La domestication des plantes

La domestication des plantes

Theme 2-B La plante domestiquée élève

Introduction

Grâce aux fossiles, nous savons que nos ancêtres ont commencé à domestiquer les plantes (mais également les animaux) il y a environ 10 000 ans avant JC.

C’est un élément fondamental qui a conduit à sédentariser les populations qui sont passés d’un mode « chasseur cueilleur » à un mode « agriculteur » (suivre les liens pour une analyse critique de cette étape de notre histoire !). Il y a environ une douzaine de foyers de domestication des plantes (= adaptation de plantes aux besoins de l’Homme, adaptation des plantes sauvages à la culture).

La sélection est à l’origine de la création de nombreuses variétés au sein des espèces cultivées, permettant ainsi d’offrir à chaque région une certaine diversité alimentaire.
En Europe, de nombreuses productions végétales devenues importantes ont des origines géographiques très lointaines, comme par exemple la pomme de terre, originaire du Pérou ou le maïs de l’Amérique Centrale.

Problématique : Comment expliquer l’origine des plantes cultivées actuelles ?

I/ La Sélection exercée par l’Homme sur les phénotypes.

Problématique : Comment l’Homme a-t-il produit le maïs cultivé que nous connaissons  actuellement ?

Avant la séance:

Origine du maïs (source : http://www.gnis-pedagogie.org/mais-origine-et-caracteristiques.html)

TP 23 : Le maïs : une plante domestiquée et améliorée génétiquement

A/ L'origine des espèces cultivées

Le maïs aurait pour ancêtre sauvage le téosinte et pour aire d’origine l’Amérique centrale, foyer de domestication : on y retrouve les vestiges archéologiques témoignant de sa culture par l’Homme. Celui-ci aurait sélectionné les variétés présentant les épis les plus grands et les plus fournis.

L’exemple du maïs montre que les espèces cultivées sont issus de la modification d’espèces sauvages par l’Homme au cours d’un processus appelé domestication : les graines des plantes intéressantes ont été sélectionnées par l’Homme. Cette sélection s’est faite de façon empirique par sélection visuelle (stature de la plante, taille des grains …)

B/ Étapes et résultats du processus de domestication

1) De la plante sauvage à la plante cultivée

Une espèce cultivée diffère des espèces sauvages proches par différents caractères qui facilitent sa culture, sa récolte et son utilisation par l’Homme. Ces caractères, qui constituent le syndrome de domestication, sont souvent défavorables à la vie de la plante en milieu naturel. Cela explique que l’on rencontre rarement les espèces cultivées dans les écosystèmes naturels. Ces caractères ont été acquis au cours d’un processus de sélection artificielle réalisée par l’Homme : parmi la diversité naturelle des individus d’espèces sauvages, l’Homme a favorisé la reproduction de ceux qui présentaient les caractères qu’il recherchait.

Dans le cas où ces caractères étaient héréditaires, leur fréquence a ainsi augmenté d’une génération à la suivante. Ce processus de sélection artificielle est à la base de la domestication. Il est à l’origine des premières espèces cultivées.

2) sélection variétale 

Dans le cas du Maïs, la domestication a eu lieu en unique foyer localisé au Mexique. Or, sur le continent américain, les variétés anciennes les plus proches géographiquement sont aussi les plus apparentées. La sélection variétale s’est donc faite de proche en proche à partir du foyer de domestication : chaque nouvelle variété a été sélectionnée à partir des maïs des régions voisines et elle est ainsi adaptée aux conditions climatiques régionales. Pendant des centaines d’année, l’Homme a donc sélectionné, croisé des plantes d’abord empiriquement puis de manière dirigée et volontaire. Le résultat de cette sélection est visible sous la forme d’une diversité biologique particulière, la diversité variétale.

Après le domestication, les plantes cultivées ont continué d’être soumises à la sélection artificielle : c’est la phase de sélection variétale dirigé par l’Homme, à l’origine des variétés anciennes des plantes cultivées. Elles sont adaptées à des conditions de cultures locales. Elles ont des caractéristiques agronomiques et nutritionnelles variables.

3) Une dépendance vis-à-vis de l’Homme

Les épis de maïs ont été sélectionnés pour éviter la chute des grains : il est impossible au maïs de faire germer ses grains seul. Cette perte de capacités dans l’espèce cultivée rend la plante mal adaptée à la vie sauvage et nécessite une action permanente de l’Homme pour maintenir ces espèces.

