MISE EN EVIDENCE EXPERIMENTALE DE L'HYBRIDATION CHEZ LES ANIMAUX ET LES PLANTES.

Introduction :Suite à la domestication des espèces animales et végétales, l'homme a découvert le phénomène d'hybridation et essayé de créer lui-même de nouvelles espèces à des fins personnelles. Depuis, l'exploitation des espèces hybrides n'a cessé d'augmenter en France comme dans le reste du monde.En France, les surfaces de cultures de Triticale (résultant du croisement entre le blé et le seigle) ont été multipliées par 7 en 20 ans.

Il faut par ailleurs préciser qu'il est plus facile de travailler sur des hybrides végétaux qu'animaux, pour des raisons éthiques et techniques.

Nous allons donc voir comment on peut mettre en évidence une espèce hybride.

Rappels de définitions :

- espèce : ensemble des individus suffisamment semblables pour pouvoir se croiser entre eux et donner des descendants fertiles. L'espèce peut être elle-même divisée en sous-espèces (Dico de bio).

- hybridation : croisement naturel ou artificiel entre deux organismes de variétés, races ou d'espèces différentes. Dans ce dernier cas, on obtient un hybride presque toujours stérile chez les animaux et souvent fertile chez les végétaux (Dico de Bio, Romaric FORET, Edition de Boeck, Paris 2006, 279).

L'hybridation peut alors engendrer principalement deux processus:– une diminution de l'intégrité génétique d'une espèce suite à l'introgression de gènes provenant d'une autre espèce. – la spéciation : formation de nouvelles espèces.

I. Processus d'hybridation chez les animaux et les plantes

L'étude des processus va ensuite permettre de déterminer les espèces hybrides.

A. Qu'est-ce qu'un hybride?

1. Caractéristiques de l'hybride

L'hybride descend de parents qui n'appartiennent pas à la même espèce ou à la même sous-espèce. Entre espèces éloignées, la production d'hybrides échoue le plus souvent (=amixie) à cause:

-de l'incompatibilité physiologique des reproducteurs-d'une absence de fécondation-de la mort du zygote

(Dictionnaire de biologie, Jacques Berthet, Edition de Boeck, Paris 2006)

L'amixie est l'impossibilité d'obtenir des hybrides entre deux espèces.

Entre espèces proches, l'hybride peut être viable, mais il est stérile si l'homologie des chromosomes est insuffisante pour permettre leur appariement au cours de la méiose.

Autres exemples d'hybrides :

animaux végétaux

– ânesse + cheval : bardot/bardin– âne + jument : mulet/mule– cheval + zèbre : zébrule– loup + chienne : crocotte

- clémentine + tangerine (agrume, citron) : clemenvilla- prunier + abricotier : aprium/pluot- cassissier + groseillier épineux : caseille- mandarinier + orange douce: clémentine

Les caractéristiques des hybrides sont donc variées. Alors que dans certains cas, lors d'hybridations contrôlées on accroît les performances d'une espèce (=vigueur hybride), dans d'autre cas, les espèces peuvent être amoindries : hybrides non viables, stériles, ou moins bien adaptées à un milieu. Par exemple, le moustique Anopheles gambiae peut se différencier en deux espèces distinctes vivant dans deux milieux différents. La forme S vit dans les mares temporaires et les flaques alors que la forme M vit dans les champs de riz irrigués. Ces deux espèces sont capables de se reproduire mais l’hybride qui résulte de ce croisement est mal adapté aux deux milieux des espèces parentales.

L'infertilité s'explique à cause d'un mésappariement au cours de la méiose, difficile ou impossible (ex le mulet a nombre impair de chromosomes).Chez les végétaux, la fertilité peut être rétablie par un processus nommé polyploïdisation.

2. La polyploïdisation permet l'obtention d'un hybride fertile

Chez certaines espèces autogames, il y a un doublement des chromosomes ce qui permet de produire de nouvelles espèces. Ce doublement peut-être observé grâce aux marqueurs fluorescents.

