Introduction
La polyploïdie est un phénomène biologique fascinant, particulièrement répandu dans le règne végétal. Elle se caractérise par la présence de multiples jeux de chromosomes au sein d'une cellule ou d'un organisme. Cet article explore en profondeur l'autopolyploïdie, un type spécifique de polyploïdie, en détaillant sa définition, son mécanisme de formation, ses conséquences et en fournissant des exemples concrets. Nous aborderons également la distinction entre autopolyploïdie et allopolyploïdie, ainsi que la différence fondamentale entre polyploïdie et aneuploïdie.
Définition de la Polyploïdie
La polyploïdie est définie comme la condition dans laquelle un organisme possède des ensembles supplémentaires de chromosomes, c'est-à-dire plus que les deux jeux normaux de chromosomes homologues. Par exemple, si un organisme passe de diploïde (2n) à tétraploïde (4n), il a subi une polyploïdie. Le niveau de polyploïdie est décrit en référence à un nombre de base de chromosomes, généralement indiqué par "n", qui est défini comme le nombre de chromosomes dans un arrangement.
Pour mieux comprendre ce concept, il est essentiel de revoir quelques notions de base sur les gènes et les chromosomes. Les gènes sont de petits segments d'ADN codant pour des protéines, qui peuvent conduire à l'expression d'un caractère. Les gènes se trouvent à une position fixe (locus) sur un chromosome. Chaque chromosome contient une molécule linéaire d'ADN repliée plusieurs fois sur elle-même, ainsi que de l'acide ribonucléique (ARN) et des protéines. Les organismes peuvent avoir différentes formes d'un même gène, appelées allèles. Un organisme est considéré comme homozygote s'il possède deux allèles identiques pour un gène donné, et hétérozygote s'il possède deux allèles différents.
Les organismes diploïdes contiennent une paire de chromosomes homologues, l'un hérité de la mère et l'autre du père. Lorsqu'un chromosome homologue subit la réplication de l'ADN dans la phase S du cycle cellulaire, il en résulte la formation de chromatides sœurs. Lorsqu'une cellule ou un organisme possède deux jeux de chromosomes, on parle d'organisme diploïde (2n). La représentation conventionnelle de la constitution des chromosomes au sein du noyau est définie comme un caryotype cellulaire.
Types de Polyploïdie
Il existe deux types fondamentaux de polyploïdie : l'allopolyploïdie et l'autopolyploïdie.
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Allopolyploïdie
On parle d'allopolyploïdie lorsqu'un organisme possède des ensembles chromosomiques génétiquement distincts provenant d'au moins deux espèces différentes. Dans le cas de l'allopolyploïdie, les différents ensembles chromosomiques sont définis comme homéologues, ce qui signifie qu'ils ne sont que partiellement homologues. Des problèmes surviennent lorsqu'un individu porteur d'une mutation chromosomique s'accouple avec un individu qui n'a pas de mutations chromosomiques, ce qui entraîne la stérilité. Comme les ensembles chromosomiques ne sont pas homologues, l'hybride est stérile : l'appariement n'est pas possible et les gamètes ne sont pas viables. Le blé est un hexaploïde (6n) qui résulte de trois espèces diploïdes différentes, produisant un hybride stable appelé allopolyploïde.
Dans certaines plantes hybrides F1, en raison de l'absence de télophase, le doublement des chromosomes peut se produire, résultant en des cellules contenant un ensemble chromosomique qui est la somme des deux ensembles parentaux. L'arrangement diploïde assure un fonctionnement régulier de la méiose. L'autofécondation de ces gamètes donne naissance à des plantes fertiles, produites par une méiose régulière, appelées allotétraploïdes, avec deux ensembles diploïdes. La plante allotétraploïde se comporte alors comme une plante diploïde normale. Le doublement des génomes dans de tels croisements entraîne la perte de la stérilité, fréquente chez les hybrides, et l'acquisition de la fertilité.
Autopolyploïdie
On parle d'autopolyploïdie lorsque tous les ensembles chromosomiques présents appartiennent à la même espèce. Par exemple, si l'on a deux plantes diploïdes (2n) de la même espèce qui produisent des gamètes haploïdes (n), mais qu'en raison de l'absence de méiose dans l'une des deux plantes parentales, des gamètes diploïdes (2n) peuvent être générés. Le croisement entre les gamètes diploïdes (2n) et haploïdes (1n) produit un zygote triploïde (3n), dont dériveront à leur tour des gamètes haploïdes et diploïdes. Après autofécondation (2n × 2n), on obtient le zygote autotétraploïde (4n); ce dernier, comme les autres autopolyploïdes de nombre pair, a plus de chances d'être fertile car il peut avoir une méiose régulière. L'allopolyploïdie est plus fréquente que l'autopolyploïdie.
