Divisions cellulaires : cycle cellulaire, mitose et méiose

Chromosomes des eucaryotes (chromatides, centromère, homologues, condensation, caryotype), cycle cellulaire et quantité d’ADN, étapes de la mitose et fuseau de division, reproduction conforme et clone cellulaire, méiose et cellules haploïdes, durée des phases estimée par un comptage.

À propos de cette page

Six problèmes sur documents : réaliser le caryotype d’Arabidopsis, suivre le cycle de cellules de xénope, l’effet de la colchicine sur des racines de tournesol, une méiose dans une anthère de seigle, la mesure de l’ADN de milliers de cellules, les mâles haploïdes de l’abeille.

6 problèmes, du plus simple au plus difficile. Écris tes réponses, puis « Vérifier ».

Résoudre un problème : la méthode

Lire tous les documents et repérer leur nature : courbe de la quantité d’ADN, observation au microscope, comptage, caryotype.
Extraire les valeurs utiles en citant le document : durées lues sur l’axe du temps, quantités Q et 2Q, effectifs.
Compter chromosomes, chromatides et paires, puis comparer à 2n.
Croiser les documents : une quantité d’ADN ne distingue pas G2 de la mitose, l’observation des chromosomes le permet.
Conclure par une phrase qui répond à la question : type de division, durée d’une phase, ploïdie des cellules produites.

Problème 1 · Réaliser le caryotype d’une petite plante, Arabidopsis★★★Facile

Document 1 — Les chromosomes d’une cellule de racine d’Arabidopsis thaliana (2n = 10), photographiés dans une cellule en division, puis redessinés et notés de A à J.

Document 2 — Mesures données par le logiciel de caryotype (valeurs choisies pour l’exercice). L’indice centromérique est la longueur du bras court divisée par la longueur totale du chromosome : 0,50 pour un centromère au milieu, environ 0,25 pour un centromère nettement décalé vers une extrémité.

Chromosome	A	B	C	D	E	F	G	H	I	J
Longueur (µm)	2,6	3,2	1,8	2,7	2,1	2,5	3,1	2,6	1,8	2,1
Indice centromérique	0,50	0,49	0,44	0,25	0,31	0,48	0,50	0,26	0,46	0,30

Document 3 — La règle de classement. Les deux chromosomes d’une paire d’homologues ont la même longueur, à quelques pour cent près, et le même indice centromérique. Les paires sont numérotées de la plus longue (paire 1) à la plus courte.

1. Les chromosomes ont deux chromatides et sont très condensés : la cellule a été bloquée en .
En métaphase, les chromosomes sont au maximum de leur condensation : c’est le moment choisi pour un caryotype.
2. Le chromosome homologue de A est le chromosome
A : 2,6 µm et 0,50 ; F : 2,5 µm et 0,48. Même longueur à 0,1 µm près et centromère au milieu : F.
3. Avec la seule longueur, on apparierait A, à tort, avec le chromosome
H mesure aussi 2,6 µm, mais son indice (0,26) indique un centromère proche d’une extrémité : la longueur seule ne suffit pas.
4. Le chromosome homologue de D est le chromosome
D : 2,7 µm et 0,25 ; H : 2,6 µm et 0,26 : H.
5. La paire 1 est formée des chromosomes
Les plus longs : B (3,2 µm) et G (3,1 µm), indices 0,49 et 0,50 : B et G.
6. La paire formée de C et I porte le numéro
Paires dans l’ordre : B-G (3,15 µm en moyenne), D-H (2,65), A-F (2,55), E-J (2,1), C-I (1,8) : C et I forment la paire 5, la plus courte.
7. Nombre de chromatides de cette cellule :
10 chromosomes à deux chromatides : 20 chromatides, donc 20 molécules d’ADN.

Problème 2 · Suivre le cycle de cellules de xénope★★★Moyen

Document 1 — Quantité d’ADN par cellule dans une culture de cellules de xénope, un amphibien (2n = 36), toutes au début de G1 à t = 0 h (culture synchronisée ; valeurs choisies pour l’exercice).

Document 2 — Observations au microscope de cellules colorées prélevées dans la même culture. Jusqu’à 16 h, aucun chromosome n’est visible dans les noyaux. À partir de 16 h, les chromosomes se condensent ; vers 16 h 30, ils sont alignés au centre des cellules ; à 17 h, chaque cellule s’est séparée en deux.

