martigues_01_2017-2 ( PDF - 2.8 Mo)
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Génétique et innovation variétale en fruits et légumes Michel PITRAT Lycée Paul Langevin (Martigues), 16 janvier 2017 Notions d’espèce de domestication (formes sauvages et cultivées) de variété Ressources génétiques Innovation variétale Pourquoi ? Objectifs ? Comment ? Méthodes et outils Qui ? Les acteurs, les métiers Variation Mutation Phénotype Sélection Naturelle Temps X Artificielle (homme) Espace Variation discontinue Variation discontinue ou qualitative couleur résistance aux maladies présence/absence d’un caractère Caractères mendéliens Correspondent à un petit nombre de gènes A un locus (lieu) d’un individu diploïde on peut avoir les deux mêmes allèles (homozygotie) ou deux allèles différents (hétérozygotie) Variation continue Nb 40 35 30 25 20 15 10 5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Valeur du caractère Distribution d’un caractère quantitatif Notion d’espèce Deux individus appartiennent à la même espèce si, par voie sexuée, ils donnent un hybride fertile Jument (Equus caballus) Ane (Equus asinus) Mule / Mulet Notion d’espèce Chou-fleur, Brocoli, Romanesco, Chou de Bruxelles, Chou rave, Chou cabus rouge et blanc, Chou de Milan (et choux sauvages) peuvent s’intercroiser Betterave potagère, Betterave sucrière, Betterave fourragère, Côte de bette (et betterave sauvage) peuvent s’intercroiser Céleri rave et Céleri branche (et céleri sauvage) peuvent s’intercroiser Artichaut et cardon peuvent s’intercroiser … Notion d’espèce Cucurbita maxima Potiron Potiron turban Potimarron… Cucurbita pepo Courgette, Pâtisson Citrouille (halloween) Coloquintes décoratives Courge spaghetti… Cucurbita moschata Courge musquée Courge longue de Nice Sucrine du Berry… Domestication et sélection Domestication Sauvage Cultivars Sélection Diversification Féral Domestication = Interdépendance homme / plantes. Plantes ne peuvent pas survivre sans l’homme (et réciproquement) Sélection = Ajustement génétique des plantes au service de l’homme (Contraintes physiques, biologiques, socio-économiques). Suivant le temps et l’espace Domestication et sélection représentent un continuum (pas de limite nette) Domestication et sélection « Syndrome de domestication » étudié surtout chez les céréales : Dormance des graines, solidité du rachis, structure de la plante, structure de l’inflorescence… Chez les fruits et légumes : Dormance des graines, taille des fruits, des feuilles, des racines, mode de reproduction… Tomate sauvage : très petits fruits (1-2g), allogamie avec sortie du style Présents dans tous les cultigroupes ou variétés. Sélection ou diversification : Couleur, forme, précocité… Caractères présents dans seulement certains cultigroupes ou certaines variétés 2000 Cultigroupes Cultigroupes -5000 Sélection naturelle Temps Sauvage Domestications indépendantes Choux européens Forme sauvage Choux européens chou-fleur Inflorescence brocoli Bourgeons axillaires Bruxelles cabus moellier chou rave Tige Feuille de Milan frisé Forme sauvage Choux européens Sélection divergente Beta vulgaris Côte de bette Poirée Betterave Céleri rave Céleri branche Apium graveolens Sélection divergente Cynara cardunculus Cardon Artichaut Sélection convergente Brassica rapa Pak choï Pe tsaï Beta vulgaris Bette = Blette = Poirée Diversité du piment Diversité de la tomate Diversité de l’aubergine Melon sauvage Diversité du melon Origines géographiques Europe Choux, Navet, Rutabaga, Mâche, Betterave, Panais, Asperge, Céleri, Scorsonère