1
Pourquoi l’Amélioration des Plantes ?
Pourquoi
les Biotechnologies Végétales ?
Why Plant Breeding?
Why Plant Biotechnologies?
2
Définition de l’amélioration des plantes
C’est la « modification des caractères des plantes cultivées pour qu’elles répondent de mieux en mieux aux besoins de l’homme »
Il s’agit de « réunir dans un même génotype ou groupe de génotypes, la variété, le maximum de gènes favorables pour mieux répondre aux besoins des utilisateurs »
Matériel àaméliorer
(population)Variétés
Sélection +systèmes de reproductionbiotechnologies
+ + - - + + + - - - + - + - - - + + - - + +
+ + - - + + + - - - + - + - - - + + - - + +
But : Remplacer gènes défavorables par gènes favorables
Outils : Sélection phénotypique et les biotechnologies
3
Pourquoi améliorer les plantes ?
Les populations non améliorées ont de nombreux défauts.
Le but de l’amélioration des plantes est de corriger ces défauts
- augmenter les rendements
- avoir des variétés résistantes aux « agresseurs »(maladies, insectes)(économiser les fongicides)
- économiser et mieux valoriser l’eau et l’azote
- avoir des plantes adaptées aux milieux de culture et conditions d’utilisations
- adapter les plantes à la mécanisation
- avoir des produits de qualité (nutritionnelle, technologique…)
Exemples
4
Avoir des variétés productives
Conséquences économiques bénéfiques, mais coût environmental
Comment nourrir 9 milliards d’habitants en 2050 ? Grand défi
« Produire plus en respectant l’environnement et compte tenu du changement climatique »
Pour atteindre cet objectif, rôle important de l’amélioration des plantes
Efficacité de l’amélioration des plantes 1955-2010
Exemples : blé, maïs, betterave
Progrès génétique
Grande efficacité
Maïs : 1,33 q/ha/an
Blé : 1,08 q/ha/an
-5,0
10,0
25,0
40,0
55,0
70,0
85,0
100,0
1955 1965 1975 1985 1995 2005
Année
Ren
dem
en
t q
/ha
France
5
Avoir des variétés résistantes aux maladies
Objectif important pour toutes le plantes : fruits, légumes, plantes de grande culture
Perte de 15 % du potentiel de production
Résultats
- blé 1995-2005
0,9 q/ha/an avec fongicides
1,4 q/ha/an sans fongicides
les variétés modernes sont plusrésistantes aux maladies- tomate, pommier (gènes d’espèces
sauvages)….
Economie de fongicides, meilleur respect de l’environnement.
+41%
+51%
6
La valorisation de l’azote
Exemple du blé
Sélection possible variétés adaptées àfaibles intrants
30 q/ha
40 q/ha
50 q/ha
60 q/ha
70 q/ha
80 q/ha
90 q/ha
100 q/ha
<1957 <1957 1957 1958 1961 1970 1980 1985 1986 1991 1991 1992
IRRIGUÉ
SEC
Rdt grains
<1957 1957 1958 1961 1970 1980 1985 1988 1991 1995 1998 200
Année
Sécheresse
Exemple du maïs
Froid
Exemple du maïs
1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000Date d'inscription des variétés
40
50
60
70
80
90
Ren
dem
ent (
q/ha
)
Faible azote Fort azote
0.63 q/ha/an
0. 42 q/ha/an
Bilan
Variétés plus rustiques
Gain supérieurs en milieux défavorables
7
Avoir des variétés adaptées àla mécanisation
Exemple du maïs (résistance verse)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
1950 1960 1970 1980 1990 2000
Année
Ren
dem
ent
Rendement manuellement récoltable
Rendement mécaniquement récoltable
Exemple de la betterave
(monogermie)
Passage de 90 h/ha à 3 h/ha
Productivité du travail x 50
8
Avoir des variétés de bonnes qualités
Exemple Colza (0-érucique, O-glucosinolates), blé (valeur boulangère)
Il est possible de concilier rendement et qualité
100
120
140
160
180
200
220
240
260
77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94
W Chopin
Blés Panifiables SupérieursBlés Panifiables Courants
9
Comment le progrès génétique est apporté ?
