LOGO Physiologie du stress Applications Biotechnologiques Pr. Mimoun MOKHTARI [email protected] Plan Introduction Introduction I- Type de stress 1. Stress abiotique et biotique 2. Stress d’anoxie 3. Stress salin 4. Stress hydrique II- Les outils de la biotechnologie pour la lutte contre le stress 1. Culture in vitro 2. Tests des caractères cellulaires 3. Tests des caractères liés à l'intégration des fonctions physiologiques 4. De la sélection naturelle à la sélection dirigée 5. Objectifs d'amélioration 6. Les ressources génétiques 7. Etude de ca: Tolérance à la sécheresse du Géranium introduction Les stress biotiques et abiotiques constituent une cause majeure de perte de rendement, pour tous les types de culture Les plantes poussent et se développent dans un environnement et subissent ces contraintes et donc elles doivent s’adapter ou disparaître La compréhension des bases physiologiques et génétiques qui sous-tendent ces stratégies adaptatives est d'une importance majeure I- Type de Stress 1 Stress biotique et abiotique 2 Stress d’anoxie 3 Stress de salinité 4 Stress hydrique Type de stress Les plantes poussent et se développent dans un environnement donné dont elles ne peuvent s’échapper. Elles subissent donc de plein fouet les contraintes liées à cet environnement et doivent y être adaptées ou disparaître. La qualité des plantes est donc comprise ici par la capacité à répondre à ces contraintes, ces réponses se reflètent rapidement au niveau des signaux lumineux et thermiques émis par les feuilles. Type de stress Stress Biotique Les stress biotiques sont nombreux et ont pour origine les virus, les organismes phytophages et les pathogènes Abiotique Les stress climatiques : stress hydrique, fortes températures, gel. Les stress pédologiques : dégradation de certains sols, érosion Les changements hyperhypoxiques, acido-basiques Les stress de nature chimique : pesticide, contamination des sols par les métaux lourds Type de stress La connaissance des réponses cellulaires et moléculaires des plantes aux conditions de stress est très importante afin d’améliorer la réponse des plantes cultivées aux différents stress environnementaux. Mécanisme général de réponse des plantes à un stress : Une perte d’eau dans les cellules peut affecter négativement la photosynthèse et par conséquence le rendement de la plante. Dans ce cas, La réponses physiologique à ce stress est la sécrétion de : des osmoprotectants. des protéines spécifiques. des acides gras. NB: Les osmoprotectants, comme la proline ou la glycine bétaïne, permettent de maintenir l’équilibre en eau entre la cellule végétale et l’environnement extérieur, Les acides gras permet la modification de la perméabilité de la membrane plasmique. Un excès de lumière par rapport à la capacité de photosynthèse déclenche toutefois une production de radicaux oxygène, nuisibles pour leur part à la croissance végétale phénomène appelé photoinhibition. www.themegallery.com Type de stress La biotechnologie pourrait constituer une solution contre le stress et l’amélioration du rendements en y intégrant des gènes impliqués dans la réponse des plantes aux stress. Actuellement, aucune variété transgénique tolérante à un stress n’est commercialisée, elles sont en évaluations Type de stress Exemple: Haricot commun l'équilibre photosynthétique chez l’haricot est très influencé par les effets cumulés des autres paramètres environnementaux. Par exemple cette plante est très sensible à la sécheresse aux carences nutritives des sols le rayonnement ultraviolet Alors pour survivre a ce déséquilibres environnementaux, la plante développent des réponses leur permettant de résister sont néanmoins encore très mal connus au niveau moléculaire. Type de stress 1) Le stress biotique et abiotique Type de stress a) Le stress biotique: Il est pour origine: les virus les organismes phytophages les pathogènes. Alors pour faire face, les plantes mettent en place un système de défense faisant intervenir une chaîne de réaction où Les protéines vont défendre contre les nuisibles. www.themegallery.com Type de stress Exemple: du soja Quand les nuisibles secrètent des protéases, la plante sécrète d’inhibiteurs de ces dernièrs due à un « burst oxydatif » (BO) qui s’établit et conduisant