(Microsoft PowerPoint - cours 3 biotech
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Les origines de l’amélioration des plantes Sources classiques de la variation biologique qui constituent le matériau de l’évolution 1ers hybrideurs Knight, Louis de Herbert, Vilmorin Sageret Domestication MUTATION -10 000 Sédentarisation 1700 1800 Sexualité des végétaux Hybridations interspécifiques systématiques Linné 1900 Redécouverte des lois de Mendel RECOMBINAISON Liaison génétique Morgan Les sources classiques de la variation biologique : la mutation et la recombinaison MUTATION RECOMBINAISON Marquage moléculaire Micropropagation Transgénèse Haplodiploïdisation Hybridation somatique Polyploïdisation Hybridation interspécifique Mutagenèse Production d’hybrides F1 Hybridation puis sélection généalogique 1ère stratégie: sélection des variations, spontanées ou provoquées, et les exploiter autant que possible. 2ème stratégie: combiner des caractères dans une perspective de construction de génotype. Exploitation et création de mutants Exploitation des mutants naturels Les mutations spontanées constituent la base de la variabilité génétique exploitée par tous les sélectionneurs A quoi sont dues les mutations ? • Présence d’agents mutagènes naturellement présents, • Disfonctionnement des protéines impliquées dans la réparation et réplication de l’ADN, • Insertion de transposons et de rétrotransposons. Quelques exemples de mutations naturelles importantes 1865, mutation « pois ridé » (Mendel). Voir TD 1 1872, première variété de haricot avec des grains restant verdâtres (flageolet). 1930, mutation permettant d’ajouter l’orangé à la palette de couleur de la rose. 1948, mutation monogerme chez la betterave. 1986, afila, mutation exploitée dans la variété de pois Solara. Exploitation et création de mutants (mutation monogerme – betterave) Betterave multigerme (fleurs soudées) Betterave monogerme Savitsky, 1948 GROS PROBLEMES Difficultés de semis (utilisation de semoirs impossible) Grosse quantité de semence Nécessité de démariage – travail pénible – très coûteux en mains d’oeuvre Hilleshög créé la première variété monogerme en 1966. ‘MonoHill’ Presque 100% du marché Disparition de 90% des entreprises semencières Exploitation et création de mutants (mutation afila – pois) normal af af et st Vrilles Folioles Bractée Gros travail de physiologie végétale pour savoir quelle doit être la morphologie de la plante pour avoir un bon rendement Stipules Rendement moyen Rendement bon Rendement mauvais Foliole : - capacité photosynthétique très moyenne – occulte la lumière pour les stipules Stipule : - capacité photosynthétique excellente – colonise le sol, lutte contre les mauvaises herbes Exploitation et création de mutants (Résistance au Phylloxera – Vigne) Femelle gallicole 1847 épidémie d’oïdium – import de vignes américaines Femelle radicole Arrivé des EtatsUnis en 1861 1900 : vignoble européen dévasté Catastrophe économique Forme sexué Femelle ailée sexupare Espèce américaine Vin piètre qualité Greffage sur espèce américaine 1973, Fercal Problèmes de chloroses Croisement interspécifiques Exploitation et création de mutants (Autres) Ne pas oublier • le nanisme (blé), (Voir TD révolution verte) • le caractère 00 (colza), (voir cours colza) • la résistance au curly-top et rhizomanie ( betterave), • etc… Les mutations causent une diversité génétique qui est à la base du travail du sélectionneur mais diversité quelquefois réduite,… Cas des espèces créées par l’Homme récemment,… La variabilité intervariétale dans un pays est réduite (maïs, betterave, blé, …) Nécessité de faire des prospections Disparition d’écosystèmes, instabilité politique, conférences de Rio Création de nouveaux mutants Exploitation et création de mutants Mutagenèse artificielle - Découverte des radiations ionisantes au début du 20ème siècle. - 1927: Les altérations (mutations) provoquées par les radiations sont héritables. - Diversification des agents mutagènes Physique: Rayons γ, Rayons X, Ultraviolets,… Chimique: EMS,... Variation somaclonale et sélection in vitro. Exploitation et création de mutants • En fonction de se que l’on veut faire • EMS : mutations ponctuelles G/C > A/T • Fortes doses de radiations ionisantes : délétion de gros fragments d’ADN. • Effet aléatoire • Amélioration crible cellulaire in vitro (résistance aux herbicides). Choix de l’agent mutagene Choix de l’explant organe Type d’agent mutagène utilisé en amélioration des plantes ? Plus de 70% des variétés ont été obtenues par radiations ionisantes Régénération de plantes Obtention d’une variété Mutagenèse Exploitation et faire création de mutants I. Comment de la mutagenèse En général un tissu qui va donner un méristème Choix de l’agent mutagene Choix de l’explant organe Régénération de plantes Récolter les graines