CAPES-CAFEP 2005 : L'écrit de biologie

L'écrit CAPES-CAFEP 2005 L'écrit de biologie 11 CAPES-CAFEP 2005 L'écrit LE SUJET LA SYMBIOSE Ce sujet comprend deux parties : la première consiste en une analyse de documents et la seconde nécessite de construire une synthèse, où le candidat pourra réutiliser des éléments de la première partie. La symbiose sera définie comme une association durable et à bénéfices mutuels entre espèces différentes. I - Analyse de documents (10 points) La figure 1 présente les structures intracellulaires formées par deux champignons du groupe des Eumycètes qui vivent sur des plantes. La figure 1A est un bloc-diagramme de suçoirs intracellulaires (aussi appelés haustoriums). Ils sont émis par un parasite du blé, un oïdium (Erisyphe graminis ; diagramme d'après C. E. Bracker). S, suçoir ; C, col reliant le suçoir à l'hyphe extracellulaire ; Eic, espace inter-cellulaire entre les partenaires ; Lo, lobes du suçoir ; Pa, paroi de la cellule-hôte ; Pl, membrane plasmique de la cellule végétale repoussée par le suçoir. La figure 1B est une image en microscopie électronique à balayage d'un arbuscule d'une endomycorhize. Il est formé par un symbiote, Glomus mossae, sur une racine de maïs (cliché R. Honegger). L'emplacement d'un hyphe intercellulaire est indiqué en pointillé. A, arbuscule et, comme précédemment : C, col reliant l'arbuscule à l'hyphe intercellulaire ; Pa, paroi de la cellulehôte, déchirée par la coupe. On rappelle que cette méthode de microscopie détruit le cytosol et les membranes cellulaires. Question 1 - Indiquez brièvement le rôle de ces structures (suçoir et arbuscule) et exposez de façon synthétique les mécanismes qui s'y déroulent en montrant en quoi ces structures sont adaptées à leur fonction. Pouvez-vous en conclure, en vous limitant à l'observation de ces seules structures, que l'un des champignons est parasite et que l'autre est symbiotique ? Les tableaux suivants comportent des données sur la symbiose entre des cnidaires et leurs algues intracellulaires, des dinophytes que l'on nomme xanthelles. Les xanthelles peuvent être expulsées par l'animal à la suite d'une exposition prolongée à l'obscurité : on obtient ainsi expérimentalement des animaux sans xanthelle. On réalise alors des expériences dont les résultats sont rapportés dans les tableaux 1 à 3. Tableau 1. On réalise un isolement in vitro de la xanthelle du cnidaire Anthopleura elegantissima. À l'aide d'un marquage effectué au 14CO2, on étudie l'activité photosynthétique (quantité de 14C fixé, en coups par minute) et le rejet de carbone organique par la xanthelle dans le milieu (14C relâché, en % du total fixé). On fait varier le milieu où sont placées les xanthelles, en y ajoutant éventuellement un broyat de cnidaire (jus acellulaire d'animal broyé) ayant lui-même subi différents traitements (d'après Trench, 1971). Traitement expérimental : 14 C fixé 14 C org. relâché Xanthelle dans l'eau de mer seulement : 1,4 31% Xanthelle dans l'eau de mer, additionnée de broyat d'un cnidaire pourvu de xanthelles : 14,1 58% Xanthelle dans l'eau de mer, additionnée de broyat d'un cnidaire dépourvu de xanthelle après passage à l'obscurité : 4,5 30% Xanthelle dans l'eau de mer, additionnée de broyat d'un cnidaire initialement dépourvu de xanthelle, puis réinfecté avec des xanthelles : 14,9 55% 12 L'écrit CAPES-CAFEP 2005 Par ailleurs, l'étude des molécules relâchées a permis d'identifier parmi les composés marqués, essentiellement du glycérol et des acides aminés neutres (alanine, en particulier), ainsi que des traces de glucose et d'acides organiques. Tableau 2. Dix animaux ont été maintenus pendant 5 