aux transferts de signaux chimiques notamment par l’intermédiaire de l’éthylène. diffusion d’éthylène dans la plante permet d’acquérir une résistance globale face aux nuisibles en secrétant des protéines de défense souvent allergènes. Exemple: il a été montré que la sécrétion de protéine PR–10 SAM22 de la famille « bet v-1 like », est la réponse d’une attaque d’un nématode. La sécrétion des inhibiteurs de sérines protéase (STKI) pour se défendre des larves d’insectes. Type b) Le stress abiotique Parmi les stress abiotiques les plus importants, La sécheresse, le froid et la salinité imposent aux plantes des changements métaboliques globaux Exemple : l’induction des acides phosphatases « purple » (PAP) par les stress de la salinité chez le soja mais La synthèse des protéines PAP ainsi induite conduit à un stress. En réponse à ce stress oxydatif, le soja forme des protéines allergènes comme la thiol protéase. www.themegallery.com Type de stress 2) Stress d’anoxie www.themegallery.com Type de stress une carence aiguë en oxygène = anoxie le maintien de l’équilibre hydrique est un des défis majeurs chez les plantes. Par exemple lors des inondations des sols en hiver ou après irrigation en excès. On provoque chez les racines une anoxie ce qui va affecté l'absorption d'eau par les racines. Selon les chercheurs, le blocage complet du transport racinaire d'eau en condition d'anoxie est strictement lié à une acidification de l'intérieur des cellules. cette acidification est comme un signal pour provoquer la fermeture des aquaporines localisées sur la membrane des cellules. Elle est due à un déséquilibre métabolique engendré par l'anoxie . Type de stress 3) Stress de salinité www.themegallery.com Type de stress La salinité constitue l'un des stress abiotiques les plus répandus au niveau de la planète et limite fortement les rendements. Le figuier de barbarie, opuntia ficus indica L, alors pour la valorisation des ressources génétiques de l’espèce, on utilise des marqueures biochimiques physiologiques et moléculaires comme Les peroxydases (POX) qui sont des oxydoréductases . Du point de vue biochimique, l'extraction par solubilisation progressive des peroxydases a permis de révéler que le stress salin provoque une augmentation des peroxydases dans les fractions solubles et ioniques préparées à partir d‘écotypes tolérants. Ces changements sont reflétés au niveau des profils électrophorétiques par l'apparition d'isoformes acides et basiques chez les écotypes dont la croissance n'est pas affectée par le sel. Les autres écotypes répondent en majorité par l'activation d'isoformes préexistants. Type de stress Exemple: Effet du stress salin sur l'accumulation de la proline et des sucres solubles dans les feuilles de trois porte-greffes d'agrumes Type de stress Au Maroc, les agrumes souffrent de la salinité du sol et de l’eau d’irrigation ainsi que de la rareté des pluies. Alors il faut choisir un bon porte greffe tolérant à ce stress abiotique Vis-à-vis au stress salin, il y a 3 portes greffes introduits au Maroc: cintrage Carazo et de deux hybrides, H1 et H2, issus du croisement Ponceurs trifoliata et Citrus sunki Citrus sunki Ponceurs trifoliata Type de stress D’après les expériences faites sur ces portes greffes, on a conclu que l'effet des concentrations salines utilisées a pu être compensé par l'accumulation de sucres solubles dans les feuilles, notamment dans celles du porte-greffe H1. Celui-ci ayant montré moins de toxicité foliaire que les deux autres porte-greffes, l'accumulation de sucres solubles dans la feuille d'agrumes pourrait être un indice de tolérance à la salinité. Type de stress 4) Stress hydrique www.themegallery.com Type de stress A) Définition de la sécheresse pour la plante La sécheresse est un manque d’eau qui a des effets négatifs sur le développement de la plante et par conséquence sur le rendement qui diminuera par rapport aux conditions favorables. L’eau a un rôle énergétique et climatique considérable. elle intervient dans la réaction de la photosynthèse et donc la formation de la matière sèche Elle a un effet important sur le climat dû à sa capacité de stocker de l’énergie (80 cal/g) ce qui permet d’augmenter la température du milieu ambiant (lutte contre le gel). Quand elle