DST « G4 /C2/ P4

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DST « G4 /C2/ P4 » Durée 1h30 – sans calculatrice

De nouvelles variétés de tomates

Après la pomme de terre, la tomate (Solanum lycopersicum) est le légume le plus consommé dans le monde. Originaire d’Amérique du Sud, des milliers de variétés différentes existent suite à la domestication. C’est le fruit de la tomate qui est consommé.

De nouvelles variétés sont sans cesse produites, qu’elles soient commercialisées ou non : c’est le cas de Garance, de Solanum lycopersicum-1345-4 et de variétés résistantes au potyvirus dans le futur.

Présenter les intérêts d’avoir mis au point la nouvelle variété Garance, puis expliquer par quelles techniques de nouvelles variétés de tomates peuvent être obtenues.

Vous organiserez votre réponse selon une démarche de votre choix intégrant des données issues des documents et les connaissances complémentaires nécessaires.

Document 1 : quelques critères de variétés de tomates cultivées. Document 1.a : comparaison de quelques critères agronomiques entre 3 variétés de tomates cultivées.

VARIETES NOMBRE DE RESISTANCES

AUX NUISIBLES

% DE TOMATES

DECLASSEES

ASPECT ESTHETIQUE (note sur 10)

QUALITE GUSTATIVE

(note sur 10)

CALIBRE

DCC84 (tomate Cœur de bœuf

rouge) 3 5,8 8 6,0

Gros

Garance (tomate ronde rouge)

Variété obtenue par l’INRA 8 0,5 7,8 6,5

Gros

DN 75 (tomate Kakao ronde noire) 4 2,1 7,5 6,5 Moyen

* une tomate qui présente des défauts est dite « déclassée ». D’après C. Mazolier, Tomate en Agriculture Biologique : variétés de type ancien en tunnel froid. 2010

Des études ont révélé que les consommateurs préfèrent, esthétiquement, des tomates de gros calibres

et de couleur rouge vif.

Document 1.b : teneurs (moyennes) des tomates de la variété Garance, en différentes substances par rapport à une tomate standard. D’après INRA, 2010

Lycopène + 65 % Vitamine C + 90 % Sucres + 32 %

Document 2 : nature et propriétés physiologiques du lycopène et de la vitamine C.

La vitamine C participe à la synthèse des globules rouges et contribue au bon fonctionnement du système immunitaire. Il est recommandé d’en consommer quotidiennement entre 75 et 90 mg.

Le lycopène est un pigment rouge vif dont la consommation régulière réduit le risque de souffrir d’une maladie cardio-vasculaire, du diabète ou encore de l’ostéoporose, et aurait un effet protecteur contre certains cancers.

Document 3 : l’obtention de nouvelles variétés végétales par croisement (hybridation).

La fleur de tomate est capable de s’autoféconder. Pour forcer deux variétés, A et B, à se croiser, il est donc nécessaire de retirer les étamines de la plante

qui sera utilisée comme femelle et d’apporter le pollen de la plante utilisée comme mâle. La tomate Garance est une tomate hybride.


Document 4 : caractéristiques d’une variété de tomate sauvage.

Solanum cheesmanii est une autre espèce de tomate, non domestiquée, qui peut présenter des caractères intéressants codés génétiquement. Elle est très proche de Solanum lycopersicum avec laquelle elle peut s’hybrider. Cette espèce a été utilisée dans le processus d’obtention de Garance.

Variété Couleur des fruits Taille du fruit Qualités du fruit Solanum cheesmanii (tomate des Galápagos) jaune – orange 1 à 2 cm - multiples résistances aux nuisibles/ maladies

- richesse en sucres D’après S. D. Tanksley, The Plant Cell, 2004

Document 5 : la sélection de variété végétale par rétrocroisement. Document 5.a : le brassage intra-chromosomique ou crossing-over.

Document 5.b : le principe de la sélection par rétrocroisements.

Soit une variété M de faible intérêt agronomique qui possède dans son génome, un gène Z codant un caractère que l’on souhaite transférer à une autre variété cultivée N dite « élite » présentant de nombreux caractères agronomiques intéressants (liés au fruit : forme, fermeté, couleur, taille…). Par le croisement de ces 2 variétés, on obtient un hybride F1 dont le génome renferme bien le gène Z mais aussi la moitié de l’ADN de la variété M, ce qui diminue beaucoup les qualités de l’hybride F1.