On retrouve ce processus dans le cas du blé cultivé. Le Triticum turgidum par exemple est une espèce tétraploïde (2n=28, blé dur). Ce blé possède plusieurs génomes (deux génomes A et deux génomes B), de ce fait, lors de la méiose les chromosomes ne s'apparient pas de façon régulière, il n'y a pas de réduction des gamètes (doublement des chromosomes de ces deux génomes). La polyploïdisation peut ainsi permettre d’augmenter l’expression des gènes (métabolisme accru) et de masquer les allèles délétères en augmentant l’hétérozygotie moyenne par locus et donc d’avoir un potentiel adaptatif plus important.On appelle amphiploïde un hybride dont le stock de chromosomes a été doublé. Dans ce cas particuliers, le doublement des chromosomes permet de rendre l'hybride fertile alors qu'en l'absence de polyploïdisation l'hybride serait stérile.

Alors que la polyploïdisation peut être spontanée, certaines substances provoquent également ce doublement de chromosomes comme nous l'avons vu précédemment avec la colchicine. L'hybride est alors dans un état dit polyploïde. En général, ces hybrides polyploïdes sont féconds entre eux mais pas avec les espèces parentales.

On peut donc en déduire que ce phénomène de polyploïdisation permet la spéciation car conformément à la définition d'une espèce, puisque l'hybride conçu est fertile.

B. L'hybridation chez les animaux: un processus limité

Chez les animaux, le processus d'hybridation est limité comme nous l'avons vu en introduction pour des raisons éthiques et techniques. On observe donc généralement des hybridations naturelles mais provoquées : les espèces parentales sont placées en contact étroit et prolongé (milieu restreint), ou

C. Etude des techniques permettant la création et la reconstitution des espèces hybrides végétales.

1. Hybridation naturelle et/ou artificielle par reproduction sexuée chez les plantes

Chez les végétaux, l'hybridation peut être naturelle ou artificielle. En effet, alors que chez les plantes allogames, où les pieds mâles et femelles sont séparés, le pollen se répand grâce au vent et aux insectes, chez les plantes autogames l'hybridation doit être provoquée.

Elle peut également être provoquée chez les plantes allogames, lorsque l'hybridation naturelle n'est pas possible, par exemple lorsque les espèces sont trop éloignées.

Pour cela, il existe un mécanisme purement expérimental utilisant la castration manuelle et se composant en plusieurs étapes:

♦ Le choix des espèces de départ qui doivent être distinctes mais apparentées. Il est d'ailleurs souvent nécessaire de choisir trois ou quatre parents distincts et donc de procéder à plusieurs cycles de sélection. On fixe ensuite les génotypes des parents à l'état homozygote par plusieurs cycles d'autofécondation.♦ La castration par ablation des anthères du parent choisi comme étant la femelle.♦ L’apport du pollen de l'espèce mâle à l'aide d'un pinceau sur les stigmates de la variété femelle♦ Les grains issus du croisement donnent alors naissance aux plantes de la génération F1. Ces plantes portant les caractères génomiques des deux parents, il sera alors nécessaire d'attendre la génération F2 pour faire une sélection. En effet, dans la génération F2, on trouve une grande variété de phénotypes. On peut donc choisir ceux combinant les caractères intéressants.♦ On cultive alors les plantes sélectionnées en quantité durant une dizaine de générations avec une sélection à chaque génération. Ainsi on obtient de nouvelles variétés en une dizaine d'année.

Mode de reproduction chez les plantes (http://www.gnispedagogie.org/pages/classbio/chap2/16.htm)

Cette méthode d'hybridation est utilisée, par exemple, pour des espèces comme le blé.

On observe lors de cette manipulation que l'hybride obtenu est souvent stérile et qu'on peut le rendre fertile grâce à un traitement à la colchicine, qui provoque artificiellement une polyploïdisation( cf I.A.2)

2. L'hybridation somatique: création artificielle d'hybride

Cependant, de nombreux phénomènes s'opposent à la formation d'hybrides comme l'isolement temporel (les floraisons ont lieu à des dates différentes), l'isolement géographique, l'incompatibilité des pièces fertiles,... De ce fait, lorsqu'il n'est pas possible d'obtenir une espèce hybride par la reproduction sexuée, on utilise l'hybridation somatique ou fusion des protoplastes (=cellule végétale dont on a ôté la paroi à l'aide d'enzymes: protoplastisation).

L'hybridation somatique (car issue de cellules non reproductrices de la plante, Soma = corps) consiste à fusionner des cellules d'espèces différentes. Les protoplastes une fois isolés du tissu à partir duquel ils sont obtenus n'ont plus la capacité de reconnaître les partenaires avec lesquels ils sont en contact. On peut ainsi mélanger des espèces voisines et obtenir des hybrides.

