Sélection assistée par marqueurs pour la validation et le cumul de QTL de résistance

aux principaux stress biotiques et abiotiques chez le pois

M-L. Pilet-Nayel, A. Lesné , A. Moussart , C. Devaux , A-S. Niquet-Bulant , A. Pruvost , B. Carrouée ,

I. Lejeune-Hénaut , A. Baranger , E. Hanocq

UMR IGEPP – Rennes UMR SADV - Mons

Contrat de Branche 2009-2011 - SAMPOIS

Enjeux socio-économiques

Pois protéagineux : culture d’importance économique en France(→ protéines végétales, avantages environnementaux, rotations)

Enjeux et objectifs d’amélioration :

Rendement moyen du pois protéagineux en France (q/ha)

� Améliorer le rendement et sa stabilité, tout en maintenant des teneurs en

protéines élevées dans les graines

� Développer une stratégie "pois d'hiver" → améliorer la tolérance au gel et la

résistance aux maladies (Ascochytose, Aphanomyces euteiches)

Surfaces de pois protéagineux en France (x 1000 ha)

� Améliorer la résistance à la pourriture racinaire due à Aphanomyces euteiches

L'ascochytose du pois due à Mycosphaerella pinodes

La pourriture racinaire du pois due à Aphanomyces euteiches

Symptômes sur feuilles, tiges, gousses et graines surtout sur

pois d’hiver

Nécroses racinaires entraînant des symptômes aériens surtout sur pois de printemps. Pas de fongicide possible!

Principaux facteurs limitant la production du pois protéagineux

Enjeux socio-économiques

Le gel

Dégâts sur pois d’hiver en lien avec le niveau de froid et le risque de désendurcissement : perte de plantes et de rendement

Connaissances acquises en génétique

7 régions génomiques stables (/23 détectées) pour la résistance à A. euteichesPeu de spécificité des QTL/ sources de R, environnements, souches

Ae-Ps3.1 (=QTLIII)

LGIII

5-30%

- Tardiveté

PI180693

552

LGIV

Ae-Ps4.1 (=QTLIV)5-25%

Ae-Ps4.5 (=Aph1)

5-89%

90-207990-2131PI180693

552

90-2079

DSPPI180693

LGVII

Ae-Ps7.6 (=QTLVII)

5-60%

- Tardiveté

IC max= 13-50 cMSouligné : allèles parentaux contribuant à la R, dont en rose, allèles cibles (R² les plus forts)

90-2131

PI180693

552 /Bacc

Puget x 90-2079

DSP x 90-2131

Baccara x PI180693

Baccara x 552

Longueur= Intervalles de confiance du QTLLargeur= stabilité du QTL (prop. à nbre de variables)

Partenaires : GSP, FR;USDA-ARS, Seneca Foods, US

Ae-Ps1.2 (=Aph3)

- folioles

LGI

5-20%Puget/ 2079PI180693

552

af

Ae-Ps2.2 (=QTLII)

6-27%

- Tardiveté- Anthocya.

LGII

90-2079DSP

PI180693

552

A

Ae-Ps5.1 (=Aph2)

LGV

6-38%

+ graines lisses

90-207990-2131

552/Bacc

R

Hamon et al. 2011Hamon et al. 2013

Pop. RILs

Connaissances acquises en génétique

3 régions génomiques stables détectées pour la tolérance au gelet la résistance à l’ascochytose (Population RILs Champagne x Térèse)

Souligné : allèle parental contribuant

à la tolérance /résistance

Lejeune-Hénaut et al. 2008Baranger et al. 2010

91-31-12

94-01-3

Wvf421

TigeStipule

QTL de résistance à l’ascochytose (Cond. Control.)

Souche

QTL de tolérance au gel

(Champ -divers environts)

LG3

WFD3.1= Ae-Ps3.1

WFD3.2

0.19<R2<0.52

0.03<R2<0.09

WFD3.2

0.03<R2<0.09

Champagne

HR

Le

mon0001

mon0102

mon0102

cle0102

mon0203

dij0102

cle0001dij0203

cle0102lus0102

cle0203

dij0001

dij0102

dij0203

col0102

lus0102

R2=4-6%

R2=7-25%

LG5

WFD5.1

0.05<R2<0.12

Champagne

mon0001

mon0102

mon0203

cle0001

cle0102

cle0203

dij0001

dij0102-a

dij0203

col0102

lus0102R2=7-24%

LG6

WFD6.1

0.03<R2<0.14Champagne

mon0001

mon0102

mon0203

cle0001

cle0102

cle0203

dij0001

dij0102

dij0203

col0102

R2=9-12%

Objectifs du programme

• Construire, par Back-cross Assisté par Marqueurs (BAM), des lignées quasi-isogéniques (NILs) ayant introgressé des allèles de tolérance/résistance au gel/M. pinodes et à A. euteiches à un à plusieurs QTL

�Validation de l’effet des QTL dans différents fonds génétiques

�Effet de combinaisons de QTL sur le niveau de R

� Production de matériel végétal d’intérêt pour :• la recherche en vue de caractérisation plus fine des QTL (cartographie fine, mécanismes, mode d’action sur Ae…)

•la sélection (lignées agronomiques comportant des allèles de résistance)

• Acquérir des connaissances et transférer des outils (marqueurs aux QTL, géniteurs) pour la SAM chez le pois chez les sélectionneurs

1- BAM pour la résistance à A. euteiches

552

QTL II+III+VII

RIL 847.50

(DSP*90-2131)

QTL VII+Aph2

RIL BAP8.70

(Baccara*PI180693)

QTL IV+VII

RIL BAP8.195

(Baccara*PI180693)

QTL II+III+Aph3

*

NILs (16 populations)

Cinq schémas parallèles d’introgression simultanée d’allèles de résistance à 1 à 3 QTL dans 3 fonds génétiques

Lignées

Donneuses

Lignées

Receveuses

•Fonds de référencesDSP

ou Puget

ou Baccara

•Fonds élite•Isard (Pois hiver)

•Eden (Pois Printps)

(Enduro*)

XX

F1 X

BC1 X

BC2 X

BC3 X

BC4 X

BC5 X

BC6

BC4

BC4S1

BC4S2

BC5

BC5S1

BC6S1

BC6S2

2011

2009

2008

2010

2012

2013

BC4S3 BC5S2

BC5S3

RIL 831.08

(Puget*90-2079)

QTLAph1

BC4S4

SAM

2 gé

néra

tions

/an

en s

erre

1- BAM pour la résistance à A. euteiches

• Marqueurs SSR (Loridon et al. 2005, Mohamadi et al., in prep)

Stratégie de SAM

Mqs aux QTL utlisés

Mqs au fonds génét. utilisés

• Choix des marqueurs /position :1. Mqs aux QTL (BCx, BCxS1)2. Mqs au FG – LG porteurs QTL (BCx)3. Mqs au FG – LG non porteurs (BCx)

• Taille des populations- 48 à 95 individus / population BCx- 95 à 285 individus / population BCxS1

→ dans chaque pop., sélection combinaisons 0, 1, 2, 3 QTL fixés + mono-QTL hétéroz.

1- BAM pour la résistance à A. euteiches

Résultat : Bilan du matériel NILs produit

Donneur 831.08 847.50 BAP8.195 BAP8.70 552

Receveur Puget Eden Isard DSP Eden Isard Enduro

Bacc-

ara Eden Isard

Bacc-

ara Eden Isard

Bacc-

ara Eden Isard

QTL Aph1 QTLVII + Aph2 QTL II + III + Aph3 QTL IV + VII QTL II + III + VII TOTAL

Nb NILs fixées à:

0 QTL 12 7 12 7 7 4 7 11 5 23 4 2 3 25 2 5 136

1 QTL 11 15 11 9 7 12 9 20 14 97 19 4 11 58 27 7 331

2 QTL 6 3 8 3 7 4 74 4 2 6 30 7 8 162

3 QTL 8 12 19 4 1 44

Nb NILs hétérozygotes à :

1 QTL 19 18 18 23 28 11 27 23 1 4 25 8 26 4 0 6 241

TOTAL 914

Nombre de lignées BC5 et BC6 sélectionnées à l'issue du programme de BAM Aphanomyces

� Deux représentants/type de NIL fixée sélectionnés pour phénotypage

* Quelques combinaisons de QTL non représentées

1- BAM pour la résistance à A. euteiches

Résultat : Niveau de retour au parent receveur

En BC5/6S1: ≥ 95% des mqs du FG testés dans chaque pop de type « Receveur » (en BC4S1: ≥ 85%)

� Fragments donneurs résiduels le plus souvent dans les zones flanquant les QTL

Génotype graphique (logiciel Grafgen, Lavaud 2012)

1- BAM pour la résistance à A. euteiches

Résultat : 1ère évaluation phénotypique des NILs pour la résistance

Echelle de Notations : 0 à 5

INRmoy (Indice de Nécrose Racinaire moyen) obtenue sur 20

plantes

INR

moy

Test Aphanomyces en conditions contrôlées

� Effet des introgressions QTLVII + Aph2 sur le niveau de résistance à A. euteiches

dans le fonds génétique Isard

0

1

2

3

4

5

Isard * 847.50 (BC4S2)

aabab

bc bcc c

2- BAM pour la tolérance au gel / résistance à M. pinodes

SAM QTL2009

BC1

F1

BC2

Production des

Test polymorphismeChoix des parents

2007

SAM QTL

Production des

BC2S1

BC1

2010

2011

2008

BC2

BC2

BC2S1

BC2S2

BC2S3

BC2S4

BC2S5

BC2S2

BC2S3

BC2S4

BC2S5

BC2S1

BC2S2

BC2S3

BC2S4

BC2S5

BC2S6

SAM QTL

SAM QTL

SAM QTL

SAM QTL + fonds génétique

SAM QTL

Production des

Production des

Production des

Production des

Evaluation réseau froid INRA

Production des

BC1

Production des

F1F1

Trois schémas parallèles d’introgression d’allèle de résistance à 1 QTL et de pyramidage de 2 ou 3 QTL dans le fonds génétique Eden

SAM

Eden x 886/01

WFD3.1

Eden x RIL38

WFD6.1

Eden x RIL126

WFD5.1

X

BC2F2

BC2F3

BC2F4

BC2F5 BC2F’2

BC2F1

BC2F3

BC2F4

BC2F’1

BC2F5

BC2F1

BC2F2

BC2F3

BC2F4

BC2F1 BC2F2

X

X

BC2F5X

BC2F6

WFD5.1

+

WFD6.1

WFD3.1

+

WFD6.1

WFD3.1

+

WFD5.1

WFD3.1

+

WFD5.1

+

WFD6.1

2- BAM pour la tolérance au gel / résistance à M. pinodes

• Marqueurs SSR et PCR-spécifique (Loridon et al. 2005)

Stratégie de SAM

• SAM aux marqueurs aux QTL (BC1, BC2, BC2S1, BC2F2)

• Taille des populations- 10 à 28 individus / population BCx/BC2S1

• Contrôle du fonds génétique a posteriori (17 mqs; BC2Sx, BC2Fx) → souvent bon niveau de retour au fonds receveurs sauf sur les LG Porteurs de QTL

• Deux générations par an en serre et/ou au champ en pépinière

AB25E4M3AA175Fri

AA99AA475

AD79Tri

AA163.2

AA200

AD60/AD59AD159

M16.1300/I01.600

Résultat : Bilan du matériel NILs produit

Nombre de lignées BC2 fixées sélectionnées à l'issue du programme de BAM Gel et testées au cours de l’hiver 2011-2012

2- BAM pour la tolérance au gel / résistance à M. pinodes

QTL 1 QTL 2 QTL 3 QTL

WFD3.1 9

WFD5.1 15

WFD6.1 32

WFD3.1+5.1 34

WFD3.1+6.1 12

WFD5.1+6.1 24

TOTAL 126

2- BAM pour la tolérance au gel / résistance à M. pinodes

Résultat : 1ère évaluation phénotypique des NILs pour la résistance au gel

Champ (pépinière), automne 2011, réseau Froid INRA (Mons, Dijon, Theix)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00

Nb

re d

e lig

nées

Classe de notes de tolérance au gel

QTL3

QTL5

QTL35

QTL56

WFD3.1

WFD5.1

WFD3.1+5.1

WFD5.1+6.1

Eden

Effet de combinaisons de QTL sur la tolérance au gel

3- Transfert d’outils pour la SAM chez le pois

Transfert de marqueurs moléculaires

Transfert de géniteurs

• 29 SSR aux 7 QTL de résistance à A. euteiches

13 SSR/PCR spécifique aux 3 QTL de tolérance au gel

� Tests inter-laboratoires � Polymorphisme des marqueurs

sur lignées sélectionneurs et géniteurs Pois hiver

• 43 SSR en dehors des zones à QTL

• Meilleures lignées recombinantes → évaluations multi-locales champ� RILs (Champagne x Térèse) tolérantes au gel� 20 RILs (DSP x 90-2131, Baccara x 552/PI180693) résistantes à Aphanomyces

• Premières NILs� BC2 fixées (/Eden) porteuses d’1 ou 2 QTL « Gel »� BC4 fixées (/Eden, Isard) porteuses de 2 ou 3 QTL « Aphanomyces » (en cours)

Conclusion

� Acquisition de savoir-faire en SAM chez le pois; Validation de marqueurs (SSR) pour tracer les QTL

� Création de matériel génétique (séries de NILs) d’intérêt en recherche et sélection → prometteur pour valider l’effet individuel et cumulé de QTL de tolérance au gel/M. pinodes et de résistance à A. euteiches ;

� Transfert de marqueurs et géniteurs aux sélectionneurs, pour soutenir la création variétale

Perspectives

NILs (1-3 QTL)

Validation effets des QTL:- Evaluation phénotypique- Fingerprint

Mode d’action des QTL sur:- Etapes du cycle- Évolution des

populations d’A. euteichesMécanismes sous-jacents QTL

- Réduction intervalles QTL- Cartographie fine/clonage

Création de nouvelles séries de NILs (nouveaux allèles/QTL)

Combinaisons d’allèles/gènes à intégrer dans les stratégies de gestion durable des résistances/tolérances aux stress multiples chez le pois

-WP2

2013-2019 Pyramidage de QTL (> 3QTL, Gel+ Ae)

Identification-introgression QTL / nouvelles sources

Merci de votre

attention !!