Afin de remédier à ce phénomène, on réalise alors une série de rétrocroisements lesquels consistent à croiser l’hybride F1 avec la variété N. Les hybrides (F2, F3, etc.) qui se forment ainsi possèdent de moins en moins d’ADN de la variété M. À chaque génération, seuls les hybrides renfermant le gène Z sont sélectionnés.

Document 5.c : schéma décrivant le principe de la sélection par rétrocroisements (ou backcross).

Au bout du septième rétrocroisement, la part de la lignée élite est de plus de 95 %, on estime alors que

la lignée obtenue est suffisamment proche de la lignée élite.


Document 6 : la maturation de la tomate. La variété de tomate Solanum lycopersicum-1345-4 se caractérise par des fruits qui ne

pourrissent pas. Cette variété n’est pas commercialisée.

Document 6a : Production d’éthylène et maturation des fruits.

D’après SVT – TS – collection M. Jubault-Bregler, 2012

L’éthylène est une phytohormone reconnue pour jouer un rôle clé dans la maturation puis le pourrissement des fruits. In vitro, il est possible d’obtenir une maturation de la tomate avec application d’une source extérieure d’éthylène.

Document 6b : la production d’éthylène, une voie métabolique.

Document 7 : effet de la transgénèse dans les cellules de Solanum lycopersicum -1345-4

Le transgène est introduit dans la cellule de tomate à l’aide d’un vecteur bactérien (Agrobacterium tumefasciens).

D’après http://www.academie-en-ligne.fr


Doc8 : utilisation de CRISPR-cas 9 pour acquérir une résistance au potyvirus (tomate non commercialisée). Document 8a : la technique CRISPR-Cas 9.

CRISPR-Cas 9 est un outil d’ingénierie du génome couramment utilisé dans les laboratoires de recherche pour produire des ruptures ciblées du double brin d’ADN. Cas 9 est une enzyme spécialisée, une endonucléase, qui associée à un ARN-guide est capable de couper l’ADN en un site déterminé par la séquence de cet ARN-guide.

D’après https://www.gnis-pedagogie.org

Document 8b : CISPR Cas9 et potyvirus.

Caractéristiques des potyvirus. - Virus à ARN, fréquents chez les végétaux. - Vecteurs : pucerons. - Conséquences : graves pertes dans les cultures, dépression du système immunitaire des végétaux.

Gène eiF4E1 de la tomate et mutations. - Gène essentiel pour la diffusion du virus. - Des mutants de tomate sur ce gène eiF4E1 ont permis d’obtenir une certaine résistance au prix d’une

réduction de croissance et de fertilité de la plante. - D’autres mutations naturelles de ce gène ont été observées chez le poivron (même famille que la

tomate) conduisant à la modification de deux acides aminés de la protéine eIF4E codée.

Technique CRISPR Cas9 employée. - Construction d’une séquence contenant les deux mutations observées chez le poivron et un gène

marqueur pour suivre la transformation - Vecteur de transformation : biolistique (microbilles de métal d’un micromètre de diamètre enrobées

d’ADN, projetées à très grande vitesse sur les cellules à modifier afin de traverser leur paroi). - Transformation transitoire : outils CRISPR Cas9 détruits par les « systèmes de nettoyage » cellulaires.

D’après https://www.gnis-pedagogie.org modifié 2021

- Obtention de plantules semblables à des plantules mutées naturellement ou par des agents mutagènes. - Elles ne contiennent aucun transgène et ne sont différentes que sur 2 nucléotides du gène eiF4E1. - Des essais en champ seront impératifs pour valider le projet avant toute phase de mise sur le marché.


Correction.

La problématique est centrée sur l’amélioration variétale de la tomate, fruit consommé comme légume, et de forte importance économique (légume le plus consommé au monde si l’on part du principe que la pomme de terre est un féculent).

On étudie ici les intérêts de l’obtention de la variété Garance par l’INRA et d’une manière plus générale comment de nouvelles variétés de tomates peuvent être obtenues.