Multiplication végétative PLANTES CHIMERIQUES Obtention d’une variété Amélioration : culture de tissu in vitro, culture de cellules embryogenèse somatique Exploitation et création de mutants Grand travail de tri des phénotypes favorables. • Mutations silencieuses – mutations actives. •Mutations défavorables >>>> mutations favorables • Mortalité, stérilité, mort de cellules (phyllotaxie, développement, bizarres. • Grande majorité des plantes sans intérêts. (nombre de plante + facilité de repèrage des mutants d’intérêt = clefs de la réussite) Cas d’une plante mutagenéïsée caractère intéressant mais pas viable agronomiquement (accumulation de mutations néfastes. Solution : plan de rétrocroisement Problème des plantes chimériques (ségrégation anormales) Choix de l’agent mutagene Choix de l’explant organe Régénération de plantes Obtention d’une variété Impact de la mutagenèse sur l’amélioration des plantes Quelques variétés issues de mutagenèse artificielle Pamplemousse Cerisier Riz Forsythia Weigela Couleur rouge de la pulpe Aspermie Autofertilité Qualité du grain Port compact Feuillage panaché 1984, 1970, 1985, 1970, 1985, 1979, Ruby Red Star Ruby Stella Delta « Courtalyn », Weekend « Courtatom », couleur ... Quelques mutations très répandues - Denso, conférant un semi-nanisme, probablement présente dans plus de 150 variétés d’orge à brasserie. - Mutation riche en acide oléique chez le tournesol, obtenue en 1976 par Soldanov est retrouvée dans toutes les variétés riches en acide oléique inscrites en France et aux USA. - Œillet ‘William Sim’ créé en 1938 :qualité de fleur et productivité. - Résistance aux Imidazolinones (céréales) et au chlorsulfuron (endive). 2252 variétés recensées par la FAO/IAEA en 2000. Stratégie basique – facile à réaliser (donc essayée souvent) – énorme travail de tri après (peu de réussite) – regain d’intérêt (TILLING) Polyploïdisation (Auto) La polyploïdisation est un phénomène se caractérisant par une multiplication du stock chromosomique qui peut se produire de manière naturelle du fait de la rencontre de gamètes non réduits. Plantes naturellement autopolyploïdes Exemple de plantes autotétraploïdes: dactyle, luzerne, poireau, pomme de terre. Un nombre sans doute important de plantes aujourd’hui considérées comme diploïdes sont probablement d’anciens autotétraploïdes. Proportion de plantes cultivées polyploides >>> Proportion de plantes sauvages polyploides Augmentation de la vigueur Augmentation de la taille des tissus végétatifs Plus grande variété allélique Divergence fonctionnelle des gènes dupliqués Diminution de la fertilité Sélection plus difficile Polyploïdisation (Auto) La polyploïdisation induite - 1937, Blakeslee découvre l’action de la colchicine : il devient possible d’induire des polyploïdisations chez de nombreuses espèces. - Découverte d’autres agents mitoclasiques (ether, NO2,…). Impact de la polyploïdisation sur l’amélioration des plantes Quelques variétés issues de polyploïdisation induite 1951, 1965, 1966, 1968, 1985, Kihara réalise des pastèques triploïdes. Voir TD 3 Réveille 1ère variété de ray-grass anglais tétraploïde. Tétri 1ère variété de trèfle violet tétraploïde. Monohill, une des premières betteraves triploïdes. Courtalor «Carnaval» variété de weigela triploïde. Autre utilisation de la polyploïdisation La polyploïdisation est une méthode nécessaire à la réussite de très nombreux croisements interspécifiques. 1) et 2) 3) 4) La polyploïdisation a été utilisée principalement chez les plantes fourragères ornementales. La triploïdie est une stratégie de choix pour introduire une apyrénie. La polyploidisation est utile pour les croisements interspécifiques. 2002 1ère autorisation de consommation d’huître triploïde. Haplodiploïdisation Une plante haploïde est un individu possédant un nombre gamétique de chromosomes. Haplodiploïdisation = Haploïdisation + doublement (spontanée ou induit) Gynogenèse Androgenèse Culture d’anthère (visite chez Seminis) Culture de microspore isolée Gynogenèse in situ Croisements interspécifiques Culture d’Ovule Pollinisation avec du pollen irradié Haplodiploïdisation Haplodiploïdisation Haploïdisation spontanée - polyembryonie (ex: asperge), androgenèse in situ (ex: tabac) et gynogenèse in situ (ex: maïs). Androgenèse - Culture d’anthères (1964) : Datura, Tabac ... - Culture de microspores isolées (1973) : Datura, Riz, Colza, Orge, Blé, Pomme de terre, Maïs,... Gynogenèse - Culture d’ovaires/ovules (1976) : Orge, Blé, Tabac, Riz, Gerbera, Maïs, Betterave, Tournesol,... - Croisements interspécifiques (1964) : Pomme de terre, Orge, Melon, Blé, Luzerne, Allium, ... - Utilisation de pollen irradié (1983) : Orge, Blé, Pétunia, Melon, Carotte, Concombre, Chou,... De gros efforts de recherche ont été consentis En 1980, des méthodes d’androgenèse avaient donné des