Embed Size (px)
Citation preview
Dissection des bases biologiquesde caractères d'intérêt chez le riz :
architecture et développement du système racinaire
doi: 10.1684/agr.2013.0651
Pour citer cet article : Dievart A, Coudert Y, Gantet P, Pauluzzi G, Puig J, Fanchon D, Ahmadi N,Courtois B, Guiderdoni E, Périn C, 2013. Dissection des bases biologiques de caractères d'intérêtchez le riz : architecture et développement du système racinaire. Cah Agric 22 : 475-83.doi : 10.1684/agr.2013.0651
Tirés à part : C. Périn
RésuméLe riz possede un systeme racinaire fascicule compose principalement de racinesadventives aussi appelees racines coronaires ou nodales. Ces racines emergent d’abord desnœuds empiles a la base des tiges principales puis des ramifications aeriennes. Parce que lesysteme racinaire n’est pas directement accessible et est difficile a observer, la selectionphenotypique de varietes de riz capables d’exploiter au mieux les ressources du sol resteun defi pour les selectionneurs. La selection de caracteres architecturaux amelioresnecessite donc l’identification des determinants genetiques du developpement racinaire.Ainsi, de nombreux travaux de recherche pour identifier et caracteriser les genescontrolant l’architecture racinaire sont en cours chez le riz et plusieurs autres cereales.Dans cette revue, nous presentons les dernieres strategies et des resultats obtenusrecemment dans l’identification de genes et de loci a effets quantitatifs impliques dans ledeveloppement racinaire du riz.
Mots cles : genetique moleculaire ; QTL (Quantitative Trait Loci ou Loci a effetQuantitatif) ; racines ; riz ; variation genetique.
Themes : amelioration genetique ; methodes et outils ; productions vegetales ; ressourcesnaturelles et environnement.
AbstractDissecting the biological bases of traits of interest in rice: Architecture anddevelopment of the root system
Rice possesses a fibrous root system made up mainly of adventitious roots also calledcrown or nodal roots. Roots emerge from the nodes first at the stem base and then fromnodes of shoot ramifications. The root system is not easily accessible and therefore difficultto study. For this reason phenotypic breeding for rice varieties with improved root systemsremains a challenge. Hence, identification of genetic determinants of root developmentshould considerably improve breeding efficiency. Numerous studies are underway onidentifying and characterizing genes controlling root traits on rice and other cereals. In thisreview, we summarize the latest strategies and some recent results concerning theidentification and characterization of root genes and quantitative trait loci affecting rootdevelopment in rice.
Key words: genetic variation; molecular genetics; QTL (Quantitative Trait Loci); rice;roots.
Subjects: genetic improvement; natural resources and environment; tools and methods;vegetal productions.
Anne Dievart1
Yoan Coudert2
Pascal Gantet3
Germain Pauluzzi1
Jerôme Puig1
Divol Fanchon1
Nourollah Ahmadi1
Brigitte Courtois1
Emmanuel Guiderdoni1
Christophe P�erin1
1 CiradUMR AGAPTA A-108/03Avenue Agropolis34398 Montpellier cedex 5France<[email protected]><[email protected]><[email protected]><[email protected]><[email protected]><[email protected]><[email protected]><[email protected]>2 University of CambridgeDepartment of Plant SciencesDowning StreetCambridgeCB2 3EA CambridgeUnited Kingdom<[email protected]>3 Agricultural Genetics InstituteUSTHUMR DIADELMI RICEHanoiViet Nam<[email protected]>
475Cah Agric, vol. 22, n8 5, septembre-octobre 2013
Synthèse
L e systeme racinaire assure lesfonctions vitales d’absorptionde l’eau et des elements mine-
raux ainsi que l’ancrage dans le sol.Les racines sont des organes plasti-ques, capables d’adapter leur deve-loppement aux caracteristiques dusol : on observe que les varietes deriz pluvial qui doivent chercher l’eauen profondeur peuvent developperdes systemes racinaires d’un metrede profondeur (Kawata et al., 1977 ;Reyniers et al., 1978) contre 20 cmen moyenne pour les riz irrigues(figure 1). Par consequent, l’architec-ture racinaire (profondeur maximum,nombre, diametre et orientation desracines nodales, densite des racineslaterales. . .) joue un role importantdans la tolerance a la secheresse(Mambani et al., 1983 ; Price et al.,2002 ; Tuberosa R et al., 2002).Comprendre les mecanismes qui gou-vernent le developpement et la plasti-cite racinaire, et identifier les genesimpliques, permettraient d’accelererla creation de varietes tolerantesen conditions culturales limitantes(manque d’eau et d’elements mine-raux ou salinite), par les methodes deselection assistee par marqueurs mole-culaires ou par la transgenese.
