Les sources classiques de la variation biologique : la mutation et la recombinaison MUTATIONRECOMBINAISON Micropropagation Haplodiploïdisation Polyploïdisation Mutagenèse Marquage moléculaire Transgénèse Hybridation somatique Hybridation interspécifique Production d’hybrides F1 Hybridation puis sélection généalogique 1 ère stratégie: sélection des variations, spontanées ou provoquées, et les exploiter autant que possible. 2 ème stratégie: combiner des caractères dans une perspective de construction de génotype.

Hybridation et sélection généalogique Sélection généalogique pour extraire les meilleures lignées Sélection généalogique sur la descendance de croisements Croisements interspécifiques systématiques HYBRIDEURS SELECTIONNEURS 1 ère synthèse entre les idées des hybrideurs et des sélectionneurs Réalisation de lignées parentales des variétés synthétiques ou hybrides F1 Méthode très efficace: Rendement du blé 12 à 80 quintaux (100 ans) AUTOGAMES ALLOGAMES En s’appuyant sur le mendélisme

Production d’Hybrides F1 Hybride F1 = structure variétale exploitant au maximum l’hétérosis Les avantages des hybrides F1 - Rendement - Homogénéité - Homéostasie - Cumul de gènes dominants (résistances aux maladies) - Protection des efforts de recherche Maîtrise de la fécondation croisée Castration manuelle1957, INRA 200, maïs 1963, MONTFAVET H63-5, tomate Stérilité mâle nucléaire1969, INRA 6501 lignée tournesol Compétition pollinique1972, FLAMBOR, endive Incompatibilité1975, JAKEZ, chou-fleur Gamétocide1985, COURTEL, blé Stérilité mâle nucléo-cytoplasmique1974, FRANSOL et RELAX, tournesol

Création et exploitation de croisements interspécifiques ou intergénériques Espèces naturellement créées par croisements interspécifiques - Création d’espèces : blé, coton, colza, moutarde brune, fraisier (fragaria chilensis (Frézier)x Fragaria virginiana (J. Cartier), peuplier, pêcher-amandier,… Les flux de génomes ont été à la base de la création d’espèces essentielles pour l’Homme. Croisements interspécifiques provoqués - Contournement des barrières avant la fécondation : utilisation de pollen mentor, croisement réciproque, ablation du style,... - Contournement des barrières après la fécondation : polyploïdisation, sauvetage d’embryons par culture in vitro,...

Création et exploitation de croisements interspécifiques ou intergénériques

Création du triticale 1937 Blé tendre x seigle = triticale octoploïde 1948 Blé dur x seigle = triticale hexaploïde 2ème étape : croisement d’un blé tendre compatible avec le seigle ABD/ ABD x R/R = ABDR Doublement à la colchicine ABDR/ABDR (octoploïde – triticale primaire) 3ème étape : croisement d’un triticale primaire par un triticale hexaploïde (amélioré) Triticale primaire ABDR/ABDR x ABR/ABR = ABR/ABR (élimination du génome D (ou integration partielle – cytoplasme blé tendre) 1ère étape : introduction de gène de compatibilité de croisement dans le blé tendre kr1, kr2, Skr (localisation 5A et 5B) Chinese spring et maintenant Norin 29, Roazon, courtot Difficile : sauvetage d’embryon Blé seigle triticale

Impact des croisements interspécifiques sur l’amélioration des plantes Quelques nouvelles espèces issues de croisements interspécifiques provoqués Ray-grass hybrideL. perenne x L.multiflorum1978, AUGUSTA Porte-greffes V. vinifera x V. berlandieri 1978, FERCAL (vigne) ArabustaC. arabica x C. canephora1980, ARABUSTA TriticaleBlé x Secale cereale1983, CLERCAL Porte-greffesP. domestica x P. spinosa1989, AVIVEL TORINDEL (abricotier) Porte-greffesP.davidiana, P.mume, 1991, VIKING (prunus)P.dulcis, P. persica. Quelques exemples de variétés portant des introgressions Blé tendreA. ventricosa1976, ROAZON, résistance au piétin-verse et aux rouilles (Yr17-Lr37) Laitue L. saligna 1990, NINJA, résistance au Brémia PimentC baccatum1991, OSIR, résistance au CMV TournesolH. tuberosus1998, INEDI, résistance au mildiou

Impact de l’hybridation somatique sur l’amélioration des plantes Méthode de combinaison d’information génétique en 3 étapes 1) Réalisation de protoplastes, 2) Fusion de protoplastes, 3) Culture in vitro des produits de fusion et régénération d’une plante entière. Quelques applications de la fusion de protoplastes Création de nouvelles espèces , la pomate. - En cours, porte-greffes de Citrus : Poncirus trifoliata x Citrus reticulata. Introgression de caractères par fusion asymétrique - Résistance au virus de l’enroulement introduite dans la pomme de terre à partir de S. brevidens. Manipulation des caractères cytoplasmiques (cybrides) - Réalisation de cytoplasmes inducteurs de stérilité mâle chez les Brassica (système OGU- INRA) (voir cours sur le colza) puis chez le riz et les chicorées.

Transgénèse La transgenèse consiste à transférer des gènes 1) sous forme d’ADN isolé par transfert direct ou, 2) sous forme d’ADN cloné dans un vecteur de transfert. Historique 1983, Premiers tabacs transgéniques obtenus grâce aux agrobactéries simultanément par des équipes Belges et Américaines. 1985, Premiers riz transgéniques obtenus par transfert direct. 1994, Première autorisation de mise sur le marché des plantes transgéniques aux USA. Avantages de la transgénèse Pour la recherche fondamentale - Recherche des fonctions des gènes : complémentation de mutants, expression ectopique… En amélioration des plantes - Source nouvelle de variabilité. - Précision de la transmission. - Préservation du contexte génomique.

Impact de la transgénèse sur l’amélioration des plantes FRANCE MONDE SURFACE CULTIVEE 50 HECTARES 52 MILLIONS D’HECTARES USA, Argentine, Canada et Chine Maïs, œillets60 autres espèces ESPECES CONCERNEES 2001

Impact de la transgénèse sur l’amélioration des plantes Evolution des caractères introduits - Qualités gustatives et nutritionnelles, adaptations aux conditions défavorables, production de substances diverses. Evolution des techniques - Les gènes de sélection, les promoteurs... - La transformation des plastes devient possible chez certaines espèces (tomate). - Premières réussites dans la recombinaison homologue: plantes SAGE. Résistances aux herbicides : chicorée, colza, coton, maïs, riz, soja, tabac. Résistances aux insectes : coton, maïs, pomme de terre, tomate. Stérilité mâle : chicorée, colza, maïs. Qualité de l’huile : colza (laurique), soja (oléique) Conservation et/ou fermeté : melon, œillet, tomate. Santé : tabac Résistance au virus : courgette, papaye Couleur : œillet (mauve)

Marqueurs moléculaires et réalisation de cartes génétiques Première carte génétique partielle chez les plantes 1935 : Emerson, chez le maïs Découverte des marqueurs moléculaires 1975: découverte de la méthode d’hybridation de Southern : marqueurs RFLP 1983 : découverte de la PCR : marqueurs microsatellites : marqueurs RAPD : marqueurs CAPS : marqueurs AFLP Marqueurs moléculaires = développement très rapide des techniques de biologie moléculaire Réalisation de cartes de liaisons génétiques saturées Nombreuses espèces : chez le riz, le haricot, la tomate, le colza, le soja, le maïs, le blé, le pin maritime,...

Les marqueurs moléculaires et la connaissance des génotypes Cartographie comparée : conservation de la synténie entre espèces Solanacées :(pomme de terre, tomate et piment) Triticées :(blé, orge, seigle) Andropogonées :(maïs, sorgho et canne à sucre) Décloisonnement des programmes de recherche Applications directes (marqueurs moléculaires) - Identification variétale - Prédiction de l’hétérosis - Classement des individus au sein d’un germplasme Localisation de caractères intéressants - Caractère monogénique : analyse de la ségrégation en mélange - Caractère polygénique : approche statistique et identification de QTL Identification des gènes eux-mêmes Pourquoi ? Plus fiable, recherche d’allèles, ouvre des perspectives pour la transgénèse. Comment ? Conservation de synténie et homologies de séquences entre espèces. Formulation d’hypothèses sur les gènes candidats. Création de banques génomiques et de cartes physiques. Production de populations recombinantes de grandes tailles.

Marqueurs répartis sur l’ensemble du génome Marqueurs moléculaires et sélection Lignée Elite Plante possédant un caractère intéressant Conversion assistée par marqueurs Exemple d’utilisation des marqueurs en sélection réalisations Conduite de rétrocroisements - FNRM, PSC8 RM, lignées de tournesol. Résistance au mildiou (2002) GUIDER LES RETROCROISEMENTS (gain de temps) Marqueurs du caractère intéressant

. » SAM SELECTION GENOMIQUE TRANSGENESE Avant les années 50 « un croisement n’avait jamais cessé de n’être qu’un jeu de hasard. » (Emile Schribaux) FUTUR Construction méthodique de génotypes LA GENOMIQUE HASARD BIODIVERSITE Biotechnologies Informatique Biochimie Phytopathologie HASARD METHODE HASARD