se transforme du liquide en vapeur elle absorbe de l’énergie (720 cal/g) Permet un adoucissement des températures à la surface des végétaux b) Les conséquences de la sécheresse sur le fonctionnement des plantes i. ii. iii. iv. un échange "eau contre carbone“ un échange "eau contre chaleur" Limitations de la croissance des organes de la plante Limitation de l'alimentation minérale par un déficit hydrique Type de stress i. un échange "eau contre carbone“ Le gaz carbonique (CO2) de la photosynthèse pénètre dans les feuilles par les stomates, qui contrôlent aussi la transpiration cette dernière est réglée par l’ouverture et la fermeture des stomates au niveau de la feuille la photosynthèse est intrinsèquement liée à la transpiration, car une diminution de la photosynthèse a des conséquences sur le métabolisme du carbone, et certaines enzymes impliquées dans la circulation des assimilas sont régulées en réponse au déficit hydrique Si l'énergie solaire captée par les photosystèmes de la feuille n'est plus utilisée entièrement par la photosynthèse, des formes toxiques de l'oxygène peuvent apparaître, radicaux superoxydes (O2•-), peroxyde d'hydrogène (H2O2) et radicaux hydroxyles (OH•). Ces radicaux sont les mêmes que ceux qui causent le vieillissement des cellules végétales et animales, en provoquant la peroxydation des lipides et la dénaturation des protéines et de l'ADN Différents mécanismes permettent de contrecarrer cette accumulation de radicaux toxiques. – Un premier consiste à dissiper l'énergie lumineuse sous forme de chaleur – Un deuxième mécanisme est la détoxification, qui consiste à empêcher l'accumulation d'hydroxyles en intervenant à différentes étapes de leur formation ii. un échange "eau contre chaleur« L'échange "eau contre chaleur" est une stratégie génétique qui consiste à réduire la transpiration par contrôle stomatique et qui se trouve confrontée au risque de stress thermique. La transpiration est un phénomène bénéfique à la plante car elle permet de disperser une partie importante de l'énergie radiative incidente sinon on aura un échauffement de la feuille. Le déficit hydrique est souvent associé au stress thermique. Puisque les périodes sèches sont souvent chaudes donc une réduction de la transpiration iii. Limitations de la croissance des organes de la plante Afin de réduire la transpiration, la plante adopte un mécanisme qui permet de limiter la croissance. cette limitation se fait soit directement par la réduction de la vitesse de croissance soit indirectement en réduisant le nombre d'organes portant des feuilles. Les mécanismes de La réduction de vitesse de croissance foliaire: » La vitesse de division cellulaire décroît » les parois cellulaires deviennent plus rigides » La turgescence décroît Un déficit hydrique se traduit par une modification importante de l'architecture de la plante iv. Limitation de l'alimentation minérale par un déficit hydrique La sécheresse peut causer une augmentation de la quantité de l’azote donc le sol car elle altère les besoins en azote des cultures puisque ceux-ci croissent avec la biomasse produite. Aussi la mortalité des racines durant la période sèche, peut libérer encore davantage d’azote dans le sol. En face à ces contrainte la plante est obligé de se protégé contre le stress mais. Ca influencera sur la productivité. Par exemple: Le contrôle stomatique et la réduction de surface foliaire sont nécessaires au maintien de l'état hydrique des plantes, mais elles se traduisent par une baisse de photosynthèse. L'appareil reproducteur réduit le nombre de grains pour maintenir leur viabilité, mais ceci réduit de façon irréversible le rendement. c) Conséquences de périodes de déficit hydrique sur la qualité des produits récoltés Caractéristiques physique Les caractéristiques physiques diffèrent d’un produit à un autre par exemple: • Chez les fruits et les légumes frais: les propriétés physiques(taille, forme, couleur...) représentent un premier critère de • Chez les espèces à graine: la masse d'un grain de blé et sa dureté sont des critères importants Effets de la sécheresse sur la composition primaire des graines et des fruits la composition primaire des graines et des fruits est: hydrates de carbone, lipides et protéines, qui représentent