La correction suivante ne propose pas de démarche, mais les principales notions attendues. Saisie des informations Document 1a : propriétés de Garance en comparant à DCC84 et DN75. - tomate ayant un nombre élevé de résistante aux nuisibles (deux fois plus que DN75) ; - peu de tomates déclassées (= peu de défauts) : 11 fois moins que DCC84 ; - très bonne note sur l’aspect esthétique (un peu moins que DCC84) ; - bonne qualité gustative (autant que DN75) ; - tomate rouge, couleur prisée des consommateurs et de gros calibre (aussi prisé).

Documents 1b et 2. - Forte teneur en vitamine C : + 90 % par rapport à une tomate standard (la vitamine C participe à la synthèse des globules rouges et contribue au bon fonctionnement du système immunitaire). - Forte teneur en lycopène (aspect rouge vif de la tomate, voir plus haut, et impact sur la santé (sa consommation régulière réduit le risque de souffrir d’une maladie cardio-vasculaire, du diabète ou encore de l’ostéoporose, et aurait un effet protecteur contre certains cancers). - Tomate ayant une chair sucrée.

Les documents 1 et 2 répondent à la première problématique. Garance est une nouvelle variété qui présente de nombreuses propriétés d’intérêt.

Document 3. - La fleur de tomate est capable de s’autopolliniser (= autofécondation) : les grains de pollen (contenant les gamètes mâles) peuvent atteindre le stigmate du pistil, et germer jusqu’aux nombreux ovules (contenant les gamètes femelles). Absence d’obstacles à l’autofécondation. - La tomate Garance est une variété hybride : pour l’obtenir, il faut croiser donc croiser des variétés différentes voire des espèces différentes de tomates. Il faut donc éviter l’autofécondation en coupant les étamines d’une fleur, ce qui l’oblige à être pollinisée par une autre fleur d’une autre variété ou d’une autre espèce proche.

Document 4. - L’espèce de tomate Solanum cheesmanii possède certains caractères intéressants (la résistance aux nuisibles et maladies et la richesse en sucre) que l’on retrouve dans Garance. Ce sont des caractères que l’humain a pu sélectionner pour créer Garance (à condition qu’ils soient codés génétiquement).

Document 5. - Le doc5a présente la notion de CO, déjà connue. C’est une aide qui est apportée pour l’exploitation du doc5b. - Les documents 5b et 5c présentent la sélection par rétrocroisement. - Il montre que lorsque l’on croise (hybride) deux variétés pour en obtenir une nouvelle, et que seul un gène d’intérêt d’une des deux variétés/ espèces doit être conservé alors que l’autre variété/espèce possède de multiples avantages, il est nécessaire de faire plusieurs générations de rétrocroisements et de sélections pour finalement conserver uniquement le gène d’intérêt, et tous les autres avantages de la variété d’intérêt (pour résumer, au cours des générations, les caractères non-intéressants sont progressivement éliminés, alors que les intéressants, donc le gène Z, sont conservés). On constate également la présence de CO expliquant qu’au fur et à mesure des générations il y a de plus en plus de noir. - Au bout de plusieurs générations (ici au bout du septième rétrocroisement), on a gardé l’intégralité des caractères de N, supprimé la presque totalité de ceux de M, sauf le gène Z (part de la lignée élite de plus de 95%). - En reliant au document 4, cela veut dire qu’on a sélectionné un gène (ou des gènes) provenant de Solanum cheesmanii apportant la résistance et la teneur en sucres.

Document 6a. - La variété transgénique de tomate S. lycopersicum-1345-4 se caractérise par des fruits qui ne pourrissent pas. - Chez les fruits témoins non transformés, la production d’éthylène augmente très rapidement 32 jours après pollinisation pour atteindre un maximum à 35 jours (120 UA), avant de décroître assez rapidement. - L’éthylène est une phytohormone jouant un rôle dans la maturation puis le pourrissement des fruits, cela montre que la tomate est mûre environ 35j après pollinisation. Après, elle va pourrir progressivement. - Chez le fruit transgénique, la production d’éthylène reste nulle au cours du temps : le fruit se conservera donc plus longtemps (sans pourrir). Il pourra toutefois mûrir puisqu’ il est possible d’obtenir une maturation de la tomate avec application d’une source extérieure d’éthylène (donc maturation contrôlée).


