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Membracidés : un nouveau plan d'organisation chez les insectes

mis à jour le 06/04/2012


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Des animaux, appartenant au groupe des insectes, présentent une modification de leur plan d'organisation par l'apparition et le développement extraordinaire d'un troisième appendice particulier appelé 'casque'...
Cette ressource est basée sur les travaux récents de Benjamin Prod'homme, chercheur en biologie du développement à l'Université de Marseille-Luminy.

mots clés : membracidae, ailes, insectes, développement, gènes, terminale S, évolution,


Centrotus cornutus (membracidé) - 1cm -  Maine et LoireContexte officiel et objectifs :

Cette ressource s'intègre dans la partie 1-A2 du programme de Terminale S (programme en vigueur à la rentrée 2012) :

" Diversification génétique et diversification des êtres vivants " et plus précisément : "S'agissant des gènes impliqués dans le développement, des formes vivantes différentes peuvent résulter de variations dans la chronologie et l'intensité d'expression de gènes communs, plus que d'une différence génétique."

Au travers cette approche documentaire illustrée, les objectifs sont :

- de mettre en contact les élèves avec des sujets et des supports de recherche récents et actuels,

- de permettre la reflexion sur la mise en place d'un nouveau plan d'organisation et son contrôle, non pas par de nouveaux
gènes mais par la régulation de l'expression des gènes du développement déjà présents,

- d'enrichir la notion de biodiversité par l'étude d'espèces peu connues.

Les documents présentés pourront être utilisés dans le cadre d'une tâche complexe ou faire l'objet de QCM.



Préalables :

Les insectes montrent généralement un plan d'organisation avec un corps en 3 parties, 3 paires de pattes (une paire par segment thoracique) et 2 paires d'ailes...

Le plan d'organisation des membracidés montre, quant à lui, un appendice supplémentaire connecté au premier segment thoracique.

Afin de bien appréhender cette ressource, on peut regrouper les documents suivants en 2 grandes parties. Une troisième partie donne un exemple de formulation d'une tache complexe visant l'exploitation de ces documents :

1ère partie
: une nouvelle structure chez les insectes : le casque des membracidés
Le casque correspond-il vraiment à un nouvel organe ou bien est-il homologue des ailes ?
Les documents 1 à 4 permettront d'élucider cette question.

2ème partie : le contrôle de la mise en place de cette nouvelle structure.
De nouveaux gènes ont-il été nécessaires pour faire apparaître ce casque ou bien s'agit-il d'une régulation différentes de gènes pré-existants ?
Les documents 5 à 7 apporteront des élèments de réponse.

3ème partie : Exemple d'exploitation - formulation "tache complexe" et compléments

Crédits

1ère Partie - Une nouvelle structure anatomique chez les insectes : le casque des membracidés


>> Le casque et les ailes d'un membracidé (document 1) :
Vue d'ensemble (c) et détail du casque (d) et d'une aile (e) de Campylenchia latipes (1cm) - Membracidae


>> Développement du thorax d'un membracidé (document 2) :

Détails du thorax aux stades larvaires 1 et 5 du développement d'un membracidé vus au microscope électronique à balayage.

     Stade larvaire 1 (chaque segment thoracique correspond une couleur)        Stade larvaire n°5 ; H = Helmet(casque) ;  W = Wings (ailes)    
      a : Stade larvaire 1 (T1, T2, T3 : segments thoraciques) ;       b : Stade larvaire 5 ; H = Helmet (casque) ; W = Wings (ailes).



>> Les connexions casque/thorax et aile/thorax (document 3) :

Détails vus à la loupe binoculaire de la jonction aile-thorax (a et b) et de la jonction casque-thorax (c et d)


Une structure similaire est observée pour l'articulation du casque et de l'aile : une petite pièce sclérifiée, comparable en taille et en aspect, est intégrée au sein d'un espace cuticulaire plus souple et plus fin (flêche).



>> Film du développement d'un membracidé (document 4) :

Film du développement d'un membracidé     

Développement du membracidé Publilia modesta. Pour accéder à quelques annotations du film, cliquez sur les imagettes.
(shed = mue; to unfold = se développer, se déplier; wings = ailes; helmet = casque; veins = nervures).
La durée réelle du film est indiquée en bas à gauche des imagettes.


