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Rubrique Au Lycée

Des phénotypes différents chez les cyanobactéries en fonction des radiations lumineuses de leur environnement

Le 7 janvier 2005 - Aliette Juillon, Geoffray Desmidt

Ce TP s’incrit dans la partie du programme de 1°S "Du génotype au phénotype, relation avec l’environnement".

Il a été conçu par l’IUFM de Clermont-Ferrand (une fiche détaillée est téléchargeable sur leur site : http://www.auvergne.iufm.fr/EPE/SVT/FC/index.asp).

Dans ce TP on travaille avec une souche de cyanobactéries (Synéchocystis sp) qui ont la particularité de changer de couleur en fonction de la longueur d’onde des radiations lumineuses de leur environnement.

Le but de la manipulation est de montrer la complexité des relations existant entre le génotype d’un individu, son phénotype et les conditions de l’environnement dans lequel il vit.

Principe de la manipulation : On met en culture, pendant 3 semaines, des cyanobactéries de la même souche Synéchocystis dans trois environnements lumineux différents :

- lumière rouge.
- lumière verte.
- lumière naturelle.

Au bout de 3 semaines les cyanobactéries, qui se sont multipliées, présentent des couleurs différentes en fonctions des conditions d’éclairement dans lesquelles elles étaient placées :

- les cyanobactéries placées sous lumière naturelle paraissent grises sombre.
- les cyanobactéries placées sous lumière rouge paraissent vertes.
- les cyanobactéries placées sous lumière verte paraissent grises.

Comment expliquer cette adaptation chromatique lors de l’exposition des cyanobactéries à des radiations lumineuses de longueurs d’ondes différentes ?

Les cyanobactéries sont capables de faire la photosynthèse grâce à différents pigments : la chlorophylle a (verte), les carotènes (jaune-orange), mais aussi grâce à d’autres pigments de nature protéique : les phycobiliprotéines : phycocyanines (bleues), phycoérythrines (rouges) allophycocyanines et phycoérythrocyanines. Les pigments photosynthétiques sont rassemblés en "antennes réceptrices de lumière" dans les thylakoïdes de la bactérie.
Ce sont tous ces pigments qui donnent leur couleur aux bactéries.
Les différentes phycobiliprotéines sont codées par des gènes différents.

Les radiations lumineuses influenceraient l’expression des gènes codant pour les pigments de nature protéique, d’où un phénotype différent pour chaque longueur d’onde.

Pour vérifier cette hypothèse on réalise alors une chromatographie. Si notre hypothèse est vraie, nous devrions trouver des pigments protéiques différents en fonction des conditions d’éclairement dans lesquelles étaient placées nos cyanobactéries.

Protocole expérimental :

1/ La mise en culture des cyanobatéries

Matériels nécessaires : Des cyanobactéries, un milieu de culture, 3 erlenmeyers stériles, un pipette stérile, du coton cardé, une source de chaleur (bec bunsen ou chauffe tube), un cache tansparent vert, un cache transparent rouge, des élastiques.
N.B : Pour les caches on peut utiliser des protèges cahiers ou du plastique à recouvrir les livres.

Quelques précaution sont à prendre lors de la mise en culture :
- nettoyer le plan de travail à l’eau de javel et à l’alcool.
- bien se laver les mains à l’alcool.
- travailler à proximité d’une source de chaleur.

Etape 1 : Préparer le milieu de culture : verser un peu de milieu de culture dans chacun des erlenmeyer.

Etape 2 : Prélever le plus stérilement possible les cyanobactérie à l’aide d’une pipette et les déposer dans leur milieu de culture.
Boucher ensuite l’erlenmeyer avec du coton cardé ou de la ouate stérile.

Etape 3 : Placer les caches de couleur (rouge et vert) sur deux des trois erlenmeyers contenant la culture de cyanobactéries.
Les cyanobactéries devront être cultivées à une température de 25°C et avec un éclairage permanent.

Attendre ensuite 3 semaines que les cyanobactéries se développent.

3 semaines plus tard....on retire les caches de couleur.

2/ Réalisation de la chromatographie

Matériels nécessaires : Une cuve à chromatographie, plaque de silice pour chromatographie (l’utilisation de papier à chromatographie est possible mais les pigments sont nettement moins visibles), du solvant pour faire migrer les pigment (la composition de ce solvant est donnée sur le livre de Didier Pol), un verre de montre, un agitateur en verre.

Etape 1 : Déposer quelques mL de la culture de cyanobactéries dans un verre de montre, puis à l’aide d’un agitateur, broyer les cyanobactéries.
On peut également utiliser une centrifugeuse pour cette étape.

Etape 2 : Remplir la cuve à chromatographie, sur 2 ou 3 cm d’épaisseur, avec le solvant qui servira à faire migrer les pigments.

Etape 3 : Préparer la plaque de silice (ou la papier à chromatographie) en traçant un trait au crayon à 2 cm du bord.
Puis déposer quelques gouttes de cyanobactéries broyées au milieu du trait. Le dépôt doit être bien foncé (donc recommencer l’opération si nécessaire).
Attention ; il faut bien attendre que la tâche soit sèche avant de commencer à faire migrer les pigments.

Etape 4 : Placer la plaque de silice (ou le papier à chromatographie) dans la cuve, et laisser migre le solvant pendant environ 1 heure.
La migration devra se faire à l’obscurité (les pigment se dégradent très rapidement à la lumière), il faudra donc couvrir la cuve ( ou la colonne) à l’aide d’un cache opaque.

Une heure après la migration et la séparation des pigments montrent que le cyanobactéries cultivées dans des environnements lumineux différents présentent des protéines pigmentaires (phycobiliprotéines) différentes.

Les cyanobactéries cultivées sous lumière verte possèdent la phycoérythrine en abondance. La phycoérythrine présente un maximum d’absorption pour la longueur d’onde du vert (500-550 nm). En revanche la phycocyanine est peu présente.

Les cyanobactéries cultivées sous lumière rouge possèdent la phycocyanine en abondance. La phycocyanine présente un maximum d’absorption pour la longueur d’onde du rouge (600-650 nm). En revanche la phycoérythrine est peu présente.

Les cyanobactéries cultivées sous lumière naturelle possèdent à la fois la phycoérythrine et la phycocyanine en abondance afin que l’absorption soit maximale dans tout le spectre lumineux.

La lumière agit donc sur l’expression des gènes contôlant la synthèse des pigments protéiques.
Ainsi, un même génotype peut-être à l’origine de phénotypes différents suivant les conditions environnementales dans lesquelles sont placés les individus.