Glossaire

génomique : technologie d'identification des gènes constituant le génome d'un organisme ou d'une espèce

PCR ( Polymerase Chain Reaction, réaction en chaîne par l'enzyme ADN polymérase) : technique qui permet d'amplifier (de copier in vitro en grande quantité) des brins d'ADN particuliers

génétique : science des caractères héréditaires

électrophorèse : technique de séparation de séquences d'ADN ou de protéines. Cf. http://webiologie.free.fr[...]e.htm

hybridation : technique de croisement contrôlé entre une plante servant de parent mâle et une autre servant de parent femelle, utilisée par les sélectionneurs pour produire une descendance dans laquelle les caractères des deux parents sont recombinés

OGM, organismes génétiquement modifiés, ils sont issus de telles cellules dites transgéniques

transgenèse : ensemble de techniques permettant d'introduire un fragment d'ADN dans le génome d'une cellule et d'en modifier ainsi le patrimoine héréditaire en vue de transformer ou de supprimer un caractère, ou bien d'introduire de nouveaux caractères dans la cellule

multiplication végétative : reproduction non sexuée fréquente chez les végétaux (tels que l'ail, les arbres fruitiers, le crosne, le topinambour, etc.) ou technique de clonage : bouturage, greffage, marcottage, culture in vitro...

Puzzle moléculaire

Fabrice FOUCHER, chargé de recherche à GenHort

Pour le généticien, le génome est comme une planète largement inconnue où les gènes seraient une multitude d’îlots dans une mer immense. Pour naviguer dans ce monde, les outils de la biologie moléculaire permettent de construire des « cartes génétiques » à l’aide de jalons ou marqueurs moléculaires. Ces petites séquences d’ADN servent à repérer les gènes (des séquences plus longues qui, en général, codent des protéines) responsables de caractères tels que l’acidité d’un fruit ou la couleur d’une fleur. On les visualise sur un gel grâce aux techniques de la PCR et de l’électrophorèse. Grâce aux cartes génétiques de plantes parentes et de leurs descendants obtenus par croisement, on parvient à associer des régions du génome à des caractères. Il arrive qu’un caractère soit contrôlé par un seul gène dit gène majeur mais la situation est souvent plus complexe : un caractère peut être contrôlé par plusieurs gènes (on parle alors de QTL, pour Quantitative Trait Locus) et un gène peut influencer plusieurs caractères (on parle dans ce cas de gène à effet pléiotropique). Une autre version d’un gène donné (un allèle) est parfois recherchée dans des collections de variétés sauvages. Cette stratégie nommée ecotilling permet de modifier subtilement un caractère : une rose plus rouge, une floraison plus précoce... Quand un gène ou un QTL intéressant est mis en évidence, le sélectionneur peut utiliser les marqueurs qui le repèrent afin de contrôler sa présence lors des croisements visant à obtenir la variété souhaitée. Il s’agit de sélection assistée par marqueur (SAM). La localisation du gène peut également permettre son isolement (qu’on appelle clonage). Le gène cloné pourra alors être injecté dans une autre plante, d’espèce éventuellement très différente. Cette transgenèse permet de conférer à une variété de plantes un caractère nouveau ou d’améliorer un seul de ses caractères, au contraire des croisements qui en affectent plusieurs.

Marqueurs moléculaires liés à un gène majeur de couleur : Le génome de chaque fleur porte ici deux allèles de couleur. Les allèles dominants sont repérés à l’aide de marqueurs, a pour les fleurs jaunes, b pour les fleurs violettes. N.B. : à droite, seuls les descendants possédant un seul des deux allèles dominants sont présentés. © RC2C, d’après Fabrice Foucher

La fabrique des mutants

Alain CADIC et Joseph BELIN, GenHort

Le génome des êtres vivants subit naturellement des mutations aléatoires qui sont responsables de leur évolution et de leur diversité. Il est possible de provoquer de telles mutations chez des végétaux pour générer des mutants plus rapidement que la nature ne le ferait, par exemple dans le but de modifier le port (la silhouette) d’une plante, la couleur des fleurs, la période de floraison, ou d