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Génétique et
innovation variétale
en fruits et légumesen fruits et légumes
Lycée Paul Langevin (Martigues), 16 janvier 2017
Michel PITRAT
Notionsd’espèce
de domestication (formes sauvages et cultivées)de variété
Ressources génétiquesRessources génétiques
Innovation variétalePourquoi ? Objectifs ?Comment ? Méthodes et outilsQui ? Les acteurs, les métiers
Variation discontinue
Variation discontinue ou qualitative couleurrésistance aux maladiesprésence/absence d’un caractère
Caractères mendéliensCaractères mendéliens
Correspondent à un petit nombre de gènesA un locus (lieu) d’un individu diploïde on peut avoir lesdeux mêmes allèles (homozygotie) ou deux allèlesdifférents (hétérozygotie)
Variation continue
20
25
30
35
40Nb
Distribution d’un caractère quantitatif
0
5
10
15
20
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Valeur du caractère
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
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, Betteravefourragère, Côte de bette (et betterave sauvage)peuvent s’intercroiser
Notion d’espèce
peuvent s’intercroiser
Céleri rave et Céleri branche (et céleri sauvage)peuvent s’intercroiser
Artichaut et cardon peuvent s’intercroiser
…
Cucurbita pepoCourgette, Pâtisson
Cucurbita maximaPotiron
Potiron turbanPotimarron…
Notion d’espèce
Courgette, PâtissonCitrouille (halloween)
Coloquintes décorativesCourge spaghetti…
Cucurbita moschataCourge musquée
Courge longue de NiceSucrine du Berry…
Domestication et sélection
CultivarsSauvage
Féral
Domestication
SélectionDiversification
Féral
Domestication = Interdépendance homme / plantes.Plantes ne peuvent pas survivre sans l’homme (et réciproquement)
Sélection = Ajustement génétique des plantes au service del’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
Sélection ou diversification : Couleur, forme, précocité…Caractères présents dans seulementcertains cultigroupes ou certaines variétés
Tomate sauvage : très petits fruits (1-2g), allogamie avecsortie du style
Présents dans tous les cultigroupes ou variétés.
2000T
em
ps
Sé
lecti
on
na
ture
lle
Sauvage
Cultigroupes Cultigroupes
-5000
Te
mp
s
Sé
lecti
on
na
ture
lle
Domesticationsindépendantes
Bourgeonsaxillaires
Bruxelles
Choux européens
Inflorescencechou-fleur
brocoli
Formesauvage
Feuille
cabus
de Milan
frisé
Tigemoellier
chou rave
Beta vulgaris
BetteraveCôte de bettePoirée
Sélection divergente
Apium graveolens
Céleri rave Céleri branche
Origines géographiques
Europe
Choux, Navet, Rutabaga, Framboisier, Groseillier,Mâche, Betterave, Panais, Mûre, Myrtille,Asperge, Céleri, Scorsonère Cerisier, Noisetier
Méditerranée, Asie occidentale
Laitue, Chicorées, Vigne, Olivier,Artichaut, Radis, Betterave, Figuier, Dattier,Poireau, Lentilles, Fève, Cerisier, Griotte,Pois chiche, (Pois?) Pommier, Poirier,
Prunier, Cognassier,Noyer, ChataîgnierNoisetier
Origines géographiques
Asie centrale
Epinard, Carotte, Pommier, PoirierOignon, Ail
Inde, Asie du Sud-Est
Aubergine, Concombre, Agrumes, BananierAubergine, Concombre, Agrumes, BananierMelon Cocotier
Extrême-Orient
Chou chinois, Radis Pêcher, Abricotier,Kiwi
Origines géographiques
Afrique
Melon, Pastèque,Gombo
Australie, Nelle Zélande
Amérique centrale et sud
Pomme de terre, Haricot, Tomate, Ananas, Avocat,Piment, Courges, Patate douce,Topinambour (Am. Nord) Fraisier (Am. Nord et Sud)
Tétragone
Croisements interspécifiques partiels
Presque toutes les résistances aux maladies dans les variétés modernes de tomates…Beaucoup de résistances dans les laitues ou les piments…
Espèces, mais…
Beaucoup de résistances dans les laitues ou les piments…
viennent d’espèces voisines sauvages ou cultivées
Croisements interspécifiques complets
n = x = 10
(génome A)
B. rapa- navet, navette
- chou chinois
n = 2x = 18(génomes A+B)
B. junceaMoutarde brune ouMoutarde de Chine
n=2x=19(génomes A+C)
B. napus- Colza
- Chou-navet- Rutabaga
n = x = 8
(génome B)
B. nigraMoutarde noire
n = x = 9
(génome C)
B. oleraceaChoux potagers
(Europe)n = 2x = 17(génomes B+C)
B. carinataMoutarde d’Ethiopie
Notion de variété
Variété ou cultivar
Distinct des autres variétés
Homogène, suivant la structure génétique
Stable dans le temps
Cultigroupe
Ensemble de variétés présentant descaractéristiques proches
Biologie florale et génétique
Plantes autogames : autofécondation naturellelaitue, tomate, pois, haricot…
Plantes allogames : intercroisements entre plantestransport du pollen assuré par les insectes ou le vent