Framboisier, Groseillier, Mûre, Myrtille, Cerisier, Noisetier Méditerranée, Asie occidentale Laitue, Chicorées, Artichaut, Radis, Betterave, Poireau, Lentilles, Fève, Pois chiche, (Pois?) Vigne, Olivier, Figuier, Dattier, Cerisier, Griotte, Pommier, Poirier, Prunier, Cognassier, Noyer, Chataîgnier Noisetier Origines géographiques Asie centrale Epinard, Carotte, Oignon, Ail Pommier, Poirier Inde, Asie du Sud-Est Aubergine, Concombre, Melon Agrumes, Bananier Cocotier Extrême-Orient Chou chinois, Radis Pêcher, Abricotier, Kiwi Origines géographiques Afrique Melon, Pastèque, Gombo Australie, Nelle Zélande Tétragone Amérique centrale et sud Pomme de terre, Haricot, Tomate, Piment, Courges, Patate douce, Topinambour (Am. Nord) Ananas, Avocat, Fraisier (Am. Nord et Sud) Espèces, mais… Croisements interspécifiques partiels Presque toutes les résistances aux maladies dans les variétés modernes de tomates… Beaucoup de résistances dans les laitues ou les piments… viennent d’espèces voisines sauvages ou cultivées Croisements interspécifiques complets n = 2x = 18 (génomes A+B) B. juncea Moutarde brune ou Moutarde de Chine n = x = 10 (génome A) B. rapa - navet, navette - chou chinois n=2x=19 (génomes A+C) B. napus - Colza - Chou-navet - Rutabaga n=x=9 (génome C) n=x=8 (génome B) B. oleracea B. nigra Moutarde noire n = 2x = 17 (génomes B+C) B. carinata Moutarde d’Ethiopie Choux potagers (Europe) Notion de variété Variété ou cultivar Distinct des autres variétés Homogène, suivant la structure génétique Stable dans le temps Cultigroupe Ensemble de variétés présentant des caractéristiques proches Biologie florale et génétique Plantes autogames : autofécondation naturelle laitue, tomate, pois, haricot… Plantes allogames : intercroisements entre plantes transport du pollen assuré par les insectes ou le vent autofécondation possible et peu de baisse de vigueur melon, concombre, courge, courgette autofécondation possible mais forte baisse de vigueur betterave, oignon, poireau autofécondation impossible ou très difficile choux, navet, radis, chicorée, asperge Conséquences de l’autofécondation Aa AA Aa aa 1/4 1/2 1/4 Conséquences de l’autofécondation Aa AA Aa aa 1/4 1/2 1/4 AA Aa aa 3/8 1/4 3/8 Conséquences de l’autofécondation Fréquence Hétérozygote Aa AA Aa aa 1/4 1/2 1/4 AA Aa aa 3/8 1/4 3/8 AA Aa …… aa AA Aa aa 1/2 1/4 1/8 1/2n Conséquences de l’autofécondation Pour chaque gène, la fréquence des hétérozygotes diminue de 1/2 à chaque génération d’autofécondation A partir d’un individu hétérozygote à x locus, on obtient 2x lignées homozygotes différentes : 1 gène AA et aa 2 gènes AABB, AAbb, aaBB et aabb 3 gènes AABBCC, AABBcc, AAbbCC, AAbbcc, aaBBCC, aaBBcc, aabbCC et aabbcc ... Inbreeding et Hétérosis Inbreeding = Baisse de vigueur et de fertilité liée à l’homozygotie résultant de la consanguinité Expression de gènes récessifs délétères Suppression de dominance et superdominance Perte ou appauvrissement des relations d’épistasie Autogames peu d’effet d’inbreeding lignée pure Hétérosis = inverse de l’effet d’inbreeding = augmentation de la vigueur liée à l’état hétérozygote Allogames fort effet d’inbreeding hybrides supériorité du meilleur hybride sur la moyenne de la population d'origine Supériorité du meilleur hybride sur le meilleur parent X i = Effet moyen de l'inbreeding Population d'individus hétérozygotes Supériorité de la moyenne des hybrides sur la moyenne des lignées (en l'absence de sélection = i) Population de lignées homozygotes Population d'hybrides hétérozygotes Structure génétique d’une