résultats sur 153 espèces différentes ! Haplodiploïdisation Haplodiploïdisation Bouton floral dont les microspores présentent un stade uninucléé tardif permettant la culture d'anthères Cette culture d'anthères a produit des cals et des embryons androgénétiques AIB - BAP - CHARBON ACTIF PRETRAITEMENT AU FROID BOURGEONS (2°C) PUIS AU CHAUD DES ANTHERES (35°C) les embryons manifestent un blocage d'organogenèse très difficile à lever. Il existe un effet très marqué du génotype sur l'androgenèse. Tous les génotypes appartenant à la famille des "Delicious Rouge" ont produit des embryons alors que tous ceux appartenant à la famille de 'Golden Delicious' n'ont produit que des cals. Cette méthode a permis l'obtention de 4 plantes haploïdes in vitro (BOUVIER, 1993). Haplodiploïdisation caryotype Cytométrie de flux Vigueur des plantes Morphologie des plantes Taille des stomates Taille des embryons Ruse génétique (parthénogenèse) R R Mâle anthocyané 50% des plantes repérées sont effectivement haploïdes Haploïde ou non haploïde ? r Femelle Non anthocyanée r Plante non anthocyanée Plante anthocyanée (haploïde) (diploïde) Haplodiploïdisation • Dans le cas des variétés population, 80 % du rendement est assuré par 20% des plantes. • L’asperge est une plante dioïque (xx, xy) • La parthénogenèse fonctionne bien chez l’asperge. • Cycle graine à graine 4 ans. • L’asperge est une plante pérenne • Il existe un fort effet hétérosis (rendement , précocité, calibre,…) • Les pieds mâles sont plus productifs que les pieds femelles. • Les pieds supermales (yy) sont viables. PROPOSER UN MINI-PROGRAMME DE SELECTION Haplodiploïdisation XX asperge femelle XY asperge mâle Grosse diversité : 80% des plants assurés par 20% des plantes Les plantes mâles sont plus productives que les plantes femelles L’hétérosis est très fort chez l’asperge Excellent individu mâle XY Haploidisation X Y Doublement colchicine XX 1) IDEE Faire des variétés en : utilisant comme parents les lignées les plus productives. 2) Qui soient de type hybride F1. 3) Qui soient entièrement mâle. YY YY (supermale) X XX (femelle) XY Hybride F1 (100% mâle) Impact de l’haplodiploïdisation sur l’amélioration des plantes Principale utilisation de l’haplodiploïdisation Fixation du matériel génétique: - PLUS RAPIDE - PLUS COMPLETE - PERMETTANT LE CONTOURNEMENT DES PROBLEMES DE CONSANGUINITE Quelques exemples de variétés obtenues par haplodiploïdisation Années 50, DEKALB 640, variété hybride double de maïs avec 3 parents haploïdes doublés. Années 70, Maris Haplona, variété de colza. 1974, F211, variété japonaise de tabac. 1978, Lunghua 1, variété chinoise de riz. 1980, Mingo, variété canadienne d’orge. 1987, Florin, variété française de blé. 1989, Adria et Mégal, variétés d’aubergine. 1990, Andréas, variété d’asperge hybride F1 100% mâle. 1995, Osir, variété de piment. L’haplodiploïdisation est utilisée en routine par certaines sociétés pour améliorer les espèces citées ci-dessus notamment. Micropropagation Micropropagation = Extension des techniques classiques de division de touffes, de bouturage, de marcottage et de greffage Micropropagation La micropropagation sensu stricto est une multiplication clonale in vitro qui s’appuie sur : - la production de bourgeons axillaires sur des tissus contenant déjà un méristème. - la production de bourgeons axillaires après induction de la formation de méristèmes adventifs. - l’embryogenèse somatique. - la régénération d’une plante à partir d’une cellule ou d’un protoplaste. Vers la mise au point de la multiplication végétative in vitro 1939, 1952, 1958, 1960, Gautheret réalise une culture indéfinie de cambium. Morel et Martin réalisent le premier assainissement par culture de méristème de dahlia. Reinert et Stewart obtiennent les premiers embryons somatiques de carotte. Morel réalise la première multiplication végétative in vitro de l’orchidée. En 1988, plus de 450 espèces pouvaient être micropropagées Impact des méthodes de micropropagation sur l’amélioration des plantes Multiplication d’un génotype à l’identique - Microbouturage : séquoia, divers pins, eucalyptus, peuplier, merisier, framboisier, vigne, gerbera, chrysanthème, porte-greffes d’arbres fruitiers,… - Embryogenèse somatique : caféier, pins, mélèzes, épicéas, douglas, palmier à huile,... Malgré de nombreux efforts : pas de semences artificielles, pb des variants somaclonaux Sélection sanitaire - Culture de méristèmes: pomme de terre, artichaut, dahlia, vigne, ail, fraisier,… - Thermothérapie: pêcher, agrumes, Allium,... - Microgreffage : agrumes,… Sauvetage d’embryons - Résolution des problèmes de dormance pour réaliser des générations accélérées (tournesol), -Réussite d’un certain nombre de croisements interspécifiques. Amélioration des plantes Variétés clonales, variétés hybride de clones, parents d’hybride F1