C/ les bases génétiques de la domestication

L’analyse du maïs et de son ancêtre supposé (le téosinte) montre que les différences génétiques sont relativement restreintes. Chez le maïs, 2 gènes sont particulièrement intéressants en terme agronomique :

• Le gène TB1 (teosinte branched 1) dont l’action est de réprimer la formation des bourgeons axillaires. Les allèles de TB1 sont très semblables et la protéine produite est fonctionnelle dans les 2 cas. Néanmoins, l’expression de TB1 est très forte au niveau des méristèmes axillaires chez le maïs (très faible chez le téosinte).
• Le gène TGA1 (téosinte glume architecture1) dont l’action serait de réduire l’épaisseur de la cupule entourant le fruit. Les allèles de TB1 sont mutés : la lysine (position 6) présente dans la protéine tga1 du téosinte est remplacée par l’asparagine dans la protéine du maïs. Cette mutation changerait la fonction de la protéine.

Les différentes génétiques restent toutefois assez modérées chez la plupart des plantes cultivées qui sont souvent encore interfécondes avec l’ancêtre supposé. C’est notamment le cas entre le maïs et le téosinte.

Conclusion : les individus sélectionnés par l’Homme au cours de la domestication sont le résultat de modifications génétiques spontanées comme l’hybridation, la polyploïdisation ou l’apparition de mutations sur certains gènes.

Les caractéristiques phénotypiques distinguant une espèce cultivée des espèces sauvages proches sont associées à certains allèles de quelques gènes. En favorisant la reproduction des individus porteurs de ces allèles, l’Homme a pu augmenter la fréquence de ces allèles, d’une génération à la suivante.

La sélection des individus porteurs des allèles concernés s’est effectuée au moment de la récolte ou du semis sur la base de caractères phénotypiques : présence de cupule, taille des grains, nombres de grains etc…

Pour aller plus loin:

• une vidéo sur la transgenèse
• un article sur une « expérience » de domestication du Renard argenté (PLS n°479, septembre 2017) et ici une version courte mais entière.
• une vidéo visualisant le mode d’action d’une enzyme de restriction Eco RI

II/ Des techniques mise au service de la domestication

A-technique de croisement et biodiversité cultivée

Grâce aux connaissances acquises en génétique et en biologie moléculaire, les scientifiques ont développé des techniques basées :

• sur le choix (sélection) d’individus possédant des caractéristiques agronomiques intéressantes : productivité, résistance à des parasites puis sur le croisement des individus.
• Vidéo sur la culture du Maïs
• sur des croisements répétés conduisant à l’obtention d’hybrides avec des combinaisons alléliques nouvelles encore plus performantes. Les sélectionneurs ont œuvré de façon à identifier les variétés intéressantes. Pour obtenir une plante stable, ils ont alors réalisé des séries d’autofécondation couplées à des tris des plantes produites. En une dizaine de générations, ils ont obtenu des lignées pures (variétés lignées) qui sont génétiquement homogènes et stables. Ainsi, ces variétés peuvent être commercialisées.

Néanmoins, certaines plantes sont affaiblies par la forte homozygotie de leur génome. Des croisements entre lignées pures distinctes permettent de retrouver des plantes vigoureuses, phénomène qui a été décrit comme la « vigueur hybride » ou « hétérosis ».

Ces techniques de sélection-hybridation ont donc été une prolongation dirigée et ciblée de la sélection artificielle empirique exercée initialement par l’Homme. Ces croisements provoqués ont permis la création de variants adaptés aux besoins « mondiaux ».

B/ génie génétique et plante cultivée

Depuis 1980, les progrès de la biologie moléculaire ont permis de développer des techniques d’amélioration des plantes basés sur la modification directe de leur génome :

1- la transgenèse : introduction dans le génome de la plante un gène d’intérêt provenant d’une autre espèce et ce qui lui permet de synthétiser une nouvelle protéine.

Le transfert de gène s’effectue de 3 manières :

• transfert par bactérie Agrobacterium tumefaciens
• transfert par choc électrique
• transfert mécanique

Création du maïs transgénique résistant à la pyrale

2- la mutagenèse : suppression de l’expression d’un gène

Ces techniques de génie génétique permettent d’aboutir à l’obtention d’organisme génétiquement modifié (OGM).

Ceci permet:

• d’augmenter les qualités nutritionelles (ex: le riz = augmentation de la teneur en vitamine A)
• la résistance à certaines maladies (ex: maïs)
• des propriétés de tolérance à des conditions de cultures difficiles (résistance à la sécheresse, sols chargés en sels etc..)
• l’augmentation de la durée de conservation (ex: tomate)
• la tolérance à une forte quantité d’herbicide (ex: Colza)

L’ensemble du chapitre en texte à trous auto-correctif.

