FMOV105 : Sélection et amélioration des plantes Partie 1 : Définitions, bases, historique et culture générale. Partie 2 : Principes et méthodes de la sélection.

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1 FMOV105 : Sélection et amélioration des plantes Partie 1 : Définitions, bases, historique et culture générale. Partie 2 : Principes et méthodes de la sélection créatrice. Partie 3 : Génome et création variétale

2 Définitions de l’amélioration des plantes « L’amélioration génétique des plantes, encore communément appelée sélection végétale, est l’ensemble de la démarche scientifique et technique qui permet de mettre à la disposition de l’agriculture des variétés de plus en plus performantes » (Yves Hervé). « L’amélioration des plantes est l’art et la science de la création de variétés » (André Gallais, 1990) « L’amélioration des plantes est l’ensemble des activités tendant à l’ajustement génétique des plantes au service de l’homme et comme la réalisation de multiples adaptations aux milieux physique, biologique et économique » (Doré et Varoquaux, 2006).

3 Les deux composantes de l’amélioration des plantes SELECTION VEGETALESELECTION VEGETALE I. SELECTION CREATRICE II. SELECTION CONSERVATRICE OBJECTIFS 1.Créer du matériel génétique nouveau (génotype) 2.Choisir les meilleurs génotypes (variétés) 1.Reproduire et amplifier les variétés Inscription au catalogue Protection juridique METHODES Mutation et Recombinaison Sélection (expérimentation,…) Multiplication sexuée ou végétative (des variétés ou des parents)

4 La sélection créatrice BIODIVERSITE Populations naturelles, Variétés,… Sélection, fixation VARIETES Rassembler EvaluerAméliorer INSCRIRE PROTEGER INSCRIRE PROTEGER PRODUIRE COMMERCIALISER

5 L’Homme fait-il de l’amélioration des plantes depuis que l’agriculture existe ? Amélioration des plantes dans les temps anciens –Domestication des plantes. –Introduction. Amélioration des plantes au 20 ème siècle –Augmentation du rendement. –Stabilisation du rendement. –Acclimations et adaptation à de nouvelles méthodes de culture. –Qualité. –Santé animale et humaine. –Divers. Conclusion sur la question PLAN

6 Les origines de l’amélioration des plantes Sédentarisation Domestication Sexualité des végétaux -10 000 1800 Hybridations interspécifiques systématiques Linné 1 ers hybrideurs Knight, Herbert, Sageret Louis de Vilmorin Redécouverte des lois de Mendel MUTATION RECOMBINAISON Liaison génétique Morgan 19001700 Sources classiques de la variation biologique qui constituent le matériau de l’évolution

7 Zone d’origine d’une espèce: celle où le progéniteur sauvage est présent ainsi que des espèces sauvages voisines. Généralement lieu de la domestication. Zone de diversification: celle où de nombreuses formes ont été sélectionnées à partir du premier type domestiqué. Note : Il peut y avoir plusieurs domestications indépendantes. Introduction: installation d’une plante hors de son aire originelle. Acclimatation: installation dans une région différente d’une plante capable d’y survivre. Domestication: « mettre sous dépendance totale » Ensemble des processus d’évolution d’une population sous la double contrainte de ses propres aptitudes morphologiques, physiologiques (et donc génétiques) à s’adapter et du pouvoir de l’Homme à orienter ces transformations L’Homme fait-il de l’amélioration des plantes depuis que l’agriculture existe ? Amélioration des plantes dans les temps anciens QUELQUES DEFINITIONS PREMIER CRIME CONTRE LA NATURE ?

8 L’Homme fait-il de l’amélioration des plantes depuis que l’agriculture existe ? Evénement qui est à l’origine de toutes les espèces dont l’Homme d’aujourd’hui se nourrit. Transformation de la démographie mondiale. Pré-requis pour le développement de l’Humanité. Amélioration des plantes dans les temps anciens THEME MAJEUR DE RECHERCHE FONDAMENTALE Où ?, quand ?, comment ? POURQUOI S’INTERESSER A LA DOMESTICATION DES PLANTES ? Zone d’origine de l’espèce = grande biodiversité (Nicolai Vavilov) INTERET MAJEUR AMELIORATION DES PLANTES

9 L’Homme fait-il de l’amélioration des plantes depuis que l’agriculture existe ? OU S’EST EFFECTUEE LA DOMESTICATION DES PLANTES ? Amélioration des plantes dans les temps anciens