autofécondation possible et peu de baisse de vigueurmelon, concombre, courge, courgettemelon, concombre, courge, courgette
autofécondation possible mais forte baisse de vigueurbetterave, oignon, poireau
autofécondation impossible ou très difficilechoux, navet, radis, chicorée, asperge
Conséquences de l’autofécondationAa
AA Aa aa1/4 1/2 1/4
AA Aa aa
FréquenceHétérozygote
1/2
1/4AA Aa aa3/8 1/4 3/8
AA Aa aa……
AA Aa aa
1/4
1/8
1/2n
Pour chaque gène, la fréquence des hétérozygotes diminuede 1/2 à chaque génération d’autofécondation
A partir d’un individu hétérozygote à x locus, on obtient2x lignées homozygotes différentes :
Conséquences de l’autofécondation
2x lignées homozygotes différentes :1 gène � AA et aa2 gènes � AABB, AAbb, aaBB et aabb3 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 consanguinitéExpression de gènes récessifs délétèresSuppression de dominance et superdominancePerte ou appauvrissement des relations d’épistasie
Autogames � peu d’effet d’inbreeding � lignée pureAutogames � 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
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X
supériorité du meilleur hybridesur la moyenne
de la population d'origine
Supérioritédu meilleur
hybride sur lemeilleur parent
� �
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� �
Population d'individushétérozygotes
� � � � �
� � � � �
� � � � �
� � � � �
i = Effet moyende l'inbreeding
Population de lignéeshomozygotes
Population d'hybrideshétérozygotes
Supériorité dela moyenne deshybrides sur la
moyenne des lignées(en l'absence de
sélection = i)
Structure génétique d’une variété
Plantes à multiplication par graines
Lignéehomogène, homozygote � autoreproductible
laitue, pois, haricot, tomate, courge…
HybrideHybridehomogène, hétérozygote � non-autoreproductible
tomate, melon, poivron, concombre…
Populationhétérogène, hétérozygote � ± autoreproductible
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
Notionsd’espèce
de domestication (formes sauvages et cultivées)de variété
Ressources génétiquesRessources génétiques
Innovation variétalePourquoi ? Objectifs ?Comment ? Méthodes et outilsQui ? Les acteurs, les métiers
Objectifs de l’innovation variétale
Adaptation aux conditions agro-pédo-climatiquesCulture sous serre (tomate, concombre)Forçage des endives sans terre de couvertureChangement climatique
Récolte mécaniquePois, haricot, tomate d’industrie
QualitéDiversification Qualités technologiquesFermeté, conservation après récolteNutrition, santéSaveur, arôme
Résistance aux bioagresseursVirus, bactéries, champignons, insectes, nématodes
Association de gènes (présents dans des variétés différentes)contrôlant :
des caractères différentsRésistance aux maladiesTaille du fruitPrécocitéRendementTeneur en sucres
Sélection créatrice
Teneur en sucres…
le même caractère
Nouvelle variété
Un schéma général d’innovation variétale
Multiplication
Inscription au catalogue
Commercialisation
Diversité, Polymorphisme, Variabilité
Recombinaison
Sélection, tri
Outils
Recombinaison génétique (méiose)
Culture in vitroHaploïdieEmbryons immatures (croisements interspécifiques)Fusion de protoplastes (laitue)Culture de méristème (ail)Culture de méristème (ail)Organisme génétiquement modifié (OGM)
Biologie moléculaireCartes génétiquesSélection assistée par marqueursClonage de gènes
Plante haploïde provenant du développement d’une celluleayant subi la réduction chromatique
Gamétophyte femellePolyembryonie et gémellarité (développement d’une
synergide…) (piment, asperge)Gynogenèse induite par
- pollen irradié (melon, concombre)
Haplo-diploïdisation
- pollen irradié (melon, concombre)- croisement interspécifique
(Pomme de terre x Solanum phureja)Culture in vitro d’ovules non fécondés
Gamétophyte mâle = androgenèseCulture d’anthères (piment, aubergine, choux)Culture de pollen
Colchicine
Plantes haploïdesHaplo-diploïdisation
Plantes haploïdes doublées, totalement homozygotes� lignées haploïdes doublées
Plante génétiquement modifiée (OGM)
1982 : production de la première plante transgénique(tabac résistant à un antibiotique)
Insertion dans le génome d’une plante d’un fragment d’ADNisolé in vitro provenant d’un autre organisme(virus, bactérie, plante, animal…)
1986 : tabac résistant à un herbicide (gène bactérien)
1987 : tabac résistant à un insecte (gène Bt)
199x : maïs, coton, pomme de terre, soja… résistantsà des herbicides ou à des insectes.