la plus grande partie de la masse des organes récoltés. Généralement on dit que la sécheresse augmente la qualité mais ce n’est pas une règle générale par exemple: Chez les plantes à graines: les conditions chaudes et sèches causent une teneur supérieure en protéines chez le blé et une diminution de la teneur en huile chez le tournesol Chez les fruits surtout à consommation frais: Une sécheresse précoce pendant le développement du fruit induit une amélioration de la qualité par augmentation de la concentration en sucres et de l’intensité de la couleur rouge du fruit. Chez la vigne: La période précoce du développement de la baie est la plus sensible à la sécheresse en ce qui concerne la croissance de la baie, sans effet majeur sur la concentration en sucres qui s'accumulent dans un volume plus faible. Si la sécheresse est continue depuis la floraison à la maturité, le rendement baisse mais la concentration en sucre continue de baisser. Les effets dépendent très largement du stade pendant lequel le déficit hydrique se produit www.themegallery.com d) Conséquences en termes de stratégies de tolérance à la sécheresse et de tolérances relatives de différentes espèces au déficit hydrique Esquive, évitement et maintien de la croissance L'esquive consiste à placer le cycle cultural pendant des périodes où la demande climatique est faible et/ou pluvieuses.c’est à dire il consiste à éviter les périodes à forte demande climatique. Généralement la plus efficace consite à éviter l’été oula demande est deux fois plus que celle du printemps. Ainsi pour garder les stomates ouverts il faut une grande quantité d’eau Par exemple: le blé ait une efficience de l'eau similaire à celle du maïs bien que ce dernier ait une efficience intrinsèque supérieure à cause de son métabolisme www.themegallery.com Une autre stratégie efficace consiste à implanter des espèces ou génotypes à cycle cultural court, qui peuvent se développer avant les périodes les plus stressantes. Ce raccourcissement du cycle se traduit aussi par une réduction de la photosynthèse cumulée et donc du rendement potentiel Inconvénients de l’esquive: Dans les deux cas, l'esquive ne peut se raisonner qu'à l'échelle de l'exploitation agricole et des systèmes de culture. www.themegallery.com L'évitement consiste à empêcher que la plante ne soit soumise à un stress hydrique important. Génétiquement, il s'agit: des limitations de la surface foliaire e de la transpiration, d'un développement favorisé du système racinaire. D'une certaine manière, la limitation du nombre de grains peut être considérée comme un mécanisme d'évitement. Culturellement, il s'agit : d'une irrigation rationnée, qui consiste à apporter la quantité minimale d'eau pour maintenir une production acceptable. Le maintien consiste à maintenir les fonctions de la plante malgré le déficit hydrique. Elle est de nature essentiellement génétique. www.themegallery.com II- Biotechnologie 1 Tests des caractères cellulaires 2 Tests des caractères liés à l'intégration des fonctions physiologiques 3 4 1 De la sélection naturelle à la sélection dirigée Objectifs d’amélioration Les ressources génétiques Biotechnologie 1. Définition Ensemble des méthodes ou techniques utilisant des éléments du vivant (organismes, cellules, éléments subcellulaires ou moléculaires) pour rechercher, produire ou modifier des éléments ou organismes d'origine animale ou végétale. Biotechnologie 2) Culture in vitro La culture in vitro offre la possibilité de caractériser, à un niveau cellulaire, des marqueurs physiologiques associés à la résistance au sel. Cette technique présente l'avantage d'un meilleur contrôle des conditions de nutrition, tout en autorisant la manipulation d'un grand nombre de cellules, ce qui augmente la probabilité d'obtention de variantes avec les caractéristiques souhaités de résistance au sel. Biotechnologie Les cals cellulaires des feuilles, tiges et racines des deux espèces sauvages de tomate tolérantes au sel (L. peruvianum et L. pennellii) et de l'espèce cultivée sensible (L. esculentum) présentent les mêmes caractéristiques de résistance à NaCl que les plantes mères: les cals provenant des espèces tolérantes se développent mieux sur NaCl et accumulent plus de Na+ et Cl- que les cals issus