10 L’Homme fait-il de l’amélioration des plantes depuis que l’agriculture existe ? Apparition de l’Humanité -100 000 ans Agriculture élevage -10 000 ans – sédentarisation. Biotechnologies -50 ans. QUAND S’EST EFFECTUEE LA DOMESTICATION DES PLANTES ? Est-ce la domestication qui a favorisé la sédentarisation de l’Homme ? Est-ce la sédentarisation qui a conduit à la domestication des plantes ? Amélioration des plantes dans les temps anciens

11 Données archéologiques (Benz,2001) Découverte des premières téosintes domestiquées (attache solide des grains au rachis, 2 rangées de cupules avec 2 à 4 rangs de grains ) ont été daté avant le 5 ème siècle avant JC. Avant les premières traces de sédentarisation de l’Homme dans cette région (Oaxaca, Mexique) L’Homme fait-il de l’amélioration des plantes depuis que l’agriculture existe ? Amélioration des plantes dans les temps anciens

12 L’Homme fait-il de l’amélioration des plantes depuis que l’agriculture existe ? Amélioration des plantes dans les temps anciens

13 L’Homme fait-il de l’amélioration des plantes depuis que l’agriculture existe ? Amélioration des plantes dans les temps anciens Tanno et Willcox, 2006 (Science) Origine de l’agriculture en Turquie et Syrie 1er amidonnier indéhiscent C 14 Observation de presque 10000 grains vêtu d’amidonnier orge Augmentation graduelle du % d’indéhiscent au cours du temps = signe d’une domestication graduelle sur des milliers d’années. DOMESTICATION : PHENOMENE RAPIDE OU LENT

14 Espèces sauvages ancestrales Espèces cultivées actuelles Egrenage spontané (épi à rachis fragile) Rétention des graines (rachis soudé) Inflorescences nombreuses et petites Inflorescences uniques ou peu nombreuses et hypertrophiées Grains vêtus plus ou moins ornementés Grains souvent nus Petits grains riches en protéines et lipides Gros grains riches en glucides Dormance forteDormance limitée Hétérogénéité de maturité intraplante Homogénéité de maturité L’Homme fait-il de l’amélioration des plantes depuis que l’agriculture existe ? Amélioration des plantes dans les temps anciens CARACTERES TOUCHES PAR LA DOMESTICATION CAS DES CEREALES

15 L’Homme fait-il de l’amélioration des plantes depuis que l’agriculture existe ? Amélioration des plantes dans les temps anciens CARACTERES TOUCHES PAR LA DOMESTICATION CAS DES PLANTES POTAGERES Taille des organes récoltés : potiron, chou-fleur, tomate,… Élimination de substances toxiques ou anti-nutritionnelles : Tomate, aubergine,… Amélioration des qualités organoleptiques : laitue (poils, latex, amertume), tomate (phénylacétamine),…

16 Téosinte Maïs Combien de gènes pour expliquer le passage de la téosinte au maïs ? L’Homme fait-il de l’amélioration des plantes depuis que l’agriculture existe ? Amélioration des plantes dans les temps anciens DETERMINISME GENETIQUE DU SYNDROME DE DOMESTICATION : CAS DU MAIS

17 L’Homme fait-il de l’amélioration des plantes depuis que l’agriculture existe ? Amélioration des plantes dans les temps anciens CUPR = Nombre de cupules / rang GLUM = dureté de la glume extérieure DISA = tendance de l’épis à se désarticuler PEDS = % de cupule sans grain RANK = nombre de rangées de cupules MI Inflorescence principale OG = glume extérieur AB = couche d’abscission RA = Internode rachis Rangs cupules Grain PLI Inflorescence latéral primaire (mâle) SLI Inflorescence latéral secondaire (femelle) mâle femelle LBIL = longueur des entrenoeuds sur la branche principale LIBN = nombre de branche sur les inflorescences latérales primaires PROL = Nombre d’épis sur une branche latérale STAM = % de fleurs mâles dans les inflorescences latérales primaires

18 Cours 2 : L’Homme fait-il de l’amélioration des plantes depuis que l’agriculture existe ? Amélioration des plantes dans les temps anciens LIBN

19 Cours 2 : L’Homme fait-il de l’amélioration des plantes depuis que l’agriculture existe ? Amélioration des plantes dans les temps anciens PEDS Manque grain

20 L’Homme fait-il de l’amélioration des plantes depuis que l’agriculture existe ? Amélioration des plantes dans les temps anciens Croisement entre téosinte et maïs Réalisation d’une F2 par autofécondation Analyse des caractères et de marqueurs dans la descendance

21 L’Homme fait-il de l’amélioration des plantes depuis que l’agriculture existe ? Amélioration des plantes dans les temps anciens Les caractères sont organisés en 5 loci 1 seul caractère CUPR contrôlé par plusieurs loci Minimum 5 gènes Doebley et al, 1991 1 Seul gène ?