Morphologie, anatomieet caractèresadaptatifs
Il existe quatre types de racines chez leriz : la radicule, les racines nodales, etles racines laterales, petites et grandes(Rebouillat et al., 2009). La radiculeest la racine embryonnaire qui seforme a l’oppose du meristeme apicalde la tige. Les racines nodales sontde deux sortes : les cinq premieres,embryonnaires, emergent du nœudcoleoptilaire (figure 2A) ; les autres,postembryonnaires qui forment unsysteme racinaire fascicule, emergentdes nœuds de la tige principale et desramifications aeriennes (figure 2B),selon le principe de developpementen phytomeres empiles decrit parKawata et al. (1963). Il est possiblede determiner le stade de developpe-ment des racines nodales en fonc-tion du phyllochrone, defini commel’intervalle de temps entre l’initiation
de deux feuilles successives sur la tige(Kawata et al., 1963). Lorsqu’unefeuille visible emerge a partir d’unphytomere, les racines nodales emer-gent trois nœuds plus bas, les racineslaterales apparaissent quatre nœudsen dessous et les racines lateralesd’ordre 2, cinq nœuds en dessous(Fujii, 1961). Le systeme racinaired’une plante de riz mature est doncprincipalement constitue de racinesnodales dont l’age depend de laposition du phytomere de rattache-ment. La radicule et les racines nodalespeuvent porter deux types de racineslaterales, les petites et les grandes(figure 2C). Les petites racines latera-les sont courtes, a croissance determi-nee, ageotropiques et ne portentjamais de racines laterales secondai-res. Les grandes racines laterales ontune croissance indeterminee, a geo-tropisme positif, et portent des racineslaterales secondaires. L’ensemble deces racines forme donc une structurefibreuse fasciculee.L’organisation anatomique radialedes racines de riz est complexe et
presente une variabilite genetiqueimportante. Elle comprend, de l’exte-rieur vers l’interieur, l’epiderme, lestissus internes et la stele (Rebouillatet al., 2009) (figure 3). Les tissusinternes sont subdivises en quatretypes : l’exoderme, qui forme unebarriere vis-a-vis de l’eau et des ions ;le sclerenchyme, tres lignifie, quijoue un role de maintien de la racinelors de son vieillissement et quilimite le flux d’oxygene vers l’exte-rieur ; le cortex ; et l’endodermedont la fonction est similaire a cellede l’exoderme. Le nombre de couchesde cortex depend du type racinaire(pouvant atteindre plus de 10 couchesdans les racines nodales) mais egale-ment de la position d’emergencede la racine sur la tige principale(figure 3). Il existe ainsi une tresforte correlation entre le diametreracinaire et le nombre de couchesde cortex. Le cortex se differencieen aerenchyme comportant des lacu-nes permettant la circulation de l’air,une adaptation aux conditions desubmersion.
A B
Figure 1. Illustration de la variabilité du système racinaire rencontrée dans l'espèce O. sativa enconditions de culture hydroponique.
Figure 1. Illustration of the variability of the root system encountered in the species O. sativa in hydroponicconditions.A) IR60 (riz irrigu�e, indica) ; B) Azucena (riz pluvial, japonica).Échelle 5 cm.
476 Cah Agric, vol. 22, n8 5, septembre-octobre 2013
Caractériserdes gènes intervenantdans le développementracinaire du rizDeux approches complementaires, de« genetique inverse » et de « genetiquedirecte », sont utilisees pour identifier
les genes controlant des caracteresracinaires d’interet agronomique. Lapremiere consiste a alterer l’expres-sion d’un gene cible en modifiant sasequence et a en evaluer l’impact surle developpement racinaire. Dans lecas du riz, le choix des genes cibless’appuie sur les connaissances dejaacquises chez l’espece modele Arabi-dopsis thaliana, (Bennett et al. 2010 ;Pauluzzi et al., 2012 ; Overvoorde
et al., 2010 ; Iyer-Pascuzzi et al.,2009). On recherche in silico, dansla sequence annotee du genome duriz, les genes orthologues. Puis, al’aide d’outils bioinformatiques, onidentifie dans les banques de mutantsdeveloppees par la communauteinternationale (Krishnan et al., 2009 ;Lorieux et al., 2012) des accessions deriz porteuses de mutations dans lesgenes cibles. La caracterisation phe-notypique de ces mutants permetd’identifier rapidement des genes clefsdu developpement racinaire (Drocet al., 2009). La seconde approche,de « genetique directe », consiste : i) aidentifier les zones chromosomiques(« quantitative trait loci » ou QTL)impliquees dans le developpementracinaire par des methodes statistiquesqui testent le lien entre la distributiondu caractere phenotypique cible etle genotype des individus dans despopulations issues d’un croisementbiparental (Paterson et al., 1988) ourepresentatives de la diversite del’espece (Jannink et Walsh, 2002) ;ii) a isoler ensuite les sequences encause. L’approche de genetiquedirecte est la seule a meme d’identifierdes genes du developpement raci-naire qui seraient specifiques du riz.Ceux-ci sont probablement nombreuxcompte tenu des differences quiexistent entre le systeme racinaired’Arabidopsis et celui du riz. Les deuxapproches sont donc complemen-taires et menees en parallele dans denombreux laboratoires (Lorieux et al.,2012).
Génétique inverse
Chez le riz, la majeure partie del’appareil racinaire est constituee deracines nodales qui se differencienttout au long du developpement de laplante a partir de primordia situesdans les tiges (Coudert, et al., 2010).Ces primordia prennent naissancedans une couche de cellules meriste-matiques qui peut etre assimilee a unpericycle de tige au vu de sa position,entre les tissus vasculaires et l’endo-derme, et au vu de son potentielorganogene (Kaufman, 1959 ; Kawataet al., 1975 ; Itoh et al., 2005). Apresune phase d’initiation, marquee parl’entree en division de certainescellules de ce pericycle, un nouveau
ra
rn
prl
A B
grl
C
rn
Figure 2. Architecture du système racinaire du riz (d'après Rebouillat et al. [2009]).
Figure 2. Architecture of the rice root system (after Rebouillat et al. [2009]).A) système racinaire d'une plantule de riz d'une semaine (cv Nipponbare. japonica) ; B) système racinaire d'une plantede 40 jours ; C) vue d�etaill�ee d'une racine nodale.ra : ridicule ; rn : racine nodale ; prl : petite racine lat�erale ; grl : grande racine lat�erale.Échelles (A, C) 1 cm, (B) 5 cm.
477Cah Agric, vol. 22, n8 5, septembre-octobre 2013
meristeme racinaire se differencie. Ledeveloppement de ce meristeme per-met l’emergence d’une nouvelleracine nodale. L’initiation et l’emer-gence des racines nodales sont regu-lees par des mecanismes distincts quicommencent a etre decryptes gracea la caracterisation fonctionnelle demutants affectant des genes impliquesdans ces processus (Coudert et al.,2010).