de l'espèce sensible. Biotechnologie La différence de sensibilité au sel de neuf variétés de vigne se retrouve aussi au niveau de fragments apicaux de tige cultivés in vitro sur des milieux contenant jusqu'à 100 mM NaCl. des cals d'ovaires immatures prélevés sur deux espèces d'orge (Hordeum vulgare et H. jubitatum) expriment in vitro des degrés de résistance au sel en rapport avec la résistance relative au sel des plantes entières. Ces différents exemples montrent bien que le degré de résistance au sel, exprimé in vitro, ne reflète pas toujours correctement le degré de résistance au sel de la plante entière Biotechnologie Amelioration génétique La variabilité intraspécifique pour la tolérance aux stress permet d'envisager une amélioration variétale, or les effets des stress dépendent du stade de développement de la plante, des techniques culturales et des conditions climatiques et édaphiques. Cette création variétale nécessite des tests suffisamment simples et rapides pour permettre un tri à grande échelle avant les essais de rendement au champ. Biotechnologie Objectifs d'amélioration Deux types d'objectifs sont le plus souvent recherchés: le rendement et la qualité. a- Le rendement La productivité est la capacité potentielle d'une variété à produire des rendements élevés quand les conditions optimales sont réalisées. Les caractères quantitatifs sont sous la dépendance de plusieurs gènes dont l'hérédité ne peut s'expliquer par l'analyse mendélienne classique. La vigueur hybride est un bon exemple d'interaction entre gènes qui procure un supplément de productivité. Biotechnologie b- La souplesse d'adaptation Adaptation au milieu abiotique On recherchera la résistance au froid, à la sécheresse, à la pluie, pour atténuer les conséquences agro-climatiques, ainsi que la précocité, la tolérance au sel. Variabilité génétique et tolérance aux contraintes abiotiques: Les stress abiotiques constituent une cause majeure de perte de rendement, pour tous les types de culture, sous toutes les latitudes Les plantes mettent en oeuvre une grande variété de stratégies de tolérance et de survie. La compréhension des bases physiologiques et génétiques qui sous-tendent ces stratégies adaptatives est d'une importance majeure aussi bien pour des objectifs de biologie végétale fondamentale, que pour une amélioration des plantes cultivées qui participe à la mise en place d'une agriculture durable. Biotechnologie Adaptation au milieu biotique La création de variétés résistantes aux parasites et aux agents pathogènes est une solution à certains problèmes de pathologie face auxquels aucun traitement chimique n'existe pas. La résistance totale ou absolue, mono génique, est de faible durée car elle est très vite surmontée par l'agent pathogène: de nouveaux pathotypes La résistance partielle, polygénique, repose sur de nombreux gènes mineurs qui, associés, confèrent aux plantes une résistance générale suffisante, non spécifique. Ce type de résistance est plus durable, car le pathogène doit s'adapter progressivement aux différents gènes par mutations successives. Biotechnologie Variation et tolérance au stress abiotique Les stress abiotiques constituent une cause majeure de perte de rendement, pour tous les types de culture, sous toutes les latitudes. Les plantes, organismes inféodés à leur milieu, ont la capacité de tolérer des variations climatiques importantes, parfois extrêmes en mettant en oeuvre une grande variété de stratégies de tolérance et de survie. La compréhension des bases physiologiques et génétiques qui sous-tendent ces stratégies adaptatives est d'une importance majeure aussi bien pour des objectifs de biologie végétale fondamentale, que pour une amélioration des plantes cultivées qui participe à la mise en place d'une agriculture durable. Biotechnologie c- La valeur d'utilisation: la qualité Les critères de qualité sont étroitement en relation avec l'utilisation du produit pour la consommation humaine et l'alimentation animale, ou pour la transformation le sélectionneur doit tenir compte de l'évolution du goût des consommateurs, des technologies de la transformation, des techniques culturales (mécanisation de plus en plus poussée du semis à la récolte) étant donnée la période qui s'écoule entre le