Au cours de la reproduction sexuée, les informations génétiques contenues dans le cytoplasme sont transmises par la mère. La fusion de protoplastes, elle, permet une hybridation des noyaux, mais aussi des cytoplasmes. On obtient alors des recombinaisons chloroplastiques et mitochondriales. On peut donc transférer les informations cytoplasmiques du mâle et donc les caractères à hérédité cytoplasmique comme la stérilité mâle. Les cellules formées contenant un noyau parental et un cytoplasme mixte se nomment des cybrides. On parle d'hybride somatique lorsque les noyaux se sont additionnés partiellement ou en totalité.Cependant ce phénomène se produit rarement seul car les cellules des protoplastes sont chargées négativement ce qui empêche une fusion spontanée : La fusion nécessite des agents chimiques ou un choc électrique.

Hybridation somatique (http://www.gnis-pedagogie.org/pages/classbio/chap2/16.htm)

L'agrégation totale est assez rare et, devant la mixité des cellules obtenues, on sélectionne celles qui nous intéressent, puis on induit la division des cellules et on provoque la différenciation des tissus pour reformer une plante entière.Les individus obtenus sont souvent à faible rendement et peu fertiles.

Exemples :

- En 1978 Melchers a tenté de créer une tomate cultivable à basse température et a donc formé la pomate. La pomate résulte de la fusion des protoplastes d'une pomme de terre et d'une tomate. Cependant l'hybride est stérile.

- De nouvelles lignées mâles stériles de colza résistantes à l'atrazine (produit phytosanitaire aux effets d'herbicide) ont pu également être obtenues par cette technique. En effet, cette espèce ne peut être créée par des croisements normaux car lors de ceux-ci, l'hybride hérite des seuls caractères cytoplasmiques maternels et dans ce cas précis, la stérilité est contenue dans le génome mitochondriale.

II. Identification expérimentale des espèces hybrides

A. Reconstitution de l'hybride

La méthode la plus puissante pour montrer qu'une espèce est un hybride et de reconstituer artificiellement cet hybride à partir des espèces parentales. Pour cela, on utilise les différents mécanismes vu précédemment. Cela nécessite la connaissance des espèces parentales. Ce processus est toutefois peu utilisé car difficile à réaliser :

En effet, il est parfois difficile d'obtenir l'hybride cherché à partir des espèces parentales car l'hybride a pu subir une évolution depuis sa spéciation (mutations, etc). On ne retrouvera alors jamais l'espèce recherchée. Par exemple, chez les plantes on peut obtenir une espèce aux caractéristiques différentes à cause des variations entre le milieu naturel de l'espèce et le milieu artificiel recréé pour l'expérience (éclairage différent, milieu de développement trop humide...).

De plus, le même croisement entre deux individus peut parfois donner des hybrides aux caryotypes variés. Par exemple, l'âne et le zèbre ont un nombre de chromosomes très différents. De ce fait le caryotype du Zébrâne peut osciller entre 2n=38 et 2n=62.

La méthode de reconstitution de l'hybride a été utilisée dans le cas du papillon Heliconius heurippa qui semblait être un hybride entre Heliconius melpomene et Heliconius cydno. Pour le vérifier, les chercheurs ont effectué un croisement entre ces deux espèces : En seulement trois générations ils ont obtenu le même patron de coloration d’ailes. De plus, après une étude moléculaire, H. heurippa s'est bien révélé être une combinaison de gènes de deux autres espèces.

Aujourd'hui, on utilise également des simulations informatiques. Cependant celles-ci ne peuvent jamais garantir l'exactitude des résultats et leurs aléas (mésappariements de chromosomes, mutations...)

Il est également intéressant de remarquer lors de ces reconstitutions que certains croisements se font dans un unique sens : C'est le cas du batracien Rana esculenta qui ne s'obtient que par le croisement de Rana temporaria mâle et de Rana arvalis femelle. Le croisement inverse n'est pas possible.

La détermination des espèces parentales, elle, peut se faire grâce à plusieurs méthodes que nous allons maintenant étudier.

B.Comparaison des caryotypes et des génotypes entre espèces parentales et/ou hybrides

- Puisque les caryotypes d'espèces différentes assez éloignées sont distincts, l'étude de celui de l'individu peut déterminer s'il s'agit ou non d'une espèce hybride, et parfois identifier les espèces parentales : le nombre de chromosomes (ex: cheval 2n=64, âne 2n=62, et mulet 2n=63), leurs formes, leurs appariements, etc.