Mutants affectésdans l'initiationdes racines nodalesChez les mutants de riz, Osgnom1 (cvZhonghua 11 et cv Kasalath) (Liu et al.,2009), l’initiation des racines nodalesest abolie. Le nombre de racineslaterales est reduit ainsi que le gravi-tropisme des racines. La croissance
des parties aeriennes est inhibee et lesplantes meurent au bout de deuxmois. Chez ces memes mutants, lesproteines OsPIN2, OsPIN5b et OsPIN9sont moins abondantes dans la basedes tiges. Cela pourrait perturber laregulation des flux d’auxine necessai-res a l’initiation des racines nodales(Liu et al., 2009). Chez Arabidopsis, ceflux est controle par la proteineGNOM1 qui, associee aux membranescellulaires, contribue a leur dyna-mique intracellulaire et, de ce fait,joue un role dans le trafic et lalocalisation des proteines de transportd’auxine telle que PINFORMED 1(PIN1) (Steinmann et al., 1999).L’implication de l’auxine dans l’initia-tion des racines nodales passe par laregulation de l’expression de facteursde transcription specifiques. Chez leriz, l’existence de l’un de ces facteurs,ARL1/CRL1, a ete mise en evidence par
l’etude des mutants adventitious root-less 1 (arl1, cv Zhonghua 11) (Liuet al., 2005) et crown rootless 1 (crl1,cv Taichung 65) (Inukai et al., 2005)qui affectent le meme gene(Matsumura et al., 2009). La regulationde l’expression d’ARL1/CRL1 parl’auxine requiert un element dereponse a l’auxine (ARE pour AuxinResponse Element) dans son promo-teur. Cet ARE interagit in vitro avec lefacteur de transcription Auxin Res-ponse Factor (ARF) OsARF16. L’auxineregule l’expression du gene ARL1/CRL1 via une voie de transductionimpliquant le recepteur d’auxineTIR1/AFB1-3 (Dharmasiri et al.,2005 ; Kepinski et al., 2005). L’inter-action physique entre l’auxine et TIR1/AFB1 permet de cibler, via l’ubiquiti-nation, la degradation de proteinesAUX/IAA et l’activation de OsARF16.Cette derniere peut alors activerl’expression du gene ARL1/CRL1 ense fixant sur l’element ARE de sonpromoteur.Cela rappelle la voie de transductionimpliquee dans l’initiation des racineslaterales chez Arabidopsis ou, enreponse a l’auxine, les genes AtARF7et AtARF19, orthologues d’OsARF16,induisent l’expression des facteursde transcription LBD, orthologuesd’ARL1/CRL1 (Wang et al., 2007 ;Okushima et al., 2007 ; Wilmothet al., 2005; Laplaze et al., 2005).Ainsi, les mecanismes d’initiation desracines nodales chez le riz et desracines laterales chez Arabidopsispresentent des similarites et sontprobablement bien conserves chezl’ensemble des plantes superieures.Les genes en aval de ARL1/CRL1 nesont pas encore precisement identi-fies, mais on sait que les genes QHB etOsSCR, importants pour le fonction-nement du meristeme, sont inhibes auniveau de la base des tiges du mutantarl1 (Kamiya et al., 2003a, Kamiyaet al., 2003b). Une analyse differen-tielle du transcriptome entre basesde tiges de plantes mutantes crl1 etplantes sauvages a permis d’identifierdes genes inhibes chez le mutant etrepondant a CRL1 de maniere depen-dante a l’auxine (Coudert et al., 2011).Ces genes constituent de bons candi-dats pour decouvrir de nouveauxdeterminants genetiques de l’initiationdes racines nodales chez le riz. Lemutant crown rootless 5 (crl5, cvKinmaze), presente un nombre reduit
PRLGRL
RA RN
Épiderme Exoderme Sclérenchyme
Cortex Endoderme Péricycle
Fibres Phloème Métaxylème
Figure 3. Anatomies radiales comparées des quatre types racinaires chez le riz.
Figure 3. Comparative radial anatomies of the four root types in rice.Repr�esentation sch�ematique de l'organisation radiale d'une radicule (RA) de riz âg�ee de 7 jours, d'une racine nodale(RN), d'une grande (GRL) et d'une petite racine lat�erale (PRL). Les figures ne sont pas à l'�echelle.
478 Cah Agric, vol. 22, n8 5, septembre-octobre 2013
de racines et ce phenotype est amplifiedans le double mutant crl1/crl5,suggerant que ces deux genes agissentdans des voies de signalisation inde-pendantes (Kitomi et al., 2011a;Kitomi et al., 2011b). crl5 code unfacteur de transcription de la familleAPETALA2/ETHYLENE RESPONSEFACTOR (AP2/ERF). L’expression dece gene est positivement reguleepar l’auxine via une voie impliquantaussi les proteines regulatrices de typeAUX/IAA/ARF. De maniere interes-sante, CRL5 regule positivementl’expression de genes « type-A RES-PONSE REGULATOR » (ARR), notam-ment OsARR1. Les ARR constituentdes elements regulateurs negatifs de lavoie de signalisation des cytokinines(To et al., 2004), des hormonesconnues pour inhiber l’initiation desracines laterales chez Arabidopsis(Laplaze et al., 2007 ; Dello Ioioet al., 2008 ; Peret et al., 2009 ;Benkova et al., 2009).Un autre facteur de transcriptionimplique dans la regulation de lareponse des racines nodales a l’auxineet aux cytokinines a ete identifie :WUSCHEL-RELATED HOMEOBOX 11(OsWOX11) (Zhao et al., 2009). Lemutant Oswox11 (cv Zhonghua 11)presente un nombre reduit de racinesnodales. OsWOX11 est exprime dansles zones d’initiation des racines et estregule par des traitements exogenes al’auxine et aux cytokinines. Ce generegule negativement l’expressiond’OsARR2 en se fixant a son promo-teur, alors que l’expression de plu-sieurs autres genes du riz codant desARR est inhibee dans le mutantOswox11. Ces exemples montrentque plusieurs facteurs de transcriptionregulent l’initiation des racines du rizen reponse a l’auxine et aux cytoki-nines (figure 4).
