Les sources classiques de la variation biologique : la mutation et la recombinaison

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1 QUELLE EST L’IMPORTANCE DES BIOTECHNOLOGIES DANS LE PROGRES GENETIQUE ?

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

3 MUTATION : 1 Exploitation et création de mutants
Exploitation des mutants naturels Les mutations spontanées constituent la base de la variabilité génétique exploitée par tous les sélectionneurs. A quoi sont dues les mutations ? Présence d’agents mutagènes naturellement présents, Disfonctionnement des protéines impliquées dans la réparation et réplication de l’ADN, Insertion de transposons et de rétrotransposons. Quelques exemples de mutations naturelles importantes 1865, mutation « pois ridé » (Mendel). Voir TD TD 1 1872, première variété de haricot avec des grains restant verdâtres (flageolet). 1930, mutation permettant d’ajouter l’orangé à la palette de couleur de la rose. 1948, mutation monogerme chez la betterave. 1986, afila, mutation exploitée dans la variété de pois Solara.

4 MUTATION : 1 Exploitation et création de mutants (mutation monogerme – betterave)
Betterave multigerme (fleurs soudées) Betterave monogerme Savitsky, 1948 Difficultés de semis (utilisation de semoirs impossible) Grosse quantité de semence Nécessité de démariage – travail pénible – très coûteux en mains d’oeuvre GROS PROBLEMES Hilleshög créé la première variété monogerme en 1966. ‘MonoHill’ Presque 100% du marché Disparition de 90% des entreprises semencières

5 MUTATION : 1 Exploitation et création de mutants (mutation afila – pois)
normal af af et st Vrilles Folioles Bractée Gros travail de physiologie végétale pour savoir quelle doit être la morphologie de la plante pour avoir un bon rendement Stipules Rendement moyen Rendement bon Rendement mauvais Foliole : - capacité photosynthétique très moyenne – occulte la lumière pour les stipules Stipule : - capacité photosynthétique excellente – colonise le sol, lutte contre les mauvaises herbes

6 MUTATION : 1 Exploitation et création de mutants (Résistance au Phylloxera – Vigne)
1847 épidémie d’oïdium – import de vignes américaines Arrivé des Etats-Unis en 1861 1900 : vignoble européen dévasté Catastrophe économique Espèce américaine Vin piètre qualité Greffage sur espèce américaine Problèmes de chloroses Croisement interspécifiques Femelle gallicole Femelle radicole Femelle ailée sexupare Forme sexué 1973, Fercal

7 MUTATION : 1 Exploitation et création de mutants (Autres)
Autres mutants importants Ne pas oublier le nanisme (blé), (Voir TD révolution verte) le caractère 00 (colza), (voir cours colza) la résistance au curly-top et rhizomanie ( betterave), etc… Les mutations causent une diversité génétique qui est à la base du travail du sélectionneur mais,…. diversité quelquefois réduite,… Cas des espèces créées par l’Homme récemment,… Cas des espèces introduites,… La variabilité intervariétale dans un pays est réduite (maïs, betterave, blé, …) Création de nouveaux mutants Nécessité de faire des prospections Disparition d’écosystèmes, instabilité politique, conférences de Rio

8 MUTATION : 1 Exploitation et création de mutants (pré-requis pour la mutagenèse artificielle)
- Découverte des radiations ionisantes au début du 20ème siècle. - 1927: Les altérations (mutations) provoquées par les radiations sont héritables. - Diversification des agents mutagènes Physique: Rayons g, Rayons X, Ultraviolets,… Chimique: EMS,... Variation somaclonale et sélection in vitro.

9 MUTATION : 1 Exploitation et création de mutants (Comment créer des mutants 1/3)
En fonction de se que l’on veut faire EMS : mutations ponctuelles G/C > A/T Fortes doses de radiations ionisantes : délétion de gros fragments d’ADN. Effet aléatoire Amélioration crible cellulaire in vitro (résistance aux herbicides). Choix de l’agent mutagène Choix de l’explant organe Type d’agent mutagène utilisé en amélioration des plantes ? Régénération de plantes Plus de 70% des variétés ont été obtenues par radiations ionisantes Obtention d’une variété