2000 : riz doré (β-carotène = provitamine A)
Courgette1ère plante transgénique autorisée à la culture auxUSA (protéine capside de 2 potyvirus) (1989)
Tomateantisens polygalacturonase, commercialisée en1994 aux USA (Calgene)
Plante génétiquement modifiée (OGM)
Melon1ère plante transgénique inscrite au cataloguefrançais (ribozyme CMV) (1996)
Laituediminution de la teneur en nitrate dans les feuillesavec un gène NR de tabac.
Papayerrésistance à un virus (PRSV)
Plante génétiquement modifiée (OGM)
Risques :
Santé humaine
Flux de gènes entre plante OGM cultivée et plante non-OGM cultivée ou plante sauvageplante 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 monogéniqueCaractère monogénique
Gène cloné (séquence connue)
Caractère polygénique
La couleur jaune du piment
Croisement
y+y+ yy
y+y
Autofécondation
y+y
1/4 yy + 1/2 y+y + 1/4 y+y+
1/4 jaune + 3/4 rouge
Transfert de y dans une variété à fruit rouge par« sélection traditionnelle » (BC phénotype)
R J
La couleur jaune du piment
Sélection, tri
F1 F2 3/4 R1/4 J R
BC1 BC1I1 3/4 R1/4 J R
BC2 etc...
Recombinaison
Dernière étape de synthèse des keto-caroténoïdes contrôlée par le gène C.C.S.
La couleur jaune du piment
anthéraxanthine
capsanthine
violaxanthine
capsorubine
C.C.S.
Cartographie de CCS, gène candidat pour y
CD25T16_1.6
La couleur jaune du piment
chromosome indigo
CT204
yCCS
Sélection assistée par marqueurspour la couleur du fruit de piment
R J↓F1 x R → BC1 x R → BC2 x R → BC3 ...
↓⊕R JR J
Utilisation du gène CCS comme marqueur
Tri sur plantule (par PCR)
Lecture directe du génotype (⊕ inutile)
Transfert de y plus rapide
Deux gènes majeurs : a et g
Fleurs mâlesPrésence Absence
Biologie florale du melon
Présence Absence
g+ g
Etamines Présence Andromonoïque Hermaphrodite
dans afleurs Absence Monoïque Gynoïque
femelles a+
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 transposonà proximité d’un facteur de transcription.Méthylation du promoteur � pas d’expression du gène
Biologie florale du melon
Un schéma général d’innovation variétale
Association de gènes (présents dans les ressources génétiques)contrôlant :
des caractères différentsRésistance aux maladiesTaille du fruitPrécocitéRendementTeneur en sucres…
Diversité, Polymorphisme, Variabilité
Recombinaison
Sélection, tri
…le même caractère
Andes
CMV(C. baccatum)
Amérique du Nord Phytophthora capsiciPotyvirus
TMVInde
CMVPotyvirus
Piment
F1 GADIR
(C. baccatum)
France
Type variétalQualitéAdaptation
Italie
Taille fruit, 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 agriculteurssont sélectionneurs et multiplicateurs de graines.
Aujourd’hui, séparation des métiers :- Obtenteurs- Obtenteurs- Multiplicateurs de semences- Utilisateurs : agriculteurs et amateurs
Evolution des besoins � les variétés d’hier ne sont pasles variétés d’aujourd’hui qui ne sont pasles variétés de demain
La connaissance des lois de la génétique et les outilstechnologiques accélèrent l’innovation variétale
Les métiers
Technicien, Ingénieur, Chercheur
BAC
BAC +2, BAC +3
Maîtrise, Ingénieur (BAC +5)
Thèse (BAC +8)
Travail de « terrain »
Entretien des plantesTests de résistance aux maladiesObservations, descriptionsThèse (BAC +8) Observations, descriptions…
Travail de « laboratoire »
Biologie cellulaireBiologie moléculaireBiochimie…
Informatique