Aneuploïdie vs. Polyploïdie
Les organismes dont la disposition des chromosomes est complète ou normale sont appelés euploïdes. Les organismes portant des ensembles supplémentaires de chromosomes sont appelés polyploïdes, et le niveau de polyploïdie est décrit en référence à un nombre de base de chromosomes, généralement indiqué par "n". Ainsi, les diploïdes avec deux jeux de chromosomes ont 2n chromosomes, les triploïdes avec trois ont 3n arrangements, les tétraploïdes avec 4 ont 4n, et ainsi de suite.
En revanche, les organismes dont les chromosomes, ou les segments de chromosomes, sont sous-représentés ou surreprésentés sont appelés aneuploïdes. L'aneuploïdie se produit lorsqu'un organisme a un chromosome (ou un segment de chromosome) sous-représenté ou surreprésenté. La trisomie et la monosomie sont des exemples d'aneuploïdie. La trisomie signifie avoir 2n+1 chromosomes, tandis que la monosomie signifie avoir 2n-1 chromosomes.
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La principale distinction entre l'aneuploïdie et la polyploïdie est que l'aneuploïdie se réfère au changement numérique partiel du génome, généralement un seul chromosome, tandis que la polyploïdie se réfère au changement d'un ensemble complet de chromosomes. L'aneuploïdie implique un déséquilibre génétique, ce qui n'est pas le cas de la polyploïdie.
La cytogénétique, l'étude des chromosomes et de leur mode de transmission, a également répertorié divers types de changements structurels dans les chromosomes. Par exemple, un morceau de chromosome peut être joint à un autre chromosome ou un segment à l'intérieur d'un chromosome peut être inversé. Ces changements structurels sont appelés réarrangements. Comme ces réarrangements ségrégent de façon irrégulière au cours de la méiose, ils sont souvent associés à l'aneuploïdie.
Polyploïdie chez les Plantes: Exemples et Conséquences
La polyploïdie est particulièrement fréquente dans le règne végétal. Des milliers d'années de culture sélective et d'amélioration des plantes ont permis de créer des plantes alimentaires fertiles, qui sont généralement tétraploïdes et hexaploïdes. Les scientifiques estiment que les deux tiers des plantes à fleurs sont polyploïdes. La plupart des fougères et des herbes sont polyploïdes, tout comme les pommes de terre, les pommes et les fraises. De nombreuses plantes succulentes, ainsi que les plantes ornementales, celles issues de graines et de nombreux arbres fruitiers, sont polyploïdes.
La polyploïdie est souvent associée à la stérilité en raison de la difficulté d'appariement des chromosomes au cours de la méiose. L'effet le plus visible de cette condition est l'absence de graines dans les fruits comestibles, comme les bananes (3n). Cependant, le succès évolutif des espèces végétales polyploïdes peut résulter du fait que la polyploïdie, comme la duplication des gènes, fournit des copies supplémentaires de gènes; tandis qu'une copie continue à remplir sa fonction initiale, les autres peuvent évoluer en développant de nouvelles fonctions.
Les organismes polyploïdes peuvent apparaître spontanément ou être générés en modifiant expérimentalement l'appareil fusiforme lors de la division cellulaire. Ce résultat est obtenu grâce à l'utilisation de la colchicine, un alcaloïde isolé des graines de Colchique d'automne, qui, ajouté pendant la culture des cellules végétales, inhibe la formation du fuseau avec pour conséquence le blocage de la mitose. Ainsi, l'absence de migration des chromosomes vers les pôles détermine la formation d'un noyau tétraploïde (4n). En répétant plusieurs fois la même opération, on génère des noyaux polyploïdes.
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Parmi les plantes polyploïdes les plus connues, on trouve certaines variétés de plantes ornementales à grandes fleurs, comme les jacinthes, les tulipes et les narcisses. Les triploïdes et les tétraploïdes présentent notamment des caractéristiques de plus grande valeur que les plantes haploïdes ou diploïdes, liées surtout à l'augmentation du volume des cellules, des fruits et des étamines.
Exemples de Polyploïdie
Bien qu'elle soit plus rare, la polyploïdie existe également dans le règne animal. Les poissons, les reptiles et les insectes sont des exemples de polyploïdie chez les animaux.
Les bananes sont un exemple intéressant de polyploïdie. Les bananes sont triploïdes et habituellement, les organismes triploïdes ne peuvent pas se reproduire, car ils sont stériles. Cela signifie qu'il n'est pas possible d'obtenir des graines de banane pour semer d'autres bananes. Par conséquent, les agriculteurs coupent les pousses de la plante, avant qu'elles ne produisent des fruits et ne terminent leur cycle, et plantent une nouvelle génération.
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