Mutants affectésdans le développementet l'émergencedes racines nodalesLe developpement et l’emergence desracines nodales sont aussi regules parl’auxine. En effet, le gene OsWOX11est exprime au niveau de la zone dedivision cellulaire, suggerant qu’il joueaussi un role dans le developpementdes racines. Par ailleurs, dans des
CRL4/OsGNOM1
PIN
AUX/IAA/ARF
Auxine
ARL1/CRL1
INITIATION
RACINES NODALES
ARR2
Réponsecytokinine
DÉVELOPPEMENT
RACINES NODALES
Cytokinine
ARR
OsWOX11
OsCAND1
OsPIN1
DIVISIONS
CELLULAIRES
Auxine
CRL5
Figure 4. Réseau de régulation génétique contrôlant l'initiation et le développement des racines nodales.
Figure 4. Gene network controlling the initiation and development of nodal roots.Les flèches repr�esentent une action positive d'un �el�ement du r�eseau sur un autre. Un trait termin�e par un traitperpendiculaire repr�esente une action inhibitrice d'un �el�ement du r�eseau sur un autre. Une ligne en pointill�es repr�esenteune relation hypoth�etique entre deux �el�ements du r�eseau.ARF : Auxin Response Factor ; ARL : Adventitious Root Less ; ARR : type-A Response Regulator 2 ; AUX/IAA :Auxin/Indole-3-Acetic Acid ; CAND1 : Cullin-Associated and Neddylation-Dissociated 1 ; CR : Crown Root ; CRL :Crown Root Less ; GNOM1 : membrane-associated guanine-nucleotide exchange factor of the ADP-ribosylationfactor G protein (ARF-GEF) ; PIN : PINFORMED auxin efflux carrier proteins ; WOX11 : WUSHEL-RelatedHomeobox 1.
479Cah Agric, vol. 22, n8 5, septembre-octobre 2013
plantes ou l’expression du geneOsPIN1 est inhibee par interferenceRNA, le developpement et l’emer-gence des racines sont fortementinhibes (Xu et al., 2005).Dans le mutantOscand1 (cv Kasalath),les racines se forment normalementmais leur developpement est inhibe etelles n’emergent pas (Wang et al.,2011). Ce phenotype est partiellementreprime par un apport exogened’auxine. OsCAND1 est l’orthologuede CAND1 d’Arabidopsis, qui code uneproteine de type cullin-associated andneddylation-dissociated 1 impliqueedans la voie de signalisation de l’auxinevia les proteines regulatrices de typeAUX/IAA/ARF (Gray et al., 2001 ;Cheng et al., 2004 ; Chuang et al.,2004). Les plantes mutantes Oscand1presentent une desorganisation de larepartition de l’auxine dans les meris-temes de racines nodales. Cette des-organisation est associee a uneinhibition de l’expression de genesimpliques dans la transition de phaseG2/M du cycle cellulaire. Ces elementsindiquent qu’OsCAND1 contribue pro-bablement a la regulation des fluxd’auxine et de l’expression de genesimpliques dans le cycle cellulaireindispensables au developpement eta l’emergence des racines.Un resume des elements genetiquescontrolant l’initiation et le developpe-ment des racines nodales chez le rizest presente dans la figure 4. Tous lesmembres de ce reseau de genesrepresentent des candidats de premierordre pour expliquer une partie de lavariation de l’architecture racinairechez le riz.
Génétique directe
Cartographie de QTLLa premiere cartographie de QTLportant sur l’architecture racinaire duriz a ete conduite par Champoux et al.(1995). Elle a ete suivie par denombreuses autres, portant sur despopulations ou des conditions envi-ronnementales differentes (conditionsaerobies ou anaerobies, situationsfavorables ou de contraintes en termesde compaction du sol ou de condi-tions hydriques). Les resultats de cesetudes ont ete compiles dans desbases de donnees comme Gramene
(www.gramene.org) ou TropGeneDB(http://tropgenedb.cirad.fr), qui, enexploitant la syntenie entre especesphylogenetiquement proches (simili-tude de l’ordonnancement des genessur les chromosomes), permettent descomparaisons de positions de ces QTLchez les cereales. La derniere synthesepubliee recensait 675 QTL detectesdans 12 populations differentes pour29 parametres racinaires tels quenombre de racines, profondeur maxi-male atteinte par les racines, epaisseurdes racines, ratio biomasse racinaire/biomasse aerienne ou index de pene-tration racinaire (Courtois et al., 2009).La projection de cesQTL sur la carte dugenome du riz montrait six zones deconcentration particulieres de QTL surles chromosomes 1, 2, 3, 7, 9 et 11. LesQTL de profondeur racinaire ayant leseffets les plus forts ont ete utilises pourdevelopper, par selection assistee parmarqueurs (SAM), des lignees quasiisogeniques (NIL) portant l’allele favo-rable des QTL (Yadav et al., 1997; Priceet al., 2000). Ces NIL ont permis devalider l’effet desQTL sur les caracteresracinaires a la fois dans le fondgenetique dans lequel ils avaient eteinitialement detectes (Shen et al., 2001)et dans un fond genetique different(Steele et al., 2007). Dans ce derniercas, les NIL ont ete testees au champ(Steele et al., 2007) et une variete, VikasDhan111, en a ete derivee. Celle-cisurpasse de 10 % le rendement duparent recurrent en conditions de stresshydrique. Cet exemple montre que laconnaissance du gene sous-tendant leQTL n’est pas forcement indispensablepour entamer un travail de selection.Cependant, d’autres etudes ont montreque l’efficacite de la SAM pour lescaracteres racinaires serait considera-blement amelioree s’il etait possible dereduire la taille des segments chromo-somiques manipules (Steele et al.,2007). L’intervalle de confiance sur laposition de QTL detectes dans despopulations de cartographie de taillecourante (100 a 200 individus) est eneffet rarement inferieur a 5 centiMor-gan (cM) et depasse parfois 30 cM.
Méta-analyse pour améliorerla précision de la localisationdes QTLLa meta-analyse de QTL est unemethode statistique qui permet de
combiner les resultats d’etudes inde-pendantes, afin de determiner lenombre de QTL consensus ou« meta-QTL » sous-tendant les QTLobserves, et de positionner les meta-QTL avec une meilleure precision(Goffinet et al., 2000). Cette methodea ete utilisee recemment sur les QTLracinaires du riz en utilisant leslogiciels BioMercator et MetaQTL, ala fois sur une population particuliere(Khowaja et al., 2009) et sur un groupede populations (Courtois et al., 2009).En moyenne, la longueur de l’inter-valle de confiance sur la positiondes meta-QTL etait reduite de 52 %.Les meta-QTL avec les plus petitsintervalles de confiance recouvraientmoins d’une dizaine de genes dits« candidats ». Par exemple, l’intervalle10-23 Mega bases (Mb) sur le chro-mosome 9 porte 14 QTL de profon-deur racinaire qui correspond a ununique meta-QTL de 0,002 Mb d’inter-valle de confiance (figure 5). Cetintervalle ne contient plus que 3 genes(Courtois et al., 2009). Une meta-analyse peut etre combinee a desetudes d’expression pour reduire lenombre de genes candidats (Nortonet al., 2008).
Études d'associationsFace a la faible precision sur laposition des QTL due au nombrelimite de generations de recombinai-sons dans les populations de carto-graphie (6 a 8 generations aumaximum), de nouvelles methodesutilisant des populations avec un tauxde recombinaison plus eleve ont etedeveloppees. Il s’agit soit de collec-tions ou « panels d’association »,representatifs de la diversite del’espece ou de materiel d’un pro-gramme de selection, exploitant lesnombreux evenements de recombi-naisons qui se sont produits depuis ladomestication de l’espece (soit il y aenviron 10 000 ans pour le riz), soitdes populations hautement recombi-nantes par construction comme lespopulations NAM (Nested AssociationMapping) (Yu et al., 2008) ou MAGIC(Multiparent Advanced GenerationInter-Cross) (Cavanagh et al., 2008).Dans le cas des panels d’association, ladetection de QTL ou « etude d’asso-ciation » s’est montree tres efficacesur toute une gamme de caracteres
480 Cah Agric, vol. 22, n8 5, septembre-octobre 2013
agronomiques chez le riz (Huanget al., 2010 ; Zhao et al., 2011 ;Huang et al., 2012). Les panelsd’association sont desormais en coursd’utilisation pour etudier les basesgenetiques des caracteres racinairescomme par exemple dans le cadredu projet Orytage du Centre decooperation internationale en recher-che agronomique pour le developpe-ment (Cirad) ou du projet europeenEURoot (http://www.euroot.eu/). Enrevanche, aucune population haute-ment recombinante n’a encore eteutilisee chez le riz, mais les resultatsobtenus sur d’autres especes se reve-lent prometteurs.A ce jour, aucun QTL de developpe-ment racinaire n’a ete clone chez leriz. Ce fait est du a la faible part devariance phenotypique qu’expliqueindividuellement chaque QTL et a ladifficulte de phenotyper des centainesde recombinants pour des parametresracinaires. Neanmoins, des travaux ence sens sont en cours en France pourdes QTL de profondeur racinaire surles chromosomes 2 and 9 (Ahmadipers. comm.) et au Japon pour un QTLd’angle racinaire sur le chromosome9 (Yano. pers. comm.).
Conclusion
Si l’interet de l’etude du systemeracinaire dans le cadre du developpe-ment de varietes adaptees a uneagriculture changeante est aujourd’huibien etabli, les defis restent nombreux.Phenotyper le systeme racinaire resteun goulet d’etranglement, a la foispour avancer rapidement dans l’etudedes mecanismes de developpementet pour identifier les varietes doteesd’un systeme racinaire favorable.De nombreux laboratoires travaillentactuellement sur cette question afinde repondre a un cahier des chargesqui permette le suivi spatio-temporeldu developpement racinaire dans lesconditions les plus proches de cellesdu champ. Dans ce cadre, un systemede phenotypage racinaire du riz, leRhizoscope, a ete recemment misau point au Cirad et d’autres systemessont en construction en Europe(http://www.plantphenomics.com).Un autre point concerne le niveaude variabilite genetique utilise ouutilisable en selection. Est-ce que la
0.0
1.1
2.42.8
5.9
6.6
7.2
9.2
11.8
12.9
14.414.7
15.615.7
17.617.718.218.819.319.420.020.220.521.222.122.7
23.0
TEL9S
RM316
RG757CEN9
RM444
RM464
RZ698
RG553
RZ206
RM524
RM409RM566
RZ422RM434
RM410RM257RZ938RM242RM108RZ12RG570RM201RG386RM215RM189RM205
TEL9L
9 Max
imum
_roo
t_le
ngth
Max
imu
m_r
oo
t_le
ng
thM
axim
um_r
oot_
leng
thM
axim
um_r
oot_
leng
thM
axim
um_r
oot_
leng
thM
axim
um_r
oot_
leng
thM
axim
um_r
oot_
leng
thM
axim
um_r
oot_
leng
thM
axim
um_r
oot_
leng
thM
axim
um
_ro
ot_
len
gth
Max
imum
_roo
t_le
ngth
Max
imum
_roo
t_le
ngth
Max
imum
_roo
t_le
ngth
Max
imum
_roo
t_le
ngth
Max
imum
_roo
t_le
ngth
Max
imum
_roo
t_le
ngth
Max
imum
_roo
t_le
ngth
Roo
t_th
ickn
ess
Roo
t_th
ickn
ess
Ro
ot_
thic
knes
sR
oot_
thic
knes
sR
oot_
thic
knes
sR
oo
t_th
ickn
ess
Roo
t_th
ickn
ess
Ro
ot_
thic
knes
sR
oot_
thic
knes
sR
oot_
thic
knes
sR
oot_
thic
knes
sR
oot_
thic
knes
sR
oot_
thic
knes
sR
oo
t_th
ickn
ess
Roo
t_th
ickn
ess
Roo
t_th
ickn
ess
Figure 5. Position de QTL d'architecture racinaire (profondeur maximale et épaisseur des racines)identifiés sur le chromosome 9 dans les études conduites entre 1995 et 2007 (distances en Mb).
Figure 5.QTL root architecture position (maximum depth and thickness of roots) identified on chromosome 9in studies conducted between 1995 and 2007 (distances in Mb).En vert, les m�eta-QTL qui en sont d�eriv�es. Les traits indiquent la longueur de l'intervalle de confiance du QTL ; lagrandeur des triangles est proportionnelle à l'importance de l'effet du QTL.
481Cah Agric, vol. 22, n8 5, septembre-octobre 2013
variabilite genetique existante au seinde l’espece O. sativa est suffisantepour creer des varietes qui repondentaux nouveaux defis de la rizicultureou faut-il augmenter cette variabilite ?A court terme, l’exploitation de lavariabilite genetique existante par laselection assistee par marqueur seraprivilegiee. A plus long terme, on auravraisemblablement recours aux croi-sements interspecifiques et a la trans-genese pour augmenter la variabilitegenetique exploitable.Une bonne comprehension du deter-minisme genetique du developpementracinaire du riz sera un element clefpour l’identification d’alleles favora-bles. Celle-ci sera facilitee par lesgrands projets de resequencage(Wing et al., 2005) et a venir. Lasyntenie entre les cereales (Delseny,2004 ; Devos, 2005) facilitera et acce-lera la transposition des connaissancesacquises chez le riz vers d’autrescereales. Des alleles favorables existantchez des especes apparentees, telleque O. glaberrima, pourront etre uti-lisees pour augmenter la diversitedisponible pour l’amelioration d’O.sativa. De meme, en agissant partransformation genetique sur l’expres-sion des genes qui controlent la miseen place des tissus racinaires ou desracines nodales, au niveau des meris-temes, il sera possible de developperde nouvelles varietes possedant descaracteres adaptatifs et/ou evolutifs detolerance a la secheresse.Enfin, une strategie de selection effi-cace exploitant a la fois les nouvellesressources genetiques et les nouvellestechnologies doit etre mise en place.Etant donne la nature polygeniquedu determinisme du developpementracinaire, chaque gene n’expliquantqu’une faible part de la variabilite et lescaracteres a selectionner, la SAM, visantun ou un petit nombre de genes neconstituera probablement pas l’optionla plus efficace sur le long terme. Desmethodes plus sophistiquees, commela selection recurrente assistee parmarqueurs, seront probablement utili-sees. La selection genomique, ouselection assistee par marqueurs quiporte sur l’ensemble d’un genome etnonplus seulement sur quelques zonesd’interet, pourrait egalement constituerun outil efficace de production devarietes ameliorees.Seule une approchemultidisciplinaire,impliquant biologistes moleculaires,
geneticiens, ecophysiologistes, selec-tionneurs et agronomes, permettra demettre au point les varietes de riz quiseront necessaires pour repondre auxdefis actuels et futurs de l’agriculturemondiale. &
Références
Benkova E, Hejatko J, 2009. Hormone interactionsat the root apical meristem. Plant Molecular Biology69 : 383-96.
Bennett T, Scheres B, 2010. Root development-two meristems for the price of one? Current Topicsin Developmental Biology 91 : 67-102.
Cavanagh C, Morell M, Mackay I, Powell W, 2008.From mutations to MAGIC: resources for genediscovery, validation and delivery in crop plants.Current Opinion in Plant Biology 11 : 215-21.
Champoux MC, Wang G, Sarkarung S, Mackill DJ,O'Toole JC, Huang N, et al., 1995. Locating genesassociated with root morphology and droughtavoidance in rice via linkage to molecular markers.Theoritical & Applied Genetics 90 : 969-81.
Cheng Y, Dai X, Zhao Y, 2004. AtCAND1, a HEAT-repeat protein that participates in auxin signaling inArabidopsis. Plant Physiology 135 : 1020-6.
Chuang HW, Zhang W, Gray WM, 2004. Arabido-psis ETA2, an apparent ortholog of the humancullin-interacting protein CAND1, is required forauxin responses mediated by the SCF(TIR1) ubi-quitin ligase. The Plant Cell 16 : 1883-97.
Coudert Y, Perin C, Courtois B, Khong NG, GantetP, 2010. Genetic control of root development inrice, the model cereal. Trends in Plant Science 15 :219-26.
Coudert Y, Bes M, Van Anh Le T, Pre M, GuiderdoniE, Gantet P, 2011. Transcript profiling of crownrootless1 mutant stem base reveals new elementsassociated with crown root development in rice.BMC Genomics 12 : 387.
Courtois B, Ahmadi N, Khowaja F, Price A, Rami JF,Frouin J, et al., 2009. Rice Root Genetic Archi-tecture: Meta-analysis from a Drought QTL Data-base. Rice 2 : 115-28.
Dello Ioio R, Nakamura K, Moubayidin L, Perilli S,Taniguchi M, Morita MT, et al., 2008. A geneticframework for the control of cell division anddifferentiation in the root meristem. Science 322 :1380-4.
Delseny M, 2004. Re-evaluating the relevance ofancestral shared synteny as a tool for cropimprovement. Current Opinion in Plant Biology 7 :126-31.
Dharmasiri N, Dharmasiri S, Estelle M, 2005. The F-box protein TIR1 is an auxin receptor. Nature 435 :441-5.
Droc G, Perin C, Fromentin S, Larmande P, 2009.OryGenesDB 2008 update: database interoperabi-lity for functional genomics of rice. Nucleic AcidsResearch 37 : D992-5.
Devos KM, 2005. Updating the 'crop circle'.Current Opinion in Plant Biology 8 : 155-62.
Fujii Y, 1961. Studies on the regularity of rootgrowth in rice and wheat plants. AgriculturalBulletin of the Saga University 12 : 1-117.
GrayWM, Kepinski S, Rouse D, Leyser O, EstelleM,2001. Auxin regulates SCF(TIR1)-dependentdegradation of AUX/IAA proteins. Nature 414 :271-6.
Goffinet B, Gerber S, 2000. Quantitative trait loci: ameta-analysis. Genetics 155 : 463-73.
Huang X, Wei X, Sang T, Zhao Q, Feng Q, Zhao Y,et al., 2010. Genome-wide association studies of14 agronomic traits in rice landraces. NatureGenetics 42 : 961-7.
Huang X, Zhao Y, Wei X, Li C, Wang A, Zhao Q,et al., 2012. Genome-wide association study offlowering time and grain yield traits in a worldwidecollection of rice germplasm. Nature Genetics 44 :32-9.
Inukai T, Sakamoto T, Ueguchi-Tanaka M, ShibataY, Gomi K, Umemura I, et al., 2005. Crownrootless1, which is essential for crown rootformation in rice, is a target of an AUXINRESPONSE FACTOR in auxin signaling. Plant Cell17 : 1387-96.
Itoh J, Nonomura K, Ikeda K, Yamaki S, Inukai Y,Yamagishi H, et al., 2005. Rice plant development:from zygote to spikelet. Plant Cell Physiology 46 :23-47.
Iyer-Pascuzzi AS, Benfey PN, 2009. Transcriptionalnetworks in root cell fate specification. BiochimBiophysica Acta Journal 1789 : 315-25.
Jannink JL,Walsh B, 2002. Association mapping inplant populations. In: Kang MS, ed. QuantitativeGenetics, Genomics and Plant Breeding. Londres :CAB International.
Kamiya N, Itoh J, Morikami A, Nagato Y, MatsuokaM, 2003a. The SCARECROW gene's role inasymmetric cell divisions in rice plants. PlantJournal 36 : 45-54.
Kamiya N, Nagasaki H, Morikami A, Sato Y,Matsuoka M, 2003b. Isolation and characterizationof a rice WUSCHEL-type homeobox gene that isspecifically expressed in the central cells of aquiescent center in the root apical meristem. PlantJournal 35 : 429-41.
Kaufman PB, 1959. Development of the shoot ofOryza sativa L. III. early stages in histogenesis ofthe stem and ontogeny of the adventitious root.Phytomorphology 9 : 382-404.
Kawata S, Yamazaki K, Ishihara H, Shibayama H,Lai KC, 1963. Studies on root system formation inrice plants in a paddy field: an example of itsrelationship with the growth stage. Proceedings ofCrop Science Society of Japan 32 : 163-80.
Kawata S, Harada J, 1975. On the Developmentof the Crown Root Primordia in Rice Plants.Proceedings of Crop Science Society of Japan44 : 438-57.
Kawata S, Katano M, Yamazaki K, 1977. Rootsystem formation in rice plants in ill-drained andwell-drained paddy field conditions. JapaneseJournal of Crop Science 46 : 261-8.
Kepinski S, Leyser O, 2005. The Arabidopsis F-boxprotein TIR1 is an auxin receptor. Nature 435 :446-51.
Khowaja FS, Norton GJ, Courtois B, Price AH,2009. Improved resolution in the position ofdrought-related QTLs in a single mapping popula-tion of rice by meta-analysis. BMC Genomics 10 :276.
Kitomi Y, Ito H, Hobo T, Aya K, Kitano H, Inukai Y,2011. The auxin responsive AP2/ERF transcriptionfactor CROWN ROOTLESS5 is involved in crown
482 Cah Agric, vol. 22, n8 5, septembre-octobre 2013
root initiation in rice through the induction ofOsRR1, a type-A response regulator of cytokininsignaling. Plant Journal 67 : 472-84.
Kitomi Y, Kitano H, Inukai Y, 2011. Molecularmechanism of crown root initiation and thedifferent mechanisms between crown root andradicle in rice. Plant Signaling and Behavior 6 :1270-8.
Krishnan A, Guiderdoni E, An G, Hsing YI, Han CD,Lee MC, et al., 2009. Mutant resources in ricefor functional genomics of the grasses. PlantPhysiololgy 149 : 165-70.
Laplaze L, Benkova E, Casimiro I, Maes L, VannesteS, Swarup R, et al., 2007. Cytokinins act directly onlateral root founder cells to inhibit root initiation.Plant Cell 19 : 3889-900.
Laplaze L, Parizot B, Baker A, Ricaud L, MartiniereA, Auguy F, et al., 2005. GAL4-GFP enhancertrap lines for genetic manipulation of lateral rootdevelopment in Arabidopsis thaliana. Journal ofExperimental Botany 56 : 2433-42.
Liu S, Wang J, Wang L, Wang X, Xue Y, Wu P,et al., 2009. Adventitious root formation in ricerequires OsGNOM1 and is mediated by the OsPINsfamily. Cell Research 19 : 1110-9.
Liu H, Wang S, Yu X, Yu J, He X, Zhang S, et al.,2005. ARL1, a LOB-domain protein required foradventitious root formation in rice. Plant Journal43 : 47-56.
Lorieux M, Blein M, Lozano J, Bouniol M, Droc G,Dievart A, et al., 2012. In-depth molecular andphenotypic characterization in a rice insertion linelibrary facilitates gene identification throughreverse and forward genetics approaches. PlantBiotechnology Journal 10 : 555-68.
Mambani B, Lal R, 1983. Response of upland ricevarieties to drought stress. Plant and Soil 73 : 95-104.
Matsumura Y, Iwakawa H, Machida Y, Machida C,2009. Characterization of genes in the ASYMME-TRIC LEAVES2/LATERAL ORGAN BOUNDARIES(AS2/LOB) family in Arabidopsis thaliana, andfunctional and molecular comparisons betweenAS2 and other family members. Plant Journal58 : 525-37.
Norton GJ, Aitkenhead MJ, Khowaja FS, WhalleyWR, Price AH, 2008. A bioinformatic and trans-criptomic approach to identifying positional candi-date genes without fine mapping: an example usingrice root-growth QTLs. Genomics 92 : 344-52.
Okushima Y, Fukaki H, Onoda M, Theologis A,Tasaka M, 2007. ARF7 and ARF19 regulate lateralroot formation via direct activation of LBD/ASLgenes in Arabidopsis. Plant Cell 19 : 118-30.
Overvoorde P, Fukaki H, Beeckman T, 2010. Auxincontrol of root development. Cold Spring HarbPerspect Biology 2 : a001537.
Paterson AH, Lander ES, Hewitt JD, Peterson S,Lincoln SE, Tanksley SD, 1988. Resolution ofquantitative traits into Mendelian factors by using acomplete linkagemap of restriction fragment lengthpolymorphisms. Nature 335 : 721-6.
Pauluzzi G, Divol F, Puig J, Guiderdoni E, Dievart A,Perin C, 2012. Surfing along the root ground tissuegene network.Developmental Biology 365 : 14-22.
Peret B, De Rybel B, Casimiro I, Benkova E, SwarupR, Laplaze L, et al., 2009. Arabidopsis lateral rootdevelopment: an emerging story. Trends in PlantScience 14 : 399-408.
Price HA, Steele KA, Moore BJ, Barraclough PP,Clark LJ, 2000. A combined RFLP and AFLP linkagemap of upland rice (Oryza sativa L.) used to identifyQTLs for root-penetration ability. Theoretical andApplied Genetics 100 : 49-56.
Price AH, Steele KA, Moore BJ, Jones RGW, 2002.Upland rice grown in soil-filled chambers andexposed to contrasting water-deficit regimes: II.Mapping quantitative trait loci for root morphologyand distribution. Field Crops Research 76 : 25-43.
Rebouillat J, Dievart A, Verdeil JL, Escoute J, GieseG, Breitler J, et al., 2009. Molecular Genetics ofRice Root Development. Rice 2 : 15-34.
Reyniers FN, Jacquot M, 1978. Démarche pourl'obtention de la résistance variétale à la séche-resse. Cas du riz pluvial. L'Agronomie Tropicale 33 :314-7.
Shen L, Courtois B, McNally KL, Robin S, Li Z,2001. Evaluation of near-isogenic lines of riceintrogressed with QTLs for root depth throughmarker-aided selection. Theoretical and AppliedGenetics 103 : 75-83.
Steele KA, Virk DS, Kumar R, Prasad SC,WitcombeJR, 2007. Field evaluation of upland rice linesselected for QTLs controlling root traits. Field CropsResearch 101 : 180-6.
Steinmann T, Geldner N, Grebe M, Mangold S,Jackson CL, Paris S, et al., 1999. Coordinated polarlocalization of auxin efflux carrier PIN1 by GNOMARF GEF. Science 286 : 316-8.
To JP, Haberer G, Ferreira FJ, Deruere J, MasonMG, Schaller GE, et al., 2004. Type-A Arabidopsisresponse regulators are partially redundant nega-tive regulators of cytokinin signaling. Plant Cell 16 :658-71.
Tuberosa R, Sanguineti MC, Landi P, Giuliani MM,Salvi S, Conti S, 2002. Identification of QTLs forroot characteristics in maize grown in hydroponicsand analysis of their overlap with QTLs for grainyield in the field at two water regimes. PlantMolecular Biology 48 : 697-712.
Wang D, Pei K, Fu Y, Sun Z, Li S, Liu H, et al., 2007.Genome-wide analysis of the auxin responsefactors (ARF) gene family in rice (Oryza sativa).Gene 394 : 13-24.
Wang XF, He FF, Ma XX, Mao CZ, Hodgman C, LuCG, et al., 2011. OsCAND1 is required for crownroot emergence in rice. Molecular Plant 4 : 289-99.
Wilmoth JC, Wang S, Tiwari SB, Joshi AD, HagenG, Guilfoyle TJ, et al., 2005. NPH4/ARF7 andARF19 promote leaf expansion and auxin-inducedlateral root formation. Plant Journal 43 : 118-30.
Wing RA, Ammiraju JS, LuoM, KimH, Yu Y, KudrnaD, et al., 2005. The oryza map alignment project:the golden path to unlocking the genetic potentialof wild rice species. Plant Molecular Biology 59 :53-62.
Xu M, Zhu L, Shou H, Wu P, 2005. A PIN1 familygene, OsPIN1, involved in auxin-dependent adven-titious root emergence and tillering in rice. Plant CellPhysiology 46 : 1674-81.
Yadav R, Courtois B, Huang N, McLaren G, 1997.Mapping genes controlling root morphology androot distribution in a doubled-haploid population ofrice. Theoretical and Applied Genetics 94 : 619-32.
Yu J, Holland JB, McMullen MD, Buckler ES, 2008.Genetic design and statistical power of nestedassociation mapping in maize. Genetics 178 :539-51.
Zhao K, Tung CW, Eizenga GC, Wright MH, Ali ML,Price AH, et al., 2011. Genome-wide associationmapping reveals a rich genetic architecture ofcomplex traits in Oryza sativa. Nature Communica-tion 2 : 467.
Zhao Y, Hu Y, Dai M, Huang L, Zhou DX, 2009.The WUSCHEL-related homeobox gene WOX11 isrequired to activate shoot-borne crown root deve-lopment in rice. Plant Cell 21 : 736-48.
483Cah Agric, vol. 22, n8 5, septembre-octobre 2013