moment où les objectifs fixés sont atteints (de 6 à 10 ans minimum). Biotechnologie Les ressources génétiques Créer une variété nouvelle consiste à améliorer une variété existante en transformant son génotype. La modification d'un génotype peut se faire : Qualitativement: Elle porte sur la nature des gènes qui contrôlent les caractères recherchés et sur leur assemblage Quantitativement: Le dosage de l'information génétique étant modifié en augmentant (ou en diminuant) le nombre des chromosomes de l'espèce Biotechnologie 1) Tests des caractères cellulaires a- Résistance protoplasmique La résistance protoplasmique permet de définir la capacité de la cellule à supporter les fortes concentrations internes de sel Le test consiste à faire séjourner des coupes fines de tiges dans des solutions à différentes concentrations de NaCl (jusqu'à 1,5 M) pendant 24 h, puis dans une solution hypertonique de saccharose 1,5 à 2 M pendant encore 24 h. Le taux de cellules plasmolysées est ensuite déterminé après examen en microscopie optique Le test plasmolytique donne une bonne indication de la résistance des plantes entières au sel. Biotechnologie b- Perméabilité cellulaire L'augmentation de la perméabilité cellulaire sous l'effet d'un stress salin ou hydrique peut être estimée par la fuite d'électrolytes hors de la cellule. Le principe du test est d'immerger des disques foliaires à basse température dans une solution dont le potentiel osmotique a été abaissé par du polyéthylèneglycol. La perte d'électrolytes est mesurée par l'augmentation de la conductivité électrique du milieu d'exsorption. Appliqué à la tomate, ce test révèle curieusement une meilleure stabilité membranaire chez l'espèce sensible, Lycopersicon esculentum, que chez les espèces tolérantes au sel Biotechnologie c- Marqueurs moléculaires Synthèse de protéines Le sel induit des modifications qualitatives et quantitatives dans la synthèse des protéines, détectables par électrophorèse sur gel de polyacrylamide Au niveau des feuilles, le sel induit la synthèse de cinq nouvelles protéines de Mr 20 à 40 Kd et de pl 6,3 à 7,2.Trois d'entre elles sont spécifiques de la variété sensible et les deux autres communes aux deux variétés. Au niveau des racines, six nouvelles protéines sont synthétisées par les deux variétés. Biotechnologie Fragments de restriction (efficience de l'eau) L'efficience de l'eau est une composante importante de la résistance à la salinité et à la sécheresse. Elle est définie par la quantité de biomasse produite (ou de moles de C incorporées dans la matière sèche) par gramme d'eau absorbée. Il existe une variabilité considérable entre espèces et variétés pour ce paramètre, mais l'amélioration pour l'efficience de l'eau n'a pu être réalisée en raison de la difficulté de son évaluation en conditions de plein champ Biotechnologie Accumulation de proline L'accumulation de proline est l'une des manifestations les plus remarquables du stress salin et hydrique Le rôle de la proline dans la résistance au stress salin n'est pas encore élucidé. Il peut s'agir d'un osmoticum dont l'accumulation cytoplasmique permet de neutraliser les effets ioniques et osmotiques de l'accumulation du sel dans la vacuole. Selon un autre point de vue, l'accumulation de proline n'est pas une réaction d'adaptation au stress, mais plutôt le signe d'une perturbation métabolique. Biotechnologie Accumulation de sucres Les teneurs en saccharose et en amidon des racines et des feuilles semblent indicatrices du degré de résistance des espèces à la salinité. Une étude comparative a été menée sur le haricot (très sensible), le riz (sensible), le soja (moyennement résistant) et le cotonnier (tolérant). Les analyses de sucres ont été faites sur des plantes de 21 à 35 jours, cultivées pendant sept jours sur des solutions contenant 40 à 60 mM NaCl. Biotechnologie Les résultats révèlent que la teneur en saccharose des feuilles: Augmente considérablement chez le haricot et plus faiblement chez le riz. Diminue légèrement chez le soja et plus fortement chez le cotonnier. La teneur des racines en saccharose augmente en relation inverse avec la résistance au sel: l'espèce la plus sensible est celle qui présente la plus forte accumulation racinaire de saccharose. La teneur