Exercices corrigés : les divisions cellulaires des eucaryotes (Première spécialité SVT)

Réponse C.

Les deux chromatides sont les deux copies d'une même molécule d'ADN, produites par la réplication en phase S : elles portent la même séquence, aux très rares erreurs de réplication près.

Piège : la réponse B confond les deux chromatides d'un chromosome avec les deux chromosomes homologues d'une paire, l'un d'origine paternelle, l'autre d'origine maternelle.

Réponse A.

En métaphase, la réplication est faite mais les chromatides ne sont pas encore séparées : la cellule garde $2n=16$ chromosomes, chacun à deux chromatides, soit 32 chromatides.

Piège : la réponse D compte les chromatides comme des chromosomes. On compte un chromosome par centromère.

Réponse B.

La phase S (synthèse) est la partie de l'interphase où l'ADN est répliqué. G1 la précède, G2 la suit ; la mitose ne fabrique pas d'ADN, elle le répartit.

Réponse D.

Les chromosomes se condensent en prophase et atteignent leur condensation maximale vers la métaphase, ce qui les rend visibles et comptables au microscope optique. En interphase (G1, S, G2), ils sont décondensés et le noyau paraît homogène.

Réponse B.

Haploïde ($n$) veut dire un seul exemplaire de chaque paire de chromosomes ; diploïde ($2n$), deux exemplaires de chaque paire.

Piège : A est faux, une cellule haploïde peut avoir des chromosomes à deux chromatides, par exemple juste après la première division de méiose ou après une réplication. C est faux aussi : chez les plantes, les cellules haploïdes du grain de pollen se divisent par mitose.

Réponse A.

La mitose est une reproduction conforme : chaque cellule fille reçoit une chromatide de chaque chromosome, donc le même nombre et la même forme de chromosomes que la cellule mère, c'est-à-dire le même caryotype.

C est faux : à la fin de la mitose, les chromosomes des cellules filles n'ont qu'une chromatide.

Réponse C.

La méiose enchaîne deux divisions après une seule réplication : une cellule diploïde donne quatre cellules haploïdes, à $n=12$ chromosomes chez le lis.

Piège : la réponse A s'arrête à la première division.

Réponse B.

Le fuseau est un ensemble de fibres tendues entre deux pôles ; les chromosomes s'y accrochent par le centromère et sont déplacés vers les pôles. Il se forme à chaque division, mitose comme méiose. Son étude détaillée n'est pas au programme de Première.

1 : pôle du fuseau, où convergent les fibres.

2 : fibre du fuseau, qui relie le centromère d'un chromosome à un pôle.

3 : plaque équatoriale, le plan médian où les centromères sont alignés.

4 : membrane plasmique, la limite de la cellule.

Piège : le pointillé 3 n'est pas une structure de la cellule, c'est un plan repéré par l'alignement des centromères. On ne le confond pas avec une enveloppe.

5 : une chromatide. 6 : le centromère, qui réunit les deux chromatides.

L'objet agrandi est un chromosome à deux chromatides : UN chromosome, puisqu'il n'a qu'un centromère.

C'est la métaphase.

Première observation : les chromosomes sont alignés par leur centromère sur la plaque équatoriale.

Deuxième observation : ils sont condensés et ont encore deux chromatides, et l'enveloppe nucléaire a disparu.

En anaphase, les chromatides seraient séparées et en route vers les pôles ; en prophase, les chromosomes ne seraient pas alignés.

On compte un chromosome par centromère : 4 chromosomes dessinés.

Chacun a deux chromatides : $4\times 2=8$ chromatides.

Une chromatide est une molécule d'ADN (associée à des protéines) : 8 molécules d'ADN.

Les deux couleurs montrent deux paires d'homologues : la cellule dessinée est diploïde, à $2n=4$ dans ce schéma.

La cellule réelle garde ses $2n=16$ chromosomes en métaphase.

Chacun à deux chromatides : $16\times 2=32$ chromatides, donc 32 molécules d'ADN.

Piège : répondre 32 chromosomes, c'est compter les chromatides. Le nombre de chromosomes ne double jamais à la phase S : c'est la quantité d'ADN qui double.

Le cycle dure $9+6+3+2=20$ h.

L'interphase regroupe G1, S et G2 : $9+6+3=18$ h.