heures dans de l'eau de mer filtrée, sous illumination constante. On mesure l'excrétion azotée (perte d'ammonium) de l'animal, en microgrammes d'azote par gramme de matière fraîche (d'après Cates & McLaughlin, 1976). Espèce animal avec xanthelles animal sans xanthelle Condylactis sp. 0,0 0,3 Cassiopeia sp. 0,0 0,3 45 2+ Tableau 3. On étudie le taux de calcification (vitesse d'incorporation de Ca radioactif) chez le cnidaire Manicina aureolata, avec ou sans xanthelles. Les valeurs sont exprimées en coups par minute et par mg de squelette calcifié, au bout de 80 heures d'incubation dans la solution radioactive (d'après Goreau, 1959). Conditions d'éclairement 2+ 2+ incorporation de Ca avec xanthelles incorporation de Ca sans xanthelle À la lumière 462 28 À l'obscurité 72 30 Question 2 - Pour chaque tableau 1 à 3, analysez en quelques phrases les résultats, puis donnez la (les) conclusion(s) que vous pouvez en tirer. Question 3 - Résumez sur un grand schéma l'ensemble des interactions observées entre les cnidaires et les xanthelles. En une unique phrase de conclusion, indiquez le(s) rôle(s) biologique(s) de cette symbiose pour les deux partenaires, que mettent en évidence ces données. La figure 2A présente l'extrémité d'un cordon d'infection, au sein d'une nodosité de légumineuse, vue en microscopie électronique. Elle montre une étape de la mise en place des nodosités fixatrices d'azote chez ces végétaux : c'est à ce niveau que des bactéries du genre Rhizobium entrent dans les cellules de la nodosité et deviennent des bactéroïdes. B, bactéries du cordon d'infection ; Bo, bactéroïdes intracellulaires ; CN, cytosol de la cellule de la nodosité ; Mp, membrane plasmique bordant le cordon d'infection ; Mpb, membrane péribactéroïde ; Mu, mucilage remplissant le cordon d'infection (cliché de J.-P. Gourret). Question 4 - À partir de ce document, expliquez en quelques lignes comment se fait l'entrée de la bactérie dans la cellule hôte. Appuyez votre exposé sur un schéma mettant en évidence l'origine des bactéroïdes et de la membrane péribactéroïde. 13 CAPES-CAFEP 2005 L'écrit La figure 2B étudie l'effet de la présence d'azote sur la mise en place des nodosités chez une luzerne, Medicago sativa. On étudie, huit jours après la mise en contact des rhizobiums avec les plantes, le nombre de nodosités formées et le nombre de poils absorbants courbés par plante. On rappelle que la courbure du poil absorbant est une des réponses de la plante à la présence de bactéries, et qu'elle accompagne souvent la formation du cordon d'infection (d'après Munns, 1968). Question 5 - Analysez la figure 2B et proposez une conclusion. Indiquez l'intérêt biologique des réponses différentes de la plante selon la disponibilité en azote du milieu. La figure 3A présente une portion de cellule animale. La figure 3B est un arbre phylogénétique non raciné comprenant les trois domaines du vivant : il a été réalisé à l'aide d'un gène de la petite sousunité ribosomique (la barre indique l'échelle des branches - 0,1 substitution par site). Les positions des trois génomes (nucléaire, mitochondrial et chloroplastique) contenus dans le maïs (Zea mays) y sont indiquées ; on rappelle que le genre Synechococcus appartient aux Cyanobactéries (d'après Lang et coll., 2000). Enfin, on donne dans le tableau 4, des indications sur la composition des trois membranes annotées sur la figure 3A. Tableau 4. Comparaison de membranes eucaryotiques et procaryotiques (eubactériennes) quant à la présence de quelques composants lipidiques et du cytochrome aa3 (intervenant dans les transferts d'électrons liés à la respiration). Les proportions indiquées