en amidon des feuilles est augmentée chez le haricot, alors qu'elle diminue chez le cotonnier Biotechnologie Biotechnologie 2) Tests des caractères liés à l'intégration des fonctions physiologiques a- Germination et émergence La germination et l'émergence des plantules en conditions de stress salin sont révélatrices d'un potentiel génétique de tolérance à la salinité, au moins à ce stade de développement de la plante Des différences marquées dans la capacité à émerger en milieu salé apparaissent à l'examen de quatre variétés de triticale. Mais l'étude du comportement de ces variétés au champ ne révèle aucune relation claire entre la performance au stade jeune et la résistance au sel au stade adulte Dans le cas de l'orge, la comparaison du test d'émergence des plantules en présence de 400 mM NaCI avec le rendement au champ des plantes donne un coefficient de corrélation de 0,12 [, ce qui met en cause la validité de ce test chez les espèces dont la sensibilité au sel varie avec le stade de développement Biotechnologie b- Croissance, développement et survie La tolérance au sel s'exprime habituellement en termes de croissance, de rendement ou de survie. Pour la plupart des plantes étudiées, elle peut être définie par une équation linéaire simple du type YR = 100 - B (Ke - A), où Yr représente la croissance ou le rendement, Ke la conductivité électrique du sol, A le seuil de conductivité électrique à partir duquel on observe une baisse de croissance, et B le pourcentage de réduction de croissance par unité d'augmentation de conductivité électrique au-delà du seuil A. Dans les tests de survie, le taux de mortalité est mesuré en fonction de la concentration de sel dans le milieu. Il permet de définir le paramètre Dso, qui est le temps nécessaire pour observer 50 % de mortalité. Biotechnologie 3) De la sélection naturelle à la sélection dirigée a) Évolution des populations naturelles : sélection naturelle Une population génétique est constituée par l'ensemble des individus se reproduisant librement entre eux et vivant dans un même milieu. Un équilibre s'établit entre le milieu biologique et la population dont l'effectif est stable de génération en génération. Biotechnologie b) Hérédité non chromosomique (hérédité cytoplasmique) Le patrimoine héréditaire d'une plante ne comprend pas uniquement les gènes de l'ADN chromosomique, mais également les gènes de l'ADN mitochondrial et de l'ADN chloroplastique. On désigne par hérédité non chromosomique ou hérédité cytoplasmique l'information génétique située dans les mitochondries et les chloroplastes. Biotechnologie c) Exemples d'hérédité non chromosomique Hérédité d'origine chloroplastique La résistance à certains herbicides est localisée dans les chloroplastes. Hérédité d'origine mitochondriale Le cas d'hérédité cytoplasmique située dans les mitochondries qui ouvre les perspectives les plus intéressantes, est celui de la stérilité mâle cytoplasmique. En effet, l'existence de types mâles stériles (pollen avorté) permet la production d'hybrides en évitant la castration manuelle. Biotechnologie d) La pression de sélection Elle élimine, bien que non totalement, les génotypes incapables de produire des descendants adaptés à leur milieu ou à un nouveau milieu. Remarque: les allèles mutés récessifs ou létaux à l'état homozygote sont maintenus en proportion notable et constituent une réserve de variabilité pour les populations hétérozygotes susceptibles de s'adapter à un nouveau milieu. Biotechnologie f) L'amélioration méthodique des plantes L’apparition d'une nouvelle variété n'est plus le fruit du hasard de l'hybridation ou des mutations. L'améliorateur ne se limite plus à exercer une seule pression de sélection, il crée une variété mieux adaptée aux besoins de l'agriculture, il dirige l’évolution en orientant la pression de diversification. Etude de cas La tolérance à la sécheresse du Géranium Le Géranium (Pelargonium x hortorum) est une espèce ornementale qui s'adapte à diverses utilisations. Vu le contexte mondiale de l'eau, l'enjeu de créer des variétés résistantes à la sécheresse est devenue une priorité La culture in vitro se pratique pour assurer la multiplication clonale des génotypes élites et se considère comme une technique alternative efficace pour la recherche de nouvelles variétés qui s'utilise pour l'induction de la résistance aux agents biotiques (bactéries et virus pathogènes) et abiotiques (sécheresse, salinité) par hybridation somatique, variation somaclonale ou par transformation génétique. Variétés de géranium tolérantes Les techniques de régénération de plantes à partir des disques foliaires ont été largement utilisées en sélection, cependant il existe une grande variabilité de milieux selon le génotype et les objectifs de la culture. Variétés de géranium tolérantes La culture des protoplastes est aussi un outil potentiel pour développer des clones. Cette technologie est utilisée pour la création des variétés par mutagenèse, fusion somatique variation soma-clonale, et transformation génétique. Pour le pélargonium, le tissu mésophylien des jeunes feuilles est le matériel qui donne les meilleurs résultats Variétés de géranium tolérantes Pour tester la réaction du cal issues de disques foliaires et des protoplastes à la sécheresse induite, différentes concentrations d‘osomoticum (Saccharose, Mannitol et Sorbitol de 0,2 jusqu'à 1,2M) ont été ajoutées au milieu pour augmenter la pression osmotique du milieu afin de créer les conditions de stress. Deux génotypes de Pelargonium x hortorum ('Deep Salmon' et 'Panaché Sud') ont été utilisés dans ce travail. La variété 'Deep Salmon' a été obtenue par semis suivi de repiquage et par micro bouturage in vitro alors que la variété 'Panaché Sud' a été multipliée par micro-bouturage de pousses terminales in vitro. Variétés de géranium tolérantes a- Effet du milieu sur la croissance des disques foliaires et leur callogenèse Au début de la culture des disques foliaires, il n' y a pas eu de différence significative entre les 2 types d'agar et c'est seulement à la fin de la 3ème semaine que le Phytagel a fini par avoir un effet meilleur que le Gelrite sur la croissance des disques foliaires et sur le développement du Cal (Fig. l-A). Après 21 jours, la croissance des disques ainsi leur callogénèse ont été favorisées par la dilution du milieu MS de base. Le milieu dilué MS/2 a causé une formation de cal égale au double de celle mesurée dans le milieu MS normal (Fig. I-B). Le taux de croissance des disques et des cals a été favorisé par l'obscurité (Fig. l-C): La lumière a partiellement inhibé la croissance des cals. La meilleure croissance a été réalisée en présence de la combinaison (C2) la plus riche en cytokinines (contenant Img/l de BAP et de Zéatine au lieu de 0,5 mg/l chacune, Fig. I-D). Variétés de géranium tolérantes Fig.1: Effet du type d'agar (A), de la concentration du milieu (B), de la lumière (C) et de la combinaison en hormones (D) sur la croissance des disques foliaires et leur callogénèse Variétés de géranium tolérantes b Effet d'une sécheresse induite par les agents osmoplasmolysants (sucres) sur la survie et croissance des cals Le taux de croissance des cals (évolution du poids du cal néoformé) chez la variété 'Deep Salmon' est inversement proportionnel à la concentration en agent plasmolysant (sucres). Après 3 semaines, les cals ont pu résister à des concentrations inférieures à O,58 M pour le Saccharose et 0,32M pour le Mannitol et Sorbitol. (Fig.2). Variétés de géranium tolérantes Fig.2: Effet des concentrations d'agents plasmolysants (Saccharose, Mannitol et Sorbitol) sur la callogénèse chez 'Deep Salmon' (expriméeen grammede cal produit après 21 jours). Variétés de géranium tolérantes c- Isolation et purification des protoplastes Le pourcentage de viabilité et le rendement des protoplastes ont augmenté après rinçages successifs Le maximum de viabilité et de rendement ainsi que le plus grand diamètre des protoplastes sont obtenus chez 'Panaché' Sud' après deux rinçages avec les valeurs respectives de 90,6%, Il.3 5.106 P/g MF et 40,75mm. La callogénèse (à partir des disques foliaires) et la culture de protoplastes peuvent permettre dans un temps relativement rapide (21 jours) d'accéder à la mutagenèse in vitro chez le Pelargonium x hortorum. La technique des disques foliaires, même s'elle ne permet pas une maîtrise de la fusion directe des cellules, elle est cependant considérée la plus simple techniquement car elle ne fait pas appel à du matériel sophistiqué. LOGO
