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

12

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)

18

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

21

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.

22

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