Depuis la domestication
« moins d’espèces, moins de populations par espèces et des populations de plus en plus homogènes »
Aujourd’hui, une variété = un génotype
Intérêt de l’homogénéité
- production plus élevée
- efficacité de la sélection (ex maïs)
- optimisation des itinéraires techniques
- mécanisation des cultures
- qualités bien définies
10
Bases génétiques des progrès réalisés
- transfert de gènes majeurs (exemples : développement, morphologie, maladies, qualité colza, blé) par rétrocroisement
- amélioration quantitative (beaucoup de gènes, progrès continu)
Qualité boulangère du blé
Teneur en lysine du maïs
Gènes de nanisme
Croissance déterminée
Gène afila
11
Bilan méthodologique de la sélection conventionnelle
Schéma général
Efficace mais :
- longueur des cycles (lenteur réponse / demande)- manque de correspondance entre phénotype et génotype- recombinaisons génétiques mal dirigées (perte de variabilité)- variabilité génétique disponible limitante (ex résistance aux insectes)
Réponse par les biotechnologies
Variabilité génétique
Croisements entre plantes
Autofécondation
Variété
Sélection
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Pourquoi les biotechnologies végétales ?
Définition : toute technologie de « manipulation » des organes, tissus, cellules ou ADN des plantes, soit pour accélérer certains processus (production, sélection), soit pour modifier les caractéristiques des plantes
Les biotechnologies pour accélérer la production de plantes
- la micro-propagation (clonage) Ex Fraisier (qualité sanitaire plants)
- la culture d’embryons immatures
(accélération des générations,
croisements entre espèces)
Photos BBV
13
Des biotechnologies pour accélérer le processus de sélection :exemple des haploïdes doublés
Cellule n(microspores, ovules)
Plante n Plante 2nhomozygote
Doublementchromosomique
Avantages (si technique maîtrisée)
- gain de temps (2-3 ans chez le blé)- homozygotie parfaite- meilleure utilisation de la variabilité
Embryons haploïdes de colza
14
1
umc11
gsy297a gsy271
gsy59ADPGgsy304
s
umc83a
gsy282a
gsy296 gsy291gsy52 gsy19 adh1 gsy177bumc39c
umc161
bnl829
umc84
bnl632
2
gsy54b
gsy136umc16a
gsy199 gsy237 umc139 gsy423 umc5 umc22
umc4
umc36b
3
umc92
umc10
4
So53
gsy4a
gsy82
umc66
umc133a
gsy34a 5
bnl625
umc147
pgm2
gsy168
gsy154
umc43
gsy249b
gsy343b
gsy403
umc54
umc68
umc63a umc104a
6
gsy406b
gsy224
umc85
umc39a
umc65
gsy244
gsy325a
bnl823
gsy298e
umc38
umc32c
idh2_iso
mdh2_iso gsy236
gsy325c
7
gsy131
gsy345
gsy113 gsy155
umc116
umc110
bnl1407gsy425 gsy107
8
bnl1305a
bnl911
gsy60-ADPG
umc89umc12a
gsy126 umc30
Gsy224b-SPS
umc36a umc32a
gsy147b gsy111a
9
gsy256 umc113 gsy66_SH1
gsy89
gsy54d gsy200_WX gsy189 bnl510
umc114 gsy183
gsy67-SUS
gsy143a
bnl509 bnl1428
gsy330 umc94
10
bnl304
gsy321
umc130 gsy329
gsy170b gsy412a gsy15
gsy348a u
gsy53
RG 94RG 95
PG 94PG 95
PG 94PG 95
PG 94PG 94
RG 94 RG 94RG 95
NG 94NG 94
RG 95
PG 94
PG 95PG 94
PG 95
RG 94RG 94
PG 94PG 95
PG 94PG 95
NG 95
RG 95
NG 94NG 94
NG 95
RG 95
NG 95NG 94
RG 2y
NG 2y
PG 2y
PG 2y
PG 2yPG 2y
NG 2y NG 2y
RG 2y RG 2y
RG 2y
PG 2yPG 2y
RG 2y RG 2y
PG 2yNG 2y
NG 2y
RG 95
Sénescence foliaire
% N grain
Rendement grain
Poids de 1000 grains
Nombre de grains/épi
GDH
ADPG
INV
SPS
ADPG
ADPG
ADPG
ASI
Sen Ste
NNI
RNG
RRGNR
NR
Les marqueurs moléculaires (marqueurs ~ étiquettes ~ gène) (Biotech ?)