2ème Partie - Contrôle de la mise en place de cette nouvelle structure


>> Localisation de l'expression des gènes du développement des ailes (document 5) :

Chez tous les insectes, le développement des ailes sur les segments T2 et T3 fait intervenir une série de gènes dont le premier est le gène NUB puis les gènes DLL et HTH.

Les photographies ci-dessous ont été obtenues par marquage et localisation de l'expression des gènes de développement des ailes par anticorps spécifiques.

Au cours du développement d'un membracidé :

Au cours du développement d'un coléoptère (carabidé) :



>> Contrôle de l'activité des gènes de mise en place des ailes (document 6) :


Developpement d'un coléoptère (carabidé) :

Développement d'un membracidé :




>> Rôle du gène SCR des membracidés (document 7) :

Dans un élevage ont obtient 2 lots de drosophiles :

- le premier lot est issu d'oeufs et de larves de drosophiles dont l'expression du gène SCR d'origine est amplifiée,

- le deuxième lot est constitué de drosophiles après surexpression du gène SCR de membracidé préalablement introduit dans une larve de drosophile.


 e- Drosophile issue du premier lot;  f- drosophile issue du second lot; g- détail du thorax de la drosophile f (les flêches montrent que le développement des ailes est bloqué).

3ème Partie - Exemple d'exploitation en forme de tâche complexe


Vous êtes chercheur en biologie du développement à l'université et vous travaillez sur des animaux un peu particuliers : les membracidae.

Vous découvrez que ces animaux, appartenant au groupe des insectes, présentent une modification de leur plan d'organisation par l'apparition et le développement extraordinaire d'une 3ème paire d'ailes originale et modifiée en une structure appelée 'casque'.

Devant vos confrères chercheurs vous devez présenter vos documents et les arguments pour :

1) Montrer que ce 'casque' des membracidae correspond bien à une 3ème paire d'ailes modifiée.

2) Montrer que ce changement de plan d'organisation n'est pas dû à une modification du gène de développement contrôlant l'apparition des ailes dans le premier segment thoracique de l'insecte.



Complément concernant le gène SCR et son action :

Document montrant l'évolution du lien régulatoire entre le gène SCR et le développement des appendices thoraciques dorsaux :

- Le nœud n°1 montre la présence du gène Scr dans le segment thoracique T1 (le gène Scr ne s'exprime que dans les segments antérieurs (tête et T1), et non sur des segments plus postérieurs (donc ni T2 ni T3). En revanche d'autres gènes de la famille Hox (à laquelle appartient Scr) s'expriment dans ces segments plus postérieurs (T2, T3 et les segments abdominaux).

- Le noeud n°2 montre la mise en place des gènes des appendices alaires dans les 3 segments thoraciques ;

- Le nœud n°3 montre la mise en place de l'interaction entre le produit de Scr et le gène de l'appendice alaire de T1;

- Enfin le noeud n°4 présente la rupture de l'interaction entre le produit de Scr et le gène de l'appendice alaire de T1 qui ce serait produit chez les membracidés et leur ancêtre commun.


Crédits


>> Avec l'aimable autorisation et la collaboration de Mr Benjamin Prod'homme, Institut de Biologie du Développement de Marseille-Luminy, CNRS UMR 6216, case 907, Parc scientifique de Luminy.

>> Toutes les données sont visibles dans l'article de la revue Nature du 05 Mai 2011 :
Body plan innovation in treehoppers through the evolution of an extra wing-like appendage.
http://www.nature.com/nature/journal/v473/n7345/full/nature09977.html
 
auteur(s) :

Buron-Mousseau Franck - Lycée Chevrollier - Angers, Enseignant

information(s) pédagogique(s)

niveau : Terminale S

type pédagogique : article

public visé : enseignant

contexte d'usage : non précisé

référence aux programmes : Terminale S. Thème 1-A-2 : Diversification génétique et diversification des êtres vivants

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