux de photosynthèse par rapport à une température plus froide. Mais même dans ce scénario, la courbe finit par atteindre un plateau et le taux de photosynthèse reste stable car ni l'intensité lumineuse ni la température ne sont des facteurs limitants.

Maintenant que nous avons vu comment l’intensité de la lumière influence la synthèse de la chlorophylle via l’expression des gènes, qui à son tour affecte le taux de photosynthèse, essayons une question d’entraînement.

Les chloroplastes des feuilles ont besoin de chlorophylle pour capter la lumière. Pour quel processus les chloroplastes ont-ils besoin de cette énergie lumineuse?

Vous vous rappelez peut-être que la chlorophylle est le pigment vert présent dans les membranes thylakoïdiennes des chloroplastes. Un pigment est une molécule qui absorbe des longueurs d’ondes spécifiques de la lumière et réfléchit d’autres longueurs d’onde. Dans le cas de la chlorophylle, les longueurs d’onde bleues et rouges sont absorbées plus efficacement que les longueurs d’onde vertes. À l’intérieur des chloroplastes, cette énergie lumineuse absorbée est utilisée pour rompre les molécules d’eau, libérant des protons et des électrons qui sont utilisés pour créer de l’énergie chimique. L'énergie chimique est ensuite utilisée pour fixer le carbone du dioxyde de carbone sous forme de glucose et pour libérer l'oxygène en tant que produit. Le nom de ce processus est la photosynthèse, et c'est ainsi que les plantes fabriquent leur propre nourriture pour survivre et pousser.

Par conséquent, le nom du processus dont les chloroplastes ont besoin pour capturer l’énergie lumineuse est la photosynthèse.

Maintenant, essayons une dernière question d’entraînement.

Trois groupes de plantes appartenant à la même espèce sont exposés à des intensités lumineuses différentes. Le groupe un a été exposé à l’intensité lumineuse indiquée pendant 12 heures, le groupe deux pendant 24 heures et le groupe trois pendant 36 heures. La courbe fournie présente la quantité de chlorophylle synthétisée par ces groupes de plantes à différentes intensités lumineuses. Que peut-on conclure de ce graphique? (A) Pour toutes les intensités lumineuses, la synthèse de chlorophylle est plus importante lorsque la plante est exposée à la lumière pendant 12 heures que lorsqu'elle est exposée à la lumière pendant 36 ou 24 heures. (B) Pour toutes les intensités lumineuses, la synthèse de chlorophylle est plus importante lorsque la plante est exposée à la lumière pendant 24 heures que lorsqu'elle est exposée à la lumière pendant 36 ou 12 heures. (C) L'intensité de la lumière n'a pas d'effet sur la quantité de chlorophylle synthétisée par une plante, mais la durée d'exposition en a un. (D) Pour toutes les intensités lumineuses, la synthèse de chlorophylle est plus importante lorsque la plante est exposée à la lumière pendant 36 heures que lorsqu'elle est exposée à la lumière pendant 24 ou 12 heures.

Le graphique montre l'intensité lumineuse en lux sur l'axe des 𝑥 et la quantité de chlorophylle synthétisée par la plante en milligrammes par gramme sur l'axe des 𝑦. Les trois courbes représentent les trois groupes de plantes qui ont été exposés à des intensités lumineuses différentes: groupe un pendant 12 heures, groupe deux pendant 24 heures et groupe trois pendant 36 heures. Nous pouvons voir que les trois groupes ont eu une augmentation de la synthèse de la chlorophylle lorsque l’intensité lumineuse est passée de zéro à 5000 lux. Et à partir de là, nous pouvons conclure qu’une augmentation initiale de l’intensité lumineuse augmente également la synthèse de la chlorophylle.

Nous pouvons également voir qu’à zéro, le groupe trois, le groupe de 36 heures, synthétisait davantage de chlorophylle que les groupes un ou deux. Et ce modèle est vrai pour chaque intensité lumineuse. Donc, une deuxième conclusion que nous pouvons faire est que le groupe trois synthétise le plus de chlorophylle à chaque intensité lumineuse. Nous avons maintenant suffisamment d’informations pour répondre à la question. Revoyons donc les options de réponse une par une pour déterminer la bonne. «Pour toutes les intensités lumineuses, la synthèse de chlorophylle est plus importante lorsque la plante est exposée à la lumière pendant 12 heures que lorsqu'elle est exposée à la lumière pendant 36 ou 24 heures.» Nous avons conclu que le groupe trois, le groupe de 36 heures, synthétisait le plus de chlorophylle à toutes les intensités lumineuses. Nous pouvons donc exclure ce choix de réponse.

«Pour toutes les intensités lumineuses, la synthèse de chlorophylle est plus importante lorsque la plante est exposée à la lumière pendant 24 heures que lorsqu'elle est exposée à la lumière pendant 36 ou 12 heures.» Comme avec la réponse précédente, nous pouvons exclure celle-ci parce que nous savons que le groupe trois, le groupe de 36 heures, synthétisait le plus de chlorophylle à toutes les intensités lumineuses. «L'intensité de la lumière n'a pas d'effet sur la quantité de chlorophylle synthétisée par une plante, mais la durée d'exposition en a un.» Notre première conclusion était qu’une augmentation de l’intensité lumineuse augmente initialement la synthèse de la chlorophylle. Nous pouvons donc exclure ce choix de réponse.

«Pour toutes les intensités lumineuses, la synthèse de chlorophylle est plus importante lorsque la plante est exposée à la lumière pendant 36 heures que lorsqu'elle est exposée à la lumière pendant 24 ou 12 heures.» Cette réponse est la bonne, car elle réitère notre seconde conclusion à propos du groupe trois.

Passons maintenant en revue certains des points essentiels de la vidéo. L’expression génique conduit à la synthèse de protéines. Le niveau d’expression génique peut varier, et cette variation est influencée par l’environnement d’un organisme. Les chloroplastes sont le lieu de la photosynthèse, et ils contiennent un pigment vert appelé chlorophylle. Chez les plantes, l’exposition à la lumière influence l’expression des gènes impliqués dans la synthèse de la chlorophylle. Si la lumière est un facteur limitant, une intensité de lumière plus élevée augmentera la synthèse de la chlorophylle, tandis que des intensités de lumière plus faibles diminueront la synthèse de la chlorophylle. À son tour, une augmentation de la synthèse de la chlorophylle conduit à un taux de photosynthèse plus élevé, tandis qu’une diminution de la synthèse de la chlorophylle conduit à un taux de photosynthèse plus faible. Lorsque la lumière n'est plus un facteur limitant, le taux de photosynthèse atteint un plateau.