10 MUTATION : 1 Exploitation et création de mutants (Comment créer des mutants 2/3 )
En général un tissu qui va donner un méristème Choix de l’agent mutagene Choix de l’explant organe PLANTES CHIMERIQUES Régénération de plantes Récolter les graines Multiplication végétative Obtention d’une variété Amélioration : culture de tissu in vitro, culture de cellules embryogenèse somatique

11 MUTATION : 1 Exploitation et création de mutants (Comment créer des mutants 3/3)
Choix de l’agent mutagene Grand travail de tri des phénotypes favorables. Mutations silencieuses – mutations actives. Mutations défavorables >>>> mutations favorables Mortalité, stérilité, mort de cellules (phyllotaxie, développement, bizarres. Grande majorité des plantes sans intérêts. (nombre de plante + facilité de repèrage des mutants d’intérêt = clefs de la réussite) Cas d’une plante mutagenéïsée caractère intéressant mais pas viable agronomiquement (accumulation de mutations néfastes. Solution : plan de rétrocroisement Problème des plantes chimériques (ségrégation anormales) Choix de l’explant organe Régénération de plantes Obtention d’une variété

12 2252 variétés recensées par la FAO/IAEA en 2000.
MUTATION : 1 Exploitation et création de mutants (Impact de la mutagenèse sur l’amélioration des plantes) Quelques variétés issues de mutagenèse artificielle Pamplemousse Couleur rouge de la pulpe 1984, Ruby Red Aspermie , Star Ruby Cerisier Autofertilité 1985, Stella Riz Qualité du grain 1970, Delta Forsythia Port compact 1985, « Courtalyn », Weekend Weigela Feuillage panaché 1979, « Courtatom », couleur ... Quelques mutations très répandues - Denso, conférant un semi-nanisme, probablement présente dans plus de 150 variétés d’orge à brasserie. Mutation riche en acide oléique chez le tournesol, obtenue en 1976 par Soldanov est retrouvée dans toutes les variétés riches en acide oléique inscrites en France et aux USA. Œillet ‘William Sim’ créé en 1938 :qualité de fleur et productivité. Résistance aux Imidazolinones (céréales) et au chlorsulfuron (endive). 2252 variétés recensées par la FAO/IAEA en 2000. Stratégie basique – facile à réaliser (donc essayée souvent) – énorme travail de tri après (peu de réussite) – regain d’intérêt (TILLING)

13 MUTATION : 2 Polyploïdisation (Auto)
La polyploïdisation est un phénomène se caractérisant par une multiplication du stock chromosomique qui peut se produire de manière naturelle du fait de la rencontre de gamètes non réduits. Plantes naturellement autopolyploïdes Exemple de plantes autotétraploïdes: dactyle, luzerne, poireau, pomme de terre. Un nombre sans doute important de plantes aujourd’hui considérées comme diploïdes sont probablement d’anciens autotétraploïdes. Proportion de plantes cultivées polyploides >>> Proportion de plantes sauvages polyploides Augmentation de la vigueur Augmentation de la taille des tissus végétatifs Plus grande variété allélique Divergence fonctionnelle des gènes dupliqués Diminution de la fertilité Sélection plus difficile

14 MUTATION : 2 Polyploïdisation (Auto)
La polyploïdisation induite - 1937, Blakeslee découvre l’action de la colchicine : il devient possible d’induire des polyploïdisations chez de nombreuses espèces. - Découverte d’autres agents mitoclasiques (ether, NO2,…).

15 MUTATION : 2 Impact de la polyploïdisation sur l’amélioration des plantes
Quelques variétés issues de polyploïdisation induite 1951, Kihara réalise des pastèques triploïdes. Voir TD 3 1965, Réveille 1ère variété de ray-grass anglais tétraploïde. 1966, Tétri 1ère variété de trèfle violet tétraploïde. 1968, Monohill, une des premières betteraves triploïdes. 1985, Courtalor «Carnaval» variété de weigela triploïde. Autre utilisation de la polyploïdisation La polyploïdisation est une méthode nécessaire à la réussite de très nombreux croisements interspécifiques. 1) La polyploïdisation a été utilisée principalement chez les plantes fourragères et ornementales. 2) La triploïdie est une stratégie de choix pour introduire une apyrénie. 3) La polyploidisation est utile pour les croisements interspécifiques. 4) ère autorisation de consommation d’huître triploïde.