22 L’Homme fait-il de l’amélioration des plantes depuis que l’agriculture existe ? Amélioration des plantes dans les temps anciens CLONAGE DE tb1 CHEZ LE MAIS tb1 = teosinte branched Des études antérieures ont montré que le caractère « teosinte branched » était contrôlé par un locus (Burnham, 1959) Production de 26000 plantes « étiquetage par transposon » 3 mutants tb1 Croisement avec mais sauvage Repérage d’une insertion qui co-ségrége avec le caractère tb1 Isolation d’un clone d’une banque génomique contenant l’insertion qui co-ségrège méthodes

23 L’Homme fait-il de l’amélioration des plantes depuis que l’agriculture existe ? Amélioration des plantes dans les temps anciens Géne homologue avec cycloidea (muflier) Ressemble au facteurs de transcription Northern Téosinte faible expression mais= forte expression Plus le gène est exprimé plus la branche latérale est courte Control de structure secondaire :branche tb1, fleurs cycloidea Répresseur de développement d’organe Affecte le développement des pétales et étamines (classe B). (tb1 empêche le développement d’étamines d’où pas de fleurs mâles) Données de séquençage

24 Cours 2 : L’Homme fait-il de l’amélioration des plantes depuis que l’agriculture existe ? Amélioration des plantes dans les temps anciens Biodiversité testéeAnalyse du polymorphisme téosinte Wang et al., 1999 Séquences promotrices touchées pendant la domestication et non pas la séquence codante

25 L’Homme fait-il de l’amélioration des plantes depuis que l’agriculture existe ? Amélioration des plantes dans les temps anciens Le fait de trouver un nombre réduit de gènes associés au syndrome de domestication est général Maïs 5 gènes majeurs Mil / 4 loci (Poncet, 1998) Caractère de déhiscence 1 gène : Millet, mil 2 gènes : Blé, orge 1 QTL : Sorgho 3 QTL : riz Domestication = modification de la séquence codante = modification des séquences régulatrices (TB1, FW2.2) Séquençage des génomes : grande aide pour la découverte de gènes de domestication

26 Engrain spontané Amidonnier spontané Amidonnier Blé dur Blé tendre L’Homme fait-il de l’amélioration des plantes depuis que l’agriculture existe ? Amélioration des plantes dans les temps anciens Chantret et al., 2005 (plant cell)

27 L’Homme fait-il de l’amélioration des plantes depuis que l’agriculture existe ? Amélioration des plantes dans les temps anciens Locus de domestication Ha (Hardness) – sur le chromosome 5 du génome D T. aestivum ssp aestivum : albumen tendre Locus Ha 3 friabilines (protéines se liants aux lipides – taille 15 kDa) codées par les gènes PIN PINA code la puroindoline a PIN B code la puroindoline b GSP-1 code « Grain Softness protein » Présence des gènes PIN et GSP Albumen tendre

28 Engrain spontané Amidonnier spontané Amidonnier Blé dur Blé tendre L’Homme fait-il de l’amélioration des plantes depuis que l’agriculture existe ? Amélioration des plantes dans les temps anciens PIN PIN : Gautier et al., 2000

29 L’Homme fait-il de l’amélioration des plantes depuis que l’agriculture existe ? Amélioration des plantes dans les temps anciens Délétion du fragment chromosomique contenant les gènes PIN dans les génomes A et B de T.aestivum et T.turgidum Les délétions sont probablement indépendantes car : 1.Les délétions entre les génomes A et B ont des extrémités différentes. 2.Elles mettent en jeux des éléments transposables différents. 1.Génome B rétrotransposon Atthila 2.Génome A rétrotransposon Angela La première polyploïdisation et la pression exercée pendant la domestication ont conduit à perdre les gènes PIN. Ces gènes ont été retrouvés lors de la seconde polyploïsation A D B A A D

30 L’Homme fait-il de l’amélioration des plantes depuis que l’agriculture existe ? Amélioration des plantes dans les temps anciens INTRODUCTION Nourriture du début du moyen- âge très pauvre Assez peu d’espèces cultivées Introduction : base génétique assez étroite (tomate, fraise,…) Introduction : œuvre de quelques explorateurs – Plus célèbres Colomb, Polo,… Introduction de la même espèce mais ayant subit une domestication différente B. Rapa donne le navet (europe) ou le choux chinois Pe-tsai et pak-choi (Asie) Les introduction n’ont pas toujours été bien accueillies (tomate, pomme de terre,…)

31 L’Homme fait-il de l’amélioration des plantes depuis que l’agriculture existe ? Amélioration des plantes au 20ème siècle AUGMENTATION DU RENDEMENT Les rendements ont souvent explosés dans la seconde moitié du 20ème siècle 50 ans rendement doublé (ex, colza 14q/ha à 30 q/ha) Rendement triplé (ex betterave 4t/ha à 12t/ha- sucre; tournesol 8q/ha 30 q/ha) Rendement quadruplé (ex, asperge, maïs, pois protéagineux) Révolution verte – voir TD Au sortir de la seconde guerre mondiale France avait faim Pays en voies de développement Asie, AdS Autosuffisance alimentaire Problèmes environnementaux

32 L’Homme fait-il de l’amélioration des plantes depuis que l’agriculture existe ? Amélioration des plantes au 20ème siècle STABILISATION DU RENDEMENT Critère qui a le plus évolué Sélectionné non volontairement : l’écart des performances entre variétés anciennes et nouvelles sont d’autant plus grande que les conditions de cultures sont mauvaises (Grignac et al., 1981(blé); Derieux et al., 1986 (maïs)) Résistances aux mauvaises herbes : couverture rapide du sol (tallage), gènes de résistances aux herbicides Résistances aux maladies betterave (curlytop, rhizomanie), luzerne (verticilliose, nématodes à tige), espèces à multiplication végétative (ail, fraisier, pomme de terre). Existence de gènes stables (Are –anthracnose du haricot) ou non dm (20 races de mildiou chez la laitue. 200 bio agresseurs pour la tomate. Résistance au stress abiotique tolérance au calcaire (vigne), hydromorphes, Résistance à la verse, Résistance à l’échaudage,…

33 L’Homme fait-il de l’amélioration des plantes depuis que l’agriculture existe ? Amélioration des plantes au 20ème siècle ADAPTATION A DE NOUVELLES ZONES, METHODES DE CULTURES La sélection a permis d'étendre la zone de culture des espèces en les adaptant à des conditions climatiques nouvelles comme le froid et la sécheresse ou d'autres stress climatiques comme la verse due au vent et l'inondation. Il y a 45 ans, le maïs était cultivé essentiellement dans le sud-ouest de la France. La sélection de maïs précoce mûrissant dans le bassin parisien, supportant le printemps frais et long de nos climats océaniques et ne versant pas après maturité est à l'origine du développement de cette espèce en France et en Europe du Nord. maïs Culture sous serre tomate, concombre, laitue Adaptation mécanisation Forçage Endive Industrie Tomate( sur- maturité, fermeté, fragilité du pédicelle, forme Population de Lacaune + hybride (précocité)

34 L’Homme fait-il de l’amélioration des plantes depuis que l’agriculture existe ? Amélioration des plantes au 20ème siècle AMELIORATION DE LA QUALITE suppression de goût et caractères désagréables (tomate, aubergine, endive, concombre) Taux de sucre (melon) Arôme nouveaux (fraise) Finesse des gousses, grains (haricot, pois,…) Absence de pépins TD 4 Force boulangères des blé, qualité brassicole des orges Rectitude des troncs (pin maritime) Comportement estival (fétuque), résistance pietinnement, à la tonte, à l’ombre, finesse du feuillage (gazon) DIFFICILE DE DEFINIR QUALITE GROSSES DIFFERENCES D’UNE PLANTE A L’AUTRE

35 L’Homme fait-il de l’amélioration des plantes depuis que l’agriculture existe ? Amélioration des plantes au 20ème siècle AMELIORATION DE LA SANTE Élimination de tannins,de facteurs antinutritifs (vicine-convicine) (lupin féverole) et glucosinolates (colza) Amélioration de la teneur en protéine, appétences, digestibilité (plantes fourragères) Sélection des huiles (colza, tournesol), richesse en vitamine (carottes, tomates)

36 L’Homme fait-il de l’amélioration des plantes depuis que l’agriculture existe ? Amélioration des plantes au 20ème siècle CONCLUSION OUI, dans l’absolue si on est poète NON, si on considère le manque d’efficacité de la sélection ancestrale (réalisations négligeables)