- La comparaison de leur forme et des locus de gênes homologues permet de reconstituer les remaniements entre les chromosomes :

On a dans cette figue comparé les homologues des chromosomes chez Helianthus annus (en blanc) et chez Helianthus petiolaris (en gris), et mis en évidence la relation entre les deux génotypes mais également les recombinaisons. En effet, le tournesol Helianthus est l'espèce qui présente le plus d'évolutions caryotypiques par rapport aux autres plantes et animaux, ce qui l'amène à de nombreux remaniements et nouvelles espèces.

Comparaison des caryotypes (Comparative mapping and rapid caryotypic evolution in the genus helianthus, Genetics Society of America, 2004)

A échelle moléculaire, des comparaisons peuvent également être réalisées entre les protéines, ARN et ADN. Le séquençage et l'hybridation in situ sont alors employés. L'hybridation in situ repose sur le principe de complémentarité des bases : deux brins monocaténaires d'ADN ou d'ARN de séquences complémentaires s'associent spontanément dans des conditions physiologiques. On dénature le double brin par la chaleur ou un choc alcalin puis on le place dans un milieu aux conditions favorables afin d'observer une réassociation possible des bases grâce à leur spécificité.

Cette réassociation est mise en évidence grâce aux marqueurs fluorescents.La comparaison des protéines peut, elle, se faire par électrophorèse sur gel. On utilise alors les caractéristiques des différents acides aminés : des différences de charge impliquant une vitesse de migration différente.

Ces données peuvent ensuite être présentées sous la forme d'arbres phylogénétiques, et permettent à terme des comparaisons entre les individus d'identifier les liens de parenté entre les espèces.

III Hybridation et spéciation

A. U tilités de l'hybridation

-L'hybridation est un processus utilisée dans les domaines de l'horticulture et de l'agriculture afin de créer des espèces plus rentables et résistantes. On peut, par exemple, améliorer les formes et les couleurs d'espèces florales, augmenter la productivité et le rendement d'espèces agricoles (jusqu'à 35% supérieur à celui des espèces parentales) ou améliorer leur résistance à certaines conditions (températures, hydrométrie, maladies...) = augmentation de l'adaptation au milieu biotique.

Afin de parvenir à l'amélioration des espèces, on utilise par exemple le rétrocroisemen t : En multipliant les hybridations, on parvient à sélectionner des gènes afin d'améliorer une des espèces parentales.Le rétrocroisement (ou back-cross ou introgression) est utilisé afin d'éliminer tous les gènes d'un géniteur à l'exception d'un gène jugé intéressant (gène de résistance aux maladies, de tolérance au stress) . Pour cela, on réalise une série d'hybridations entre la lignée receveuse ou parentale, et la lignée donneuse du caractère. Les descendants sont ensuite croisés pendant plusieurs générations avec la lignée receveuse encore appelée lignée récurrente. Le résultat du rétrocroisement est donc l'obtention d'une lignée convertie, c'est-à-dire quasiment identique à la lignée parentale mais contenant en plus le caractère désiré.

Les descendants issus du premier croisement possèdent 50% du patrimoine génétique de la lignée parentale et 50% du patrimoine du donneur. A mesure des back-cross, la proportion du génotype parentale augmente, les individus obtenus au deuxième back-cross possèdent 75% du patrimoine génétique de la lignée parentale et 25% du patrimoine du donneur. Au bout du septième back-cross, la part de la lignée parentale est de 96,88%, on estime alors que la lignée obtenue est suffisamment proche de la lignée parentale. On tend vers l'obtention d'une lignée isogénique, en ne différant de la lignée élite que par un seul gène.

B. Hybridation et biodiversité

Certaines espèces issues de l’hybridation peuvent se développer excessivement dans les milieux et devenir à terme des espèces invasives. C’est le cas de Spartina anglica, l’hybride de Spartina maritima (européenne) et de Spartina alterniflora et qui suite à une autopolyploïdisation est devenue tétraploïde et surtout fertile. Spartina anglica s’est donc rapidement développée au détriment de Spartina maritima qui est aujourd’hui en voie d’extinction.

La formation de l'hybride se fait parfois au détriment des espèces indigènes. C'est le cas, lorsqu'on introduit une espèce dans un milieu où se trouve déjà une espèce indigène, les flux de gènes entre ces deux espèces peuvent conduire à la disparition de l'espèce indigène à l'état pure. Par exemple, au Canada on a introduit des truites arc-en-ciel dans la rivière Kootenay ce qui a produit l'extinction de certaines populations de truites fardées indigènes car la truite arc-en-ciel s'hybride couramment avec la truite fardée, pour produire la «cutbow».