1. A partir d’un croisement, détection des fragments favorables / parent
2. Transfert par croisement de fragments chromosomiques « favorables ». Gain de temps
15
Des biotechnologies pour modifier les caractéristiques des plantes (nouveaux caractères)
Le doublement chromosomique
Exemples : fourrages, betterave à sucre
Triploïdie (2n x 4n) : betterave, pastèque, lime, banane, pétunia, tagètes…
Utilisation pour la synthèse d’espèces nouvelles : Triticale
ou la resynthèse d’espèces : blé, colza
Source nouvelle variabilité
15 % des croisements blés CIMMYT
Diploïde 2n
Traitement colchicine
Autotétraploïde 4n
AA
AAAA
Blé x Seigle
Productivité Rusticité
F1 Stérile
Doublement chromosomique
Triticale
Productivité + Rusticité
16
Echange entre chromosomes d’espèces différentes
Blé tendre sensible Aegilops résistant au piétin verse
AA BB
Recroisement avec blé tendre + sélectionAA BB DD Mr
Blé tendre résistant au piétin verse
DD MMrr
AA BB DDr
r
AA BB DD
Croisement avec Aegilops (CIV)+ doublement chromosomique + Croisement avec le blé tendre
Blé dur
Nombreux exemples de ce type (blé, tomate)
Irradiation ou non
Autofécondation, sélection
17
L’échange d’organites cytoplasmiques par fusion de protoplastes
Exemple : la stérilité mâle du colza (Pelletier, 1983)
Colza mâle-stériledéficient chlorophyllien
Colza fertilechlorophylle normale
Colza mâle-stérilechlorophylle normale
fusion de protoplastes
régénération+ sélection
protoplastes
noyau
chloroplaste
mitochondrie
Permet production d’hybrides chez toutes les brassicacées
Autre exemple chez la chicorée (fusion de protoplastes chicorée-tournesol)
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L’induction d’une nouvelle variabilité génétique par mutagénèse
Définition mutagénèse au sens strict
induction d’une modification au niveau du gène
Inducteurs : rayonnement gamma (cobalt 60), susbtances chimiques (MSE)
Nombreux exemples (2570 dans le monde !)
- riz de Camargue : Delta
- pamplemousse sans pépins
- résistance du tournesol à un herbicide (imidazolinone)
- chez les arbres fruitiers (mutagénèse de bourgeons) : port de l’arbre, ramification, couleur et aspect du fruit (« Lysgolden »)….
(Phénomène naturel)
19
Le transfert direct de gènes : la transgénèse
Définition
(phénomène naturel)
Intérêt
- nouvelle variabilité génétique (ex résistance aux insectes, virus, ….)
- gain de temps dans la sélection
Nombreuses perspectives
- adaptation au milieu : valorisation de l’azote, meilleure économie de l’eau, / température
- qualité : qualité sanitaire, composition en AA, en vitamines…
- environnement
20
Conclusions
Evolution des niveaux d’action // évolution des connaissances
Passage de la sélection phénotypique à la sélection génotypique
Sélection entre espèces(domestication - 8000 ans)entre populations
Sélection intrapopulation(Louis de Vilmorin, 1855)
Sélection généalogique, individuelle
Population Individu-génome Tissu-cellule-gènes
Biotechnologies2000
> 1950
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L’amélioration des plantes a toujours été du génie génétique (au sens large). Il s’agit de
réunir dans un même génotype le maximum de gènes favorables
Aujourd’hui grâce aux biotechs l’amélioration des plantes est plus puissante, plus dirigée et précise, avec de nouvelles sources de variabilité génétique (caractères nouveaux)
Les biotechs + méthodes conventionnelles = plus d’efficacité
(Les biotechs ne font souvent que maîtriser des phénomènes qui se passent dans la nature).
Outils permettant de répondre plus rapidement aux besoins d’une agriculture durable (ex eau, azote)
Progrès importants encore possibles
L’amélioration des plantes est plus que jamais nécessaire pour « nourrir la planète et respecter l’environnement ».
Tous les outils seront nécessaires pour atteindre cet objectif.
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A b C d e f G HA b C d e f G H
a B c D E F g h
Principe de la sélection généalogique : exploitation des croisements
a B c D E F g h
A b C d e f G Ha B c D E F g h
A B C D E F G HA B C D E F G H
A b C D E f G H A b C D E f G H
Parent 1 Parent 2
F1
Par fixation (autofécondation) et sélection
le but est d ’obtenir
mais on obtient
d’où nécessité de recombinaison (beaucoup de cycles). Efficacité
23
Le rétrocroisementpour un gène dominantParent receveurParent donneur
X
X
X
X
X
X
autofécondation
sélection des Aa
sélection des Aa
sélection des Aa
sélection des Aa
a
a
a
a
a
a
a
a
a
a
aa
A
A
A
A
A
A
A
A
a
a
a
a
a
a
A
A
Nouvelle lignée
F1
BC1
BC2
BC3
BC4
BC6
Apport des marqueurs moléculaires