variété Plantes à multiplication par graines Lignée homogène, homozygote autoreproductible laitue, pois, haricot, tomate, courge… Hybride homogène, hétérozygote non-autoreproductible tomate, melon, poivron, concombre… Population ± autoreproductible hétérogène, hétérozygote betterave, poireau, oignon, choux… Structure génétique d’une variété Plantes à multiplication végétative pomme de terre, ail, artichaut… arbres fruitiers, vigne, fraisier, framboisier… Clone Ressources génétiques Ressources patrimoniales : collecte et entretien de populations, races de pays, vieilles variétés… Espèces sauvages ou cultivées apparentées Cultivars modernes (y compris variétés protégées) Matériel propre du sélectionneur Notions d’espèce de domestication (formes sauvages et cultivées) de variété Ressources génétiques Innovation variétale Pourquoi ? Objectifs ? Comment ? Méthodes et outils Qui ? Les acteurs, les métiers Objectifs de l’innovation variétale Adaptation aux conditions agro-pédo-climatiques Culture sous serre (tomate, concombre) Forçage des endives sans terre de couverture Changement climatique Récolte mécanique Pois, haricot, tomate d’industrie Qualité Diversification Qualités technologiques Fermeté, conservation après récolte Nutrition, santé Saveur, arôme Résistance aux bioagresseurs Virus, bactéries, champignons, insectes, nématodes Sélection créatrice Association de gènes (présents dans des variétés différentes) contrôlant : des caractères différents Résistance aux maladies Taille du fruit Précocité Rendement Teneur en sucres … le même caractère Nouvelle variété Un schéma général d’innovation variétale Commercialisation Inscription au catalogue Multiplication Sélection, tri Recombinaison Diversité, Polymorphisme, Variabilité Outils Recombinaison génétique (méiose) Culture in vitro Haploïdie Embryons immatures (croisements interspécifiques) Fusion de protoplastes (laitue) Culture de méristème (ail) Organisme génétiquement modifié (OGM) Biologie moléculaire Cartes génétiques Sélection assistée par marqueurs Clonage de gènes Haplo-diploïdisation Plante haploïde provenant du développement d’une cellule ayant subi la réduction chromatique Gamétophyte femelle Polyembryonie et gémellarité (développement d’une synergide…) (piment, asperge) Gynogenèse induite par - pollen irradié (melon, concombre) - croisement interspécifique (Pomme de terre x Solanum phureja) Culture in vitro d’ovules non fécondés Gamétophyte mâle = androgenèse Culture d’anthères (piment, aubergine, choux) Culture de pollen Haplo-diploïdisation P1 P2 F1 Androgenèse ou gynogenèse Haplo-diploïdisation Plantes haploïdes Colchicine Plantes haploïdes doublées, totalement homozygotes lignées haploïdes doublées Plante génétiquement modifiée (OGM) Insertion dans le génome d’une plante d’un fragment d’ADN isolé in vitro provenant d’un autre organisme (virus, bactérie, plante, animal…) 1982 : production de la première plante transgénique (tabac résistant à un antibiotique) 1986 : tabac résistant à un herbicide (gène bactérien) 1987 : tabac résistant à un insecte (gène Bt) 199x : maïs, coton, pomme de terre, soja… résistants à des herbicides ou à des insectes. 2000 : riz doré (β-carotène = provitamine A) Plante génétiquement modifiée (OGM) Courgette 1ère plante transgénique autorisée à la culture aux USA (protéine capside de 2 potyvirus) (1989) Tomate antisens polygalacturonase, commercialisée en 1994 aux USA (Calgene) Melon 1ère plante transgénique inscrite au catalogue français (ribozyme CMV) (1996) Laitue diminution de la teneur en nitrate dans les feuilles avec un gène NR de tabac. Papayer résistance à un virus (PRSV) Plante génétiquement modifiée (OGM) Méthodes : Agrobacterium tumefaciens Biolistique CRISP-Cas9 Plante génétiquement modifiée (OGM) Risques : Santé humaine Flux de gènes entre plante OGM cultivée et plante non-OGM cultivée ou plante sauvage Effets sur populations de bioagresseurs Effets autres (pollinisateurs…) Sélection assistée par marqueurs moléculaires Cartes génétiques ± saturées Séquence du génome Caractère monogénique Gène cloné (séquence connue) Caractère polygénique La couleur jaune du piment yy y+y+ Croisement y+y Autofécondation 1/4 yy + 1/2 y+y + 1/4 y+y+ 1/4 jaune + 3/4 rouge La couleur jaune du piment Transfert de y dans une variété à fruit rouge par « sélection traditionnelle » (BC phénotype) R Sélection, tri J F1 F2 3/4 R 1/4 J BC1 Recombinaison R BC1I1 3/4 R 1/4 J R BC2 etc... Marquage moléculaire de y Croisement CD25 T16_1.6 CT204 Autofécondation y chromosome indigo La couleur jaune du piment Dernière étape de synthèse des keto-caroténoïdes contrôlée par le gène C.C.S. anthéraxanthine violaxanthine C.C.S. capsanthine capsorubine La couleur jaune du piment Cartographie de CCS, gène candidat pour y CD25 T16_1.6 CT204 y CCS chromosome indigo Sélection assistée par marqueurs pour la couleur du fruit de piment R J ↓ F1 x R → BC1 x R → BC2 x R → BC3 ... Utilisation du gène CCS comme marqueur Tri sur plantule (par PCR) Lecture directe du génotype (⊕ inutile) Transfert de y plus rapide ↓⊕ R J Biologie florale du melon Trois type de fleurs Femelle Hermaphrodite Mâle Biologie florale du melon Deux gènes majeurs : a et g Fleurs mâles Etamines dans fleurs femelles Présence Présence Absence g+ g Andromonoïque Hermaphrodite Monoïque Gynoïque a Absence a+ Biologie florale du melon Le gène a est une ACC synthase (avant dernière enzyme dans la voie de biosynthèse de l’éthylène) : Mutation ponctuelle (SNP) Biologie florale du melon Le gène g correspond à l’insertion d’un transposon à proximité d’un facteur de transcription. pas d’expression du gène Méthylation du promoteur Un schéma général d’innovation variétale Association de gènes (présents dans les ressources génétiques) contrôlant : des caractères différents Résistance aux maladies Taille du fruit Précocité Rendement Teneur en sucres … le même caractère Sélection, tri Recombinaison Diversité, Polymorphisme, Variabilité Piment Amérique du Nord Phytophthora capsici Potyvirus Inde TMV Andes CMV Potyvirus CMV (C. baccatum) Italie France F1 GADIR Taille fruit, adaptation Type variétal Qualité Adaptation Conclusions L’amélioration des plantes a commencé il y a ± 10.000 ans (révolution néolithique = invention de l’agriculture). D’abord domestication puis sélection et diversification Jusqu’au XIXème siècle ou mi-XXème siècle, les agriculteurs sont sélectionneurs et multiplicateurs de graines. Aujourd’hui, séparation des métiers : - Obtenteurs - Multiplicateurs de semences - Utilisateurs : agriculteurs et amateurs Evolution des besoins les variétés d’hier ne sont pas les variétés d’aujourd’hui qui ne sont pas les variétés de demain La connaissance des lois de la génétique et les outils technologiques accélèrent l’innovation variétale Les acteurs en France Les métiers Technicien, Ingénieur, Chercheur BAC BAC +2, BAC +3 Maîtrise, Ingénieur (BAC +5) Thèse (BAC +8) Travail de « terrain » Entretien des plantes Tests de résistance aux maladies Observations, descriptions … Travail de « laboratoire » Biologie cellulaire Biologie moléculaire Biochimie … Informatique