Document 6b. - Il faut que la tomate synthétise une enzyme (ACC oxydase) pour produire l’éthylène à partir d’une molécule précurseur (l’ACC). Cette réaction enzymatique consomme de l’O2.

Document 7. - Chez la tomate transgénique tomate Solanum lycopersicum-1345-4, on intègre à l’aide d’un vecteur bactérien un transgène au génome de la plante. Ce transgène va être transcrit en ARNm antisens. Cette molécule d’ARNm antisens va alors s’hybrider par complémentarité à une partie de l’ARNm du gène à l’origine de l’ACC oxydase. De ce fait, l’ARNm de l’ACC oxydase ne pourra être traduit. Il n’y aura donc pas de production d’ACC oxydase, et a fortiori d’éthylène par la tomate transgénique, permettant une plus grande conservation.

Document 8.

- La technique CRISPR-Cas 9 est un outil d’ingénierie du génome (édition génomique) couramment utilisé dans les laboratoires de recherche pour produire des ruptures ciblées du double brin d’ADN. - Il est alors possible d’insérer une séquence génomique d’intérêt. - Un gène de la tomate, « eiF4E1 », s’avère essentiel pour la diffusion du potyvirus, virus qui provoque de graves pertes dans les cultures de fruits et légumes. - On connaît des mutations naturelles de ce gène chez le poivron qui apportent une résistance au virus. - Les chercheurs ont construit une séquence contenant les mutations désirées permettant d’apporter une résistance au potyvirus associée à un gène marqueur pour suivre la transformation. - La transformation s’appuie sur la technique de la biolistique : on insère la séquence modèle et grâce à CRISPR Cas9, la séquence est insérée dans le gène eiF4E. - Les outils CRISPR Cas9 utilisés sont détruits par les systèmes de « nettoyage » de la cellule. - Des essais en champ seront impératifs pour valider le projet avant toute phase de mise sur le marché.

Notions de cours possibles. - Aujourd’hui, de nombreuses techniques favorisent la création de plus en plus rapide de nouvelles variétés végétales (par hybridation, par utilisation des biotechnologies...). La production de semences commerciales est devenue une activité spécialisée. - Une espèce cultivée présente souvent de nombreuses variétés (forme de biodiversité). Cette diversité résulte de mutations dans des gènes particuliers.

Conclusion Garance est une variété de tomate présentant de multiples intérêts à la fois pour le consommateur et le producteur. Cette tomate est issue d’hybridations, notamment avec Solanum cheesmanii pour laquelle on a « récupéré » un ou plusieurs gènes par rétrocroisements successifs. En dehors des hybridations et des rétrocroisements, on peut modifier et créer de nouvelles variétés de tomates par transgénèse et par l’utilisation d’outils d’éditions du génome comme CRISPR Cas9

Démarche de résolution personnelle 2 1 0

Construction d’une démarche cohérente bien adaptée au sujet

Construction insuffisamment cohérente de la démarche

Absence de démarche ou démarche incohérente

Analyse des documents et mobilisation des connaissances, dans le cadre du problème scientifique posé

4 3 2 1 0 Informations issues des documents pertinentes, rigoureuses et complètes et connaissances mobilisées pertinentes et complètes pour interpréter

Informations issues des documents pertinentes, rigoureuses et complètes mais connaissances à mobiliser insuffisantes pour interpréter

Informations issues des documents incomplètes ou peu rigoureuses et connaissances à mobiliser insuffisantes pour interpréter

Seuls quelques éléments pertinents issus des documents et/ou des connaissances

Absence ou très mauvaise qualité de traitement des éléments prélevés

Exploitation (mise en relation/cohérence) des informations prélevées et des connaissances au service de la

résolution du problème 3 2 1 0

Argumentation complète et pertinente pour répondre au problème posé

Argumentation incomplète ou peu rigoureuse Argumentation absente et/ou réponse explicative absente ou incohérente

Réponse explicative cohérente et complète avec le problème posé

Réponse explicative cohérente avec le problème posé

Absence de réponse ou réponse non cohérente avec le problème posé