génétique et innovation variétale en fruits et légumes · plante génétiquement modifiée...

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

Mutation

PhénotypePhénotype

SélectionNaturelle

Artificielle (homme)

Temps

EspaceX

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

Choux européens

Forme sauvage

Bourgeonsaxillaires

Bruxelles

Choux européens

Inflorescencechou-fleur

brocoli

Formesauvage

Feuille

cabus

de Milan

frisé

Tigemoellier

chou rave

Choux européens

Beta vulgaris

BetteraveCôte de bettePoirée

Sélection divergente

Apium graveolens

Céleri rave Céleri branche

Cynara cardunculus

Sélection divergente

Cardon Artichaut

Brassica rapa

Pak choï

Beta vulgaris

Bette = Blette = Poirée

Sélection convergente

Pe tsaï

Diversité du piment

Diversité de la tomate

Diversité de l’aubergine

Melon sauvage

Diversité du melon

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


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


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 aa1/4 1/2 1/4

AA Aa aa3/8 1/4 3/83/8 1/4 3/8


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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� � �

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Population d'individushétérozygotes

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� � � � �

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

P1 P2

F

Haplo-diploïdisation

F1

Androgenèse ou gynogenèse

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)


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)


Méthodes :

Agrobacterium tumefaciens

Biolistique

CRISP-Cas9


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


Sélection, tri

F1 F2 3/4 R1/4 J R

BC1 BC1I1 3/4 R1/4 J R

BC2 etc...

Recombinaison

CD25T16_1.6

CT204

Croisement

Marquage moléculaire de y

chromosome indigo

CT204

yAutofécondation

Dernière étape de synthèse des keto-caroténoïdes contrôlée par le gène C.C.S.


anthéraxanthine

capsanthine

violaxanthine

capsorubine

C.C.S.

Cartographie de CCS, gène candidat pour y

CD25T16_1.6


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

Trois type de fleurs

Biologie florale du melon

Femelle Hermaphrodite Mâle

Deux gènes majeurs : a et g

Fleurs mâlesPrésence Absence


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)


Le gène g correspond à l’insertion d’un transposonà proximité d’un facteur de transcription.Méthylation du promoteur � pas d’expression du gène


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 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 plantesTests de résistance aux maladiesObservations, descriptionsThèse (BAC +8) Observations, descriptions…

Travail de « laboratoire »

Biologie cellulaireBiologie moléculaireBiochimie…

Informatique

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