III/ Des conséquences de la domestication au niveau génotype

IV/ Domestication végétale et conséquences biologiques sur l’évolution des populations

Pour aller plus loin :

• Article « La lutte pour sauver le riz traditionnel indien » Pour la Science Avril 2020

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Savoir : Les pratiques culturales (par exemple pour la production de graines) constituent un enjeu majeur pour nourrir l’humanité.La sélection (empirique ou programmée) exercée par l’être humain sur les plantes cultivées au cours des siècles a retenu des caractéristiques différentes de celles qui étaient favorables à leurs ancêtres sauvages. Cette sélection s’est opérée au cours de l’établissement d’une relation mutualiste entre plantes et êtres humains.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 résultede mutations dans des gènes particuliers. L’étude des génomes montre un appauvrissement global de la diversité allélique lors de la domestication. La perte de certaines caractéristiques des plantes sauvages (comme des défenses chimiques ou des capacités de dissémination) et l’extension de leur culture favorisent le développement des maladies infectieuses végétales. Ces fragilités doivent être compensées par des pratiques culturales spécifiques. L’exploitation des ressources génétiques (historiques ou sauvages si elles existent) permet d’envisager de nouvelles méthodes de cultures (réduction de l’usage des intrants, limitation des ravageurs par lutte biologique).La domestication des plantes, menée dans différentes régions du monde, a eu des conséquences importantes dans l’histoire des populations humaines. Elle a contribué à la sélection de caractères génétiques humains spécifiques.      

Savoir faire :

• Conduire un projet pour suivre une culture de semences commerciales sur plusieurs générations, en prévoyant un protocole de comparaison des productions obtenues.
• Identifier des caractères favorisés par la domestication (taille, rendement de croissance, nombre des graines, précocité, déhiscence, couleur…).
• Recenser, extraire et organiser des informations sur des exemples d’utilisation de biotechnologies pour créer de nouvelles variétés: transgénèse, édition génomique…Recenser, extraire et exploiter des informations concernant des mécanismes protecteurs chez une plante sauvage (production de cuticules, de toxines, d’épines…) et les comparer à ceux d’une plante cultivée.
• Recenser, extraire et exploiter des informations relatives aux risques induits par l’homogénéisation génétique des populations végétales (sensibilité aux maladies:crise de la pomme de terre en Irlande, conséquence d’une infection virale chez la banane…).
• Analyser des informations sur la quantité d’amylase salivaire ou sur les gènes de synthèse des omégas 3 dans les populations humaines et établir le lien entre ces éléments et le régime alimentaire de ces populations.

Mots clés

plante sauvage, plante domestiquée, diversité génétique, sélection artificielle, coévolution, évolution culturelle

Notions fondamentales : plante sauvage, plante domestiquée, diversité génétique, sélection artificielle,
coévolution, évolution culturelle.

Les pratiques culturales (par exemple pour la production de graines) constituent un enjeu majeur pour nourrir l’humanité.
La sélection (empirique ou programmée) exercée par l’être humain sur les plantes cultivées au cours des siècles a retenu des caractéristiques différentes de celles qui étaient favorables à leurs ancêtres sauvages. Cette sélection s’est opérée au cours de l’établissement d’une relation mutualiste entre plantes et êtres humains.
Aujourd’hui, de nombreuses techniques favorisent la création de plus en plus rapide de nouvelles variétés végétales (par hybridation, par utilisation des biotechnologies, etc.). 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. L’étude des génomes montre un appauvrissement global de la diversité allélique lors de la domestication. La perte de certaines caractéristiques des plantes sauvages (comme des défenses chimiques ou des capacités de dissémination) et l’extension de leur culture favorisent le développement des maladies infectieuses végétales. Ces fragilités doivent être compensées par des pratiques culturales spécifiques.

Article « La lutte pour sauver le riz traditionnel indien » Pour la Science Avril 2020

L’exploitation des ressources génétiques (historiques ou sauvages si elles existent) permet d’envisager de nouvelles méthodes de cultures (réduction de l’usage des intrants, limitation des ravageurs par lutte biologique).
La domestication des plantes, menée dans différentes régions du monde, a eu des conséquences importantes dans l’histoire des populations humaines. Elle a contribué à la sélection de caractères génétiques humains spécifiques.