La cellule passe 90 % de son cycle en interphase : c'est pourquoi la plupart des cellules d'une préparation sont en interphase (exercice 6).

On compte un chromosome par centromère.

Moment 1 (G1) : 16 chromosomes à une chromatide.

Moment 2 (G2) : toujours 16 chromosomes, mais à deux chromatides.

Moment 3 (métaphase) : 16 chromosomes à deux chromatides.

Moment 4 (anaphase) : les deux chromatides de chaque chromosome se sont séparées et chacune a son centromère : 32 chromosomes à une chromatide, 16 en route vers chaque pôle.

Piège : écrire 16 en anaphase. La cellule est encore unique, et elle contient alors deux lots complets de 16 chromosomes.

Une chromatide est une molécule d'ADN.

Moment 1 : 16 molécules. Moments 2, 3 et 4 : 32 molécules.

Entre G2 et l'anaphase, le nombre de molécules d'ADN ne change pas : seule leur répartition change. Le nombre de chromosomes passe de 16 à 32 sans aucune synthèse d'ADN.

La phase S, entre les moments 1 et 2, réplique tout l'ADN : la quantité au moment 2 vaut $2Q$.

La mitose partage cet ADN en deux lots identiques : chaque cellule fille reçoit $Q$, la quantité de la cellule mère en G1.

Le cycle peut ainsi recommencer à l'identique, génération après génération.

Aux moments 3 et 4 seulement, c'est-à-dire pendant la mitose.

Les chromosomes se condensent en prophase et restent condensés jusqu'à la télophase : ils forment alors des bâtonnets distincts que le colorant rend visibles.

Aux moments 1 et 2 (interphase), ils sont décondensés : le noyau paraît uniformément coloré et on ne peut pas les distinguer ni les compter.

Cellule B : anaphase de mitose. Cellule C : anaphase de la première division de méiose. Cellule A : anaphase de la deuxième division de méiose.

Méthode : regarder d'abord le nombre de chromatides des chromosomes qui migrent, puis les couleurs.

Dans B, chaque pôle reçoit une chromatide de chacun des quatre chromosomes : les deux chromatides d'un même chromosome se sont séparées. Chaque pôle reçoit donc les deux couleurs de chaque paire.

Dans C, les chromosomes qui migrent ont encore deux chromatides : ce sont les deux homologues de chaque paire qui se séparent, un vers chaque pôle.

Piège : se fier à la taille de la cellule ou au nombre total de chromosomes. Le critère qui tranche est ce qui se sépare : chromatides (mitose, méiose II) ou homologues (méiose I).

A : 2 chromosomes à une chromatide vers chaque pôle (la cellule de départ est déjà haploïde, $n=2$).

B : 4 chromosomes à une chromatide vers chaque pôle.

C : 2 chromosomes à deux chromatides vers chaque pôle.

Mitose : 2 cellules à 4 chromosomes, le caryotype de la cellule mère.

Méiose : deux divisions successives, donc $2\times 2=4$ cellules, à $n=2$ chromosomes chacune.

Piège : oublier la deuxième division et annoncer deux cellules haploïdes.

Les cellules filles de A sont haploïdes : un seul chromosome de chaque paire.

Celles de B sont diploïdes : la mitose conserve les deux exemplaires de chaque paire.

Remarque : la cellule C produit déjà deux cellules haploïdes, à chromosomes à deux chromatides. C'est la première division de méiose qui réduit le nombre de chromosomes ; la seconde sépare les chromatides.

Un plan possible, en trois parties, avec les éléments attendus.

Introduction : une cellule eucaryote se multiplie par mitose ; on se demande comment les deux cellules filles reçoivent exactement le même nombre de chromosomes et la même information génétique que la cellule mère.

I. L'interphase prépare la division : en G1, chaque chromosome a une chromatide, une molécule d'ADN ; en phase S, l'ADN est répliqué, la quantité passe de $Q$ à $2Q$ (document 1) ; en G2, chaque chromosome a deux chromatides identiques réunies par le centromère (document 2). Le nombre de chromosomes n'a pas changé.

II. La mitose répartit : prophase (condensation des chromosomes), métaphase (alignement sur la plaque équatoriale, accrochés au fuseau), anaphase (séparation des deux chromatides de chaque chromosome, qui migrent vers des pôles opposés), télophase (décondensation, division du cytoplasme). Chaque cellule fille reçoit une chromatide de chaque chromosome : la quantité d'ADN revient à $Q$.

III. Le résultat : deux cellules au caryotype de la cellule mère (même nombre, même forme de chromosomes) et à la même information génétique, puisque les deux chromatides sont des copies l'une de l'autre. Exemple : une cellule de racine d'ail ($2n=16$) donne deux cellules à 16 chromosomes.

Conclusion : réplication puis séparation des chromatides, c'est la reproduction conforme. Une succession de mitoses produit un ensemble de cellules identiques, un clone ; les rares erreurs de réplication (mutations) sont la seule source de différence.

Vocabulaire exigible : chromosome, chromatide, centromère, condensation, décondensation, phase S, réplication, fuseau, plaque équatoriale, caryotype, diploïde, cellule fille.

Grille : organisation (introduction qui pose le problème, parties dans l'ordre du cycle, conclusion qui répond) ; exactitude et complétude (réplication en S, séparation des chromatides en anaphase, conservation du nombre de chromosomes) ; un exemple chiffré et un schéma légendé.

Piège : décrire les quatre phases de la mitose sans jamais parler de la phase S. Sans réplication, il n'y aurait rien à partager : l'exposé perd alors la moitié de l'explication demandée.

La réplication qui produit deux chromatides identiques, puis leur séparation en anaphase, une vers chaque cellule fille.

La séparation des homologues est le propre de la première division de méiose ; la condensation et le partage du cytoplasme accompagnent la division sans garantir l'identité de l'information.

A : télophase (deux lots de chromosomes aux pôles, le cytoplasme se divise, les enveloppes nucléaires se reforment).

B : interphase (noyau limité par son enveloppe, nucléole, aucun chromosome individualisé).

C : métaphase (chromosomes à deux chromatides alignés sur la plaque équatoriale).

D : prophase (chromosomes condensés, dispersés dans le noyau dont l'enveloppe est encore dessinée).

E : anaphase (chromosomes à une chromatide en migration vers les deux pôles).

Méthode : je vois (la forme et la position des chromosomes), je sais (ce qui définit chaque phase), j'en déduis la phase.

Cellules en division : $22+6+4+8=40$ sur 400.

L'indice mitotique du méristème vaut 10 %.

Dans ce modèle, durée d'une phase = (part des cellules dans la phase) $\times$ (durée du cycle).

Mitose : $\dfrac{40}{400}\times 20\ \mathrm{h}=2\ \mathrm{h}=120\ \mathrm{min}$

Prophase : $\dfrac{22}{400}\times 1200\ \mathrm{min}=66\ \mathrm{min}$

Anaphase : $\dfrac{4}{400}\times 1200\ \mathrm{min}=12\ \mathrm{min}$

On retrouve les 2 h de mitose du cycle de l'exercice 3 : les deux méthodes concordent.

Piège : oublier de convertir. 20 h valent 1 200 min, et une phase de 0,2 h n'est pas une phase de 0,2 min.

Limite : c'est un modèle. Dans un tissu en croissance, les cellules jeunes sont un peu plus nombreuses que les âgées, et 400 cellules donnent une estimation, pas une mesure exacte : 4 anaphases de plus ou de moins changent la durée de 12 min.

Non. Je vois 0 division sur 300 cellules ; j'en déduis seulement que l'indice mitotique y est très faible, inférieur à environ 1 sur 300, contre 1 sur 10 dans le méristème.

Un échantillon de 300 cellules ne permet pas d'exclure de rares divisions.

Les divisions sont donc concentrées dans le méristème, juste derrière la coiffe ; la zone d'élongation fait grandir la racine par allongement des cellules. On prélève l'extrémité pour avoir le plus de cellules en division sur la lame.

Piège : conclure plus fort que les données, en écrivant « les cellules de la zone d'élongation ne se divisent jamais ».

Avec la proportionnalité de la question c, la phase la plus souvent observée est la plus longue : la prophase dure 66 min, plus que la métaphase (18 min), la télophase (24 min) et l'anaphase (12 min).

Ce n'est pas une question de visibilité : les chromosomes sont même mieux individualisés en métaphase.

Je vois une chute brutale de la quantité d'ADN à 23 h, puis à 46 h : d'une chute à la suivante, le cycle dure $46-23=23$ h.

La quantité double entre 10 h et 18 h : la phase S dure $18-10=8$ h.

On en tire aussi G1 (de 0 à 10 h, 10 h) et l'ensemble G2 et mitose (de 18 à 23 h, 5 h).

Entre 10 h et 18 h, la quantité passe de 1 à 2 u.a. : c'est la réplication de l'ADN, en phase S. Elle est progressive, la cellule copie son ADN pendant 8 h.

À 23 h, la quantité retombe de 2 à 1 u.a. en une fois : la cellule s'est divisée, et la courbe suit désormais UNE des deux cellules filles, qui a reçu une chromatide de chaque chromosome.

Piège : écrire que l'ADN est « détruit » à la mitose. Il est partagé : l'autre cellule fille en a reçu autant.

Classe I, pic à 1 u.a. : cellules en G1, ADN non répliqué.

Classe II, entre 1 et 2 u.a. : cellules en phase S, en cours de réplication.

Classe III, pic à 2 u.a. : cellules en G2 ou en mitose, ADN répliqué. Cette mesure ne sépare pas G2 de la mitose, qui ont la même quantité d'ADN jusqu'à la division.

Je sais que, dans ce modèle, la part des cellules dans une étape est égale à la part du cycle qu'elle dure.

De même, G1 : $0{,}435\times 23\approx 10{,}0$ h, et G2 avec la mitose : $0{,}217\times 23\approx 5{,}0$ h.

J'en déduis que les deux méthodes concordent : 8 h de phase S, mesurées sur une cellule suivie (document 1) comme sur une population à un instant donné (document 2).

Limite : le modèle suppose une population en régime permanent ; dans une culture en croissance, il donne une bonne approximation.

Une cellule de classe III a répliqué son ADN sans s'être encore divisée : elle a toujours 46 chromosomes, chacun à deux chromatides.

Molécules d'ADN : $46\times 2=92$.

Piège : répondre 92 chromosomes.

Faux.

La phase S double la quantité d'ADN, de $Q$ à $2Q$, mais pas le nombre de chromosomes : une cellule d'ail garde 16 chromosomes, qui passent d'une à deux chromatides.

Correction : « La phase S double la quantité d'ADN ; chaque chromosome passe d'une à deux chromatides. »

Faux.

En anaphase, les deux chromatides de chaque chromosome se séparent et chacune devient un chromosome à une chromatide : la cellule contient alors $2\times 16=32$ chromosomes, 16 en route vers chaque pôle.

Correction : « En anaphase, la cellule contient 32 chromosomes à une chromatide, 16 migrent vers chaque pôle. »

Piège : on compte par centromère, et non par « chromosome de la cellule mère ».

Vrai.

Chaque cellule fille reçoit une chromatide de chaque chromosome : même nombre, même taille et même position du centromère, donc même caryotype. C'est la reproduction conforme ; une erreur de répartition est possible mais rare.

Faux.

Les chromosomes ne sont individualisés et visibles qu'une fois condensés, de la prophase à la télophase. En interphase, soit 90 % du cycle de l'ail (exercice 3), ils sont décondensés et le noyau paraît homogène.

Correction : « Les chromosomes ne sont visibles que pendant la division, quand ils sont condensés. »

Vrai.

Juste après la première division de méiose, chaque cellule a $n=12$ chromosomes, un de chaque paire : elle est haploïde, et ses chromosomes ont encore deux chromatides, séparées à la deuxième division.

Piège : croire qu'haploïde veut dire « à une chromatide ». Haploïde parle du nombre d'exemplaires de chaque paire, pas du nombre de chromatides.

Je lis : 29 % avec colchicine, 3 % dans le témoin, 6 h après l'ajout.

Le témoin reste vers 3 % pendant les 8 h : c'est la proportion normale de cellules en métaphase dans cette culture.

La courbe avec colchicine est presque une droite, de 3 % à 0 h jusqu'à 29 % à 6 h.

$\dfrac{29-3}{6}\approx 4{,}3$ points de pourcentage par heure.

Piège : diviser 29 par 6, en oubliant que 3 % des cellules étaient déjà en métaphase au départ.

Une cellule sur 23 : $\dfrac{1}{23}\times 100\approx 4{,}3\ \%$ par heure.

Oui : c'est la valeur de la question b. Chaque heure, les cellules qui entrent normalement en mitose s'ajoutent à celles qui sont déjà bloquées.