1. Durée de la phase G1 : h
La quantité reste à 6 u.a. de 0 à 6 h : G1 dure 6 h.
2. Durée de la copie de l’ADN, lue sur le document 1 : h
Montée progressive de 6 à 12 u.a. entre 6 h et 13 h : 13 − 6 = 7 h.
3. Nombre de chromatides d’une cellule à t = 14 h :
La phase S est finie : 36 chromosomes à deux chromatides, 36 × 2 = 72.
4. Durée de G2, à l’aide du document 2 : h
Le palier à 12 u.a. dure de 13 h à 17 h, mais les chromosomes ne deviennent visibles qu’à 16 h : G2 va de 13 h à 16 h, soit 3 h.
5. Durée de la mitose : h
De 16 h (condensation) à 17 h (séparation) : 1 h. La courbe seule ne permettait pas de séparer G2 et mitose.
6. Quantité d’ADN d’une cellule fille à 18 h : u.a.
La quantité retombe à 6 u.a. : chaque cellule fille a reçu la moitié de 12, soit la quantité de G1.
7. Nombre de chromosomes de cette cellule fille :
36 chromosomes à une chromatide : la mitose a conservé le caryotype.

Problème 3 · La colchicine bloque la mitose★★★Moyen

Document 1 — Action de la colchicine sur des pointes de racine de tournesol (2n = 34), dont les cellules se divisent sans être synchronisées (valeurs choisies pour l’exercice).

Temps après l’ajout de colchicine (h)	0	2	4	6
Cellules en métaphase (%)	3,5	9,5	15,5	21,5

Document 2 — La molécule. La colchicine, extraite du colchique, se fixe à la tubuline, la protéine qui forme les microtubules, et empêche leur assemblage.

Document 3 — Après 24 h de traitement, on observe des cellules à un seul noyau, deux fois plus gros que la normale, qui contient deux fois plus de chromosomes que les cellules non traitées.

1. Hausse du pourcentage de cellules en métaphase par heure : points
9,5 − 3,5 = 15,5 − 9,5 = 21,5 − 15,5 = 6 points en 2 h, soit 3 points par heure : la hausse est régulière.
2. Structure de la cellule dont la formation est empêchée : le
Le fuseau de division, fait de microtubules (document 2).
3. Sans elle, les chromatides sœurs ne peuvent pas être tirées vers les .
Vers les pôles : les cellules entrent en mitose mais n’en sortent plus ; elles s’accumulent avec des chromosomes condensés.
4. Nombre de chromatides d’une cellule bloquée :
34 chromosomes à deux chromatides : 68.
5. Nombre de chromosomes des noyaux du document 3 :
2 × 34 = 68 : les chromatides se sont séparées sur place, sans fuseau, puis un seul noyau s’est reformé, sans cytodiérèse.
6. La colchicine sert à réaliser des caryotypes car elle augmente le nombre de cellules où les chromosomes sont au maximum de leur .
De leur condensation : normalement, 3,5 % seulement des cellules sont en métaphase ; après 6 h, 21,5 %.

Problème 4 · Deux divisions dans une anthère de seigle★★★Moyen

Document 1 — Quantité d’ADN par cellule mesurée à six moments successifs dans une lignée de cellules d’anthère (la partie de l’étamine qui produit le pollen) de seigle, une céréale (2n = 14 ; valeurs choisies pour l’exercice).

Moment	1	2	3	4	5	6
ADN (u.a.)	3,2	4,8	6,4	6,4	3,2	1,6

Document 2 — Observation au moment 5 : les cellules possèdent 7 chromosomes, chacun formé de deux chromatides.

1. Le moment où l’ADN est en cours de copie est le moment
Au moment 2, la quantité (4,8 u.a.) est intermédiaire entre 3,2 et 6,4 = 2 × 3,2 : phase S en cours.
2. Nombre de divisions qui suivent cette unique phase S :
Deux chutes de moitié : 6,4 → 3,2 (moments 4 → 5), puis 3,2 → 1,6 (moments 5 → 6).
3. Cette suite de divisions est une
Deux divisions après une seule phase S, et une quantité finale égale à la moitié de celle de G1 : une méiose.
4. Au moment 5, la division I a séparé les chromosomes
Les homologues : il ne reste que 7 chromosomes au lieu de 14, mais chacun garde ses deux chromatides.
5. Nombre de chromatides d’une cellule au moment 6 :
La division II a séparé les chromatides sœurs : 7 chromosomes à une chromatide, soit 7 chromatides : cellules haploïdes, à l’origine des grains de pollen.
6. Une mitose de la cellule du moment 1 aurait donné des cellules à chromosomes.
14 chromosomes à une chromatide : la mitose conserve la diploïdie, la méiose la réduit.

Problème 5 · Mesurer l’ADN de milliers de cellules★★★Difficile

Document 1 — Quantité d’ADN de chaque cellule d’une culture non synchronisée de cellules de mammifère, dont le cycle dure 25 h, mesurée par un appareil qui analyse des milliers de cellules. Les cellules en G1 contiennent 5,6 pg d’ADN.

ADN par cellule (pg)	[5,2 ; 6,0[	[6,0 ; 8,4[	[8,4 ; 10,8[	[10,8 ; 11,6]
Nombre de cellules	1 008	330	318	444

Document 2 — Observation au microscope d’un échantillon de la même culture : 2 % des cellules ont des chromosomes condensés et visibles.

1. Les cellules de la classe [10,8 ; 11,6] contiennent environ pg d’ADN.
2 × 5,6 = 11,2 pg : elles sont en G2 ou en mitose.
2. Pourcentage des cellules en G1 : %
Total : 1 008 + 330 + 318 + 444 = 2 100. G1 : 1 008 ÷ 2 100 = 0,48, soit 48 %.
3. Pourcentage des cellules en phase S : % (arrondi au dixième)
Les deux classes intermédiaires : (330 + 318) ÷ 2 100 = 648 ÷ 2 100 ≈ 0,309, soit 30,9 %.
4. Durée de G1 : h
0,48 × 25 = 12 h.
5. Durée de la phase S : h (arrondi au dixième)
648 ÷ 2 100 × 25 ≈ 7,7 h.
6. Durée de G2 + mitose : h (arrondi au dixième)
444 ÷ 2 100 × 25 ≈ 5,3 h. Contrôle : 12 + 7,7 + 5,3 = 25 h.
7. Durée de G2 seule, à l’aide du document 2 : h (arrondi au dixième)
Mitose : 0,02 × 25 = 0,5 h. G2 : 5,3 − 0,5 = 4,8 h. Les 444 cellules à 11,2 pg sont donc presque toutes en G2 : la mesure de l’ADN ne distingue pas G2 de la mitose.

Problème 6 · Chez l’abeille, des mâles haploïdes★★★Difficile

Document 1 — Deux sortes d’individus. Chez l’abeille domestique, les femelles (la reine et les ouvrières) ont 2n = 32 chromosomes. Les mâles, ou faux-bourdons, ont 16 chromosomes : chacun se développe, par mitoses successives, à partir d’un ovule de la reine non fécondé. Une femelle se développe à partir d’un ovule fécondé.

Document 2 — La formation des spermatozoïdes du mâle (d’après Yin et al., PLoS Genetics, 2023). Les cellules qui donnent les spermatozoïdes sont issues de mitoses. Leur première division de méiose avorte : aucun chromosome n’est séparé. Seule la seconde division, qui sépare les chromatides sœurs, a lieu.

1. Nombre de chromosomes d’un ovule de la reine :
La reine (2n = 32) fait une méiose : ses ovules ont n = 16 chromosomes.
2. Le faux-bourdon est un individu (diploïde ou haploïde).
Haploïde : ses cellules viennent, par mitoses, d’un ovule à 16 chromosomes ; il n’a aucune paire d’homologues.
3. Nombre de chromosomes d’un spermatozoïde du faux-bourdon :
16 : la seule division qui a lieu sépare les chromatides sœurs, sans réduire le nombre de chromosomes ; une division I normale serait impossible, faute d’homologues à séparer.
4. Nombre de chromosomes de la cellule-œuf issue de la fécondation par ce spermatozoïde :
16 + 16 = 32 : elle donnera une femelle, diploïde.
5. Nombre d’informations génétiques différentes portées par les spermatozoïdes d’un même mâle (sauf mutation) :
Une seule : ils proviennent de mitoses puis d’une séparation de chromatides sœurs identiques. Ils forment, comme les cellules du mâle, un clone ; au contraire, les ovules d’une reine, produits par méiose, sont différents entre eux.

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