Mécanisme du rétrocroisement (http://www.gnispedagogie.org/pages/classbio/chap2/16.htm)

Au contraire, certaines espèces issues de l’hybridation sont amenées à disparaître ou à ne jamais exister dans la nature. C’est le cas de l’hybride issu du croisement entre les insectes Chrysopa carnea et Chrysopa downesi. Ces insectes se comportent comme deux espèces bien distinctes qui ont un aspect différent qui leur permet de se camoufler dans leur habitat respectif. Or l’hybride issu de ce croisement est fertile mais la couleur obtenu n’a jamais été trouvée dans le milieu. Cet intermédiaire ne peut donc pas se camoufler.

Dans d'autres cas, l'hybridation peut également conduire à la spéciation, notamment chez les végétaux. En effet, comme nous l'avons vu précédemment, la polyploïdisation permet la formation d'un hybride fertile et donc d'une nouvelle espèce.

Les hybridations peuvent également poser problème d'un point de vue écologique car elles peuvent être à l'origine de la dispersion de gènes issus de cultures OGM vers des espèces sauvages. En effet, on peut obtenir des croisements entre espèce génétiquement modifiée et espèce sauvage chez les végétaux à cause de leur mode de reproduction (la pollinisation peut s'effectuer sur plusieurs mètres).

ConclusionNous avons donc vu qu'en général, la spéciation par hybridation nécessite plusieurs générations d'introgression. En revanche, lors d'une hybridation par polyploïdisation la spéciation est souvent instantanée.Les espèces hybrides peuvent parfois remplacer des espèces actuelles notamment s’il s’agit d’espèces hybrides invasives.

Cependant, lors d'un rétrocroisement, le transfert d'un gène est relativement long puisqu'il nécessite de nombreuses générations. De ce fait, on utilise aujourd'hui la transgénèse qui est une méthode plus rapide. Ainsi, on a pu par exemple créer une nouvelle espèce de riz plus résistante. Mais l'impact des espèces hybrides varient à chaque situation, il est donc difficile d’établir des règles pour la gestion des espèces et de prévoir leur évolution à long terme.

En 2008, des chercheurs ont essayé de créer des hybrides humains, notamment pour répondre à une pénurie d’œufs humains afin d’isoler des cellules-souches embryonnaires. Mais les animaux et les êtres humains sont plus soumis aux questions d’éthique que les végétaux.Finalement, on peut donc se demander si l’hybridation peut être mise au service de la conservation et de la protection des espèces.

Bibliographie

♦ Dico de Bio, Romaric FORET, Édition de Boeck, Paris 2006, 279♦Dictionnaire de biologie, Jacques Berthet, Édition de Boeck, Paris 2006-Définitions d'espèce, d'hybride et d'hybridation

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♦ L’évolution, Mark Ridley, Paris 1985, Édition Belin, 117-118- Étude de la survie des hybrides en milieu naturel

♦ Biologie des plantes cultivées : Physiologie du développement génétique et améliorationTome 2, J-P Lafon, C. Tharaud-Prayer, G. Lévy – 1987 - Éditions de l'ARPEPS – Angers – 120-129; 134. Description de l'hybridation chez les plantes allogames et autogames

♦Thèse « Histoire évolutive de la Section BETA: « Mise en évidence des phénomènes d'hybridation et de spéciation au sein de la Section dans le bassin méditerranéen » Sarah Villain, 2007 Lille

♦ Génétique - A. Oulmouden, D. Delourme, A. Maftah, J-M. Petit, R. Julien – Édition Dunod – 1999 – Paris - 158 - Informations sur l'hybridation somatique

♦ Another source of biodiversity. Smith Sonian tropical research institue. 2005.- Étude de la reconstitution d'un hybride, exemple du papillon.

♦ La reproduction - tome3 – D. Robert, C.Dumas, C. Bajon – Doin éditeurs – Paris 1994 – 46-48- Description de la fusion des protoplastes.

♦www3.botany.ubc.ca/riesberglabÉtude de l'hybridation chez les tournesols par Lauren Riesberg : exemples généraux

Becquet Alice - Boucart Amélie – Bouchez Marie – Octobre 2011

♦www3.botany.ubc.ca/riesberglab