La colchicine ne crée pas de mitoses supplémentaires : les cellules y entrent au rythme normal, une sur 23 par heure. Mais elles n'en ressortent plus : sans fuseau, les chromatides ne sont pas tirées vers les pôles et la cellule reste bloquée au stade de la métaphase.

J'en déduis que la colchicine bloque les cellules en métaphase et les accumule.

C'est exactement le stade recherché pour un caryotype : les chromosomes y sont le plus condensés, chacun à deux chromatides bien individualisées, et la colchicine en fournit beaucoup sur une même lame.

Limite : une seule variable change entre les deux cultures, la présence de colchicine, ce qui autorise à lui attribuer l'effet ; mais l'expérience ne montre pas à elle seule le mécanisme, que donne l'énoncé.

Je compte 7 paires de chromosomes : $2n=14$ et $n=7$ pour le pois.

Bloqués en métaphase, les chromosomes ont deux chromatides : $14\times 2=28$ chromatides.

Les deux chromosomes d'une paire ont la même taille et le même centromère : ce sont des homologues.

Non.

Le lis et la tomate ont tous deux $2n=24$, le cheval ($2n=64$) en a plus que l'être humain ($2n=46$), le chat ($2n=38$) moins que le cheval.

Le nombre de chromosomes est une caractéristique de l'espèce, conservée par les mitoses ; il ne mesure pas la complexité d'un organisme.

Piège : conclure sur ce qu'on voudrait trouver plutôt que sur les données. Le caryotype identifie une espèce, il ne la classe pas.

Document 1 : les cellules de la paroi, qui font des mitoses, ont 24 chromosomes : $2n=24$ chez le lis.

Les cellules des tétrades ont 12 chromosomes : $n=12$, la moitié.

Jour 5 : 4 u.a. Jour 9 : 2 u.a. Jour 11 : 1 u.a.

La quantité double entre les jours 1 et 2 (une réplication), puis chute deux fois : au jour 8,5 de 4 à 2, au jour 9,5 de 2 à 1 (deux divisions).

B, D, A, C.

B : métaphase de première division, les chromosomes homologues sont associés par paires sur la plaque équatoriale.

D : anaphase de première division, les homologues de chaque paire se séparent, avec leurs deux chromatides.

A : anaphase de deuxième division, les chromatides se séparent dans une cellule qui n'a plus qu'un chromosome de chaque paire.

C : la tétrade, quatre cellules.

Deux divisions successives donnent $2\times 2=4$ cellules par cellule mère.

Elles ont 12 chromosomes, un de chaque paire : elles sont haploïdes.

Jour 0, cellule diploïde en G1 : 2 u.a. Jour 11 : 1 u.a.

Une cellule de tétrade a la moitié de l'ADN d'une cellule diploïde en G1, comme elle a la moitié de ses chromosomes.

Piège : comparer au maximum de la courbe (4 u.a.) et annoncer un quart. On compare deux cellules au même stade, avant toute réplication.

Un raisonnement possible, document par document.

Document 1 : je vois que les cellules de l'anthère qui se divisent par mitose ont 24 chromosomes, et les cellules des tétrades 12 ; je sais que la mitose conserve le nombre de chromosomes ; j'en déduis que les tétrades ne sont pas issues de mitoses, mais d'une division qui réduit de moitié le nombre de chromosomes.

Document 2 : je vois une seule réplication (de 2 à 4 u.a.), puis deux chutes successives de moitié ; j'en déduis deux divisions successives après une seule réplication.

Document 3 : je vois des homologues appariés puis séparés (B, D), puis des chromatides séparées (A), puis quatre cellules (C) ; c'est la suite d'une première division qui sépare les homologues et d'une seconde qui sépare les chromatides.

Mise en relation : à la première division, chaque cellule reçoit un chromosome de chaque paire, à deux chromatides (12 chromosomes, 2 u.a.) ; à la seconde, les chromatides se séparent (12 chromosomes à une chromatide, 1 u.a.).

Conclusion : une cellule mère diploïde ($2n=24$) donne quatre cellules haploïdes ($n=12$), avec la moitié de l'ADN d'une cellule en G1 : c'est une méiose.

Grille : extraction des informations utiles de chaque document, mise en relation avec les connaissances, conclusion qui répond au problème et non à un document isolé.