sont exprimées en pourcentage des phospholipides totaux dans les membranes concernées (d'après Margulis, 1993). Membrane 1 reticulum rugueux Cholestérol Cardiolipides Phosphatidyl-inositol Sphingomyéline Phosphatidyl-glycérol Cytochrome aa3 Membrane 2 mb. mitochondriale externe Membrane 3 mb. mitochondriale interne Membranes eubactériennes (E. coli par ex.) 6 à 10 % 0% 6,5 % 3 à 12 % 0% absent 5% 3,5 % 13,5 % 5% 2,5 % < 0,02 µmol.g-1 traces 18 % 6% 2,5 % 2% 0,24 µmol.g-1 0% 5% 0% 0% 15 % abondant Question 6 - Formulez une hypothèse sur l'origine des mitochondries à partir de l'analyse de la figure 3A et du tableau 4. Question 7 - Expliquez en quoi la position, sur la figure 3B, des trois génomes contenus dans le maïs apporte un argument supplémentaire en faveur de cette hypothèse. II - Question de synthèse (10 points) Les rôles écologiques et évolutifs de la symbiose. Montrez en quoi et comment, au-delà de l'importance dans la physiologie des partenaires impliqués, la symbiose joue un rôle dans le fonctionnement des écosystèmes ainsi que dans l'évolution des organismes et de la biosphère. Les mécanismes physiologiques mis en jeu chez les partenaires impliqués ne doivent être abordés ni en détail, ni pour eux-mêmes, puisque cet aspect a déjà été développé dans la première partie. Il vous est demandé de construire une réponse argumentée et structurée par un plan apparent et doté d'une introduction et d'une conclusion. Il est indispensable d'intégrer à votre texte des illustrations, et un choix d'exemples issus des domaines animal, végétal et microbien. Utilisez vos connaissances personnelles, ainsi que des données issues de la partie précédente si vous le souhaitez. 14 L'écrit 15 CAPES-CAFEP 2005 CAPES-CAFEP 2005 L'écrit 16 L'écrit 17 CAPES-CAFEP 2005 CAPES-CAFEP 2005 L'écrit RAPPORT SUR L'EPREUVE ECRITE DE BIOLOGIE L'épreuve de biologie comprenait cette année deux parties, une analyse de documents et une rédaction de synthèse. I - Analyse de documents Elle concernait la moitié des points, et portait sur des documents d'un type classique, que tous les candidats ont abordés. Fréquemment, les candidats ont manqué de concision : est-il prudent de répondre à la question 1 du I en quatre à cinq pages, comme ce fut souvent le cas, alors que cette partie comportait sept questions ? Certains ont inutilement rédigé une introduction et des transitions entre questions qui n'étaient pas demandées (donc, pas notées). Il fallait suivre simplement les questions en indiquant clairement la numérotation (on ne doit pas fusionner les questions entre elles !). D'autre part, il est inutile de perdre du temps à disserter hors-sujet, comme à expliquer les techniques de microscopie (à propos de la figure 1) ou à détailler la question 4, qui demandait en "quelques lignes... l'entrée dans la cellule-hôte" (les facteurs nod et les étapes précédant l'internalisation elle-même étaient hors-sujet). Il faut lire attentivement les questions pour y répondre pleinement : trop souvent la réponse à la question 1 manquait (sur la distinction du type d'interaction en fonction de la structure observée) et, à la question 4, le schéma expliquant l'origine de la membrane péribactéroïde était omis. On ne peut qu'insister sur l'utilité d'une première lecture rapide de l'ensemble des questions pour répartir les réponses (et éviter par exemple de faire un schéma récapitulatif à la question 2, alors qu'il est explicitement demandé à la question 3). En revanche, des initiatives comme des schémas explicatifs, ou des liens entre questions (comparaison de la membrane des mitochondries à celle entourant les bactéroïdes dans les nodosi...