16 MUTATION : 3 Haplodiploïdisation
Une plante haploïde est un individu possédant un nombre gamétique de chromosomes. Haplodiploïdisation = Haploïdisation + doublement (spontanée ou induit) Androgenèse Gynogenèse Culture d’anthère Culture de microspore isolée Gynogenèse in situ Culture d’Ovule Croisements interspécifiques Pollinisation avec du pollen irradié

17 MUTATION : 3 Haplodiploïdisation
Haploïdisation spontanée - polyembryonie (ex: asperge), androgenèse in situ (ex: tabac) et gynogenèse in situ (ex: maïs). Androgenèse - Culture d’anthères (1964) : Datura, Tabac ... - Culture de microspores isolées (1973) : Datura, Riz, Colza, Orge, Blé, Pomme de terre, Maïs,... Gynogenèse - Culture d’ovaires/ovules (1976) : Orge, Blé, Tabac, Riz, Gerbera, Maïs, Betterave, Tournesol,... - Croisements interspécifiques (1964) : Pomme de terre, Orge, Melon, Blé, Luzerne, Allium, ... - Utilisation de pollen irradié (1983) : Orge, Blé, Pétunia, Melon, Carotte, Concombre, Chou,... De gros efforts de recherche ont été consentis En 1980, des méthodes d’androgenèse avaient donné des résultats sur 153 espèces différentes !

18 MUTATION : 3 Impact de l’haplodiploïdisation sur l’amélioration des plantes
Principale utilisation de l’haplodiploïdisation Fixation du matériel génétique: - PLUS RAPIDE - PLUS COMPLETE - PERMETTANT LE CONTOURNEMENT DES PROBLEMES DE CONSANGUINITE Quelques exemples de variétés obtenues par haplodiploïdisation Années 50, DEKALB 640, variété hybride double de maïs avec 3 parents haploïdes doublés. Années 70, Maris Haplona, variété de colza. 1974, F211, variété japonaise de tabac. 1978, Lunghua 1, variété chinoise de riz. 1980, Mingo, variété canadienne d’orge. 1987, Florin, variété française de blé. 1989, Adria et Mégal, variétés d’aubergine. 1990, Andréas, variété d’asperge hybride F1 100% mâle. 1995, Osir, variété de piment. L’haplodiploïdisation est utilisée en routine par certaines sociétés pour améliorer les espèces citées ci-dessus notamment.

19 MUTATION : 4 Micropropagation
Micropropagation = Extension des techniques classiques de division de touffes, de bouturage, de marcottage et de greffage Micropropagation Vers la mise au point de la multiplication végétative in vitro 1939, Gautheret réalise une culture indéfinie de cambium. 1952, Morel et Martin réalisent le premier assainissement par culture de méristème de dahlia. 1958, Reinert et Stewart obtiennent les premiers embryons somatiques de carotte. 1960, Morel réalise la première multiplication végétative in vitro de l’orchidée. En 1988, plus de 450 espèces pouvaient être micropropagées ORGANOGENESE NEOFORMATION DE BOURGEON (CAL) DEVELOPPEMENT DE BOURGEON Bourgeon apicale Bourgeon axillaire Autres EMBRYOGENESE SOMATIQUE

20 MUTATION : 4 Impact des méthodes de micropropagation sur l’amélioration des plantes
Multiplication d’un génotype à l’identique - Microbouturage : séquoia, divers pins, eucalyptus, peuplier, merisier, framboisier, vigne, gerbera, chrysanthème, porte-greffes d’arbres fruitiers,… - Embryogenèse somatique : caféier, pins, mélèzes, épicéas, douglas, palmier à huile,... Malgré de nombreux efforts : pas de semences artificielles, pb des variants somaclonaux Sélection sanitaire - Culture de méristèmes: pomme de terre, artichaut, dahlia, vigne, ail, fraisier,… - Thermothérapie: pêcher, agrumes, Allium,... - Microgreffage : agrumes,… Sauvetage d’embryons - Résolution des problèmes de dormance pour réaliser des générations accélérées (tournesol), Réussite d’un certain nombre de croisements interspécifiques. Amélioration des plantes Variétés clonales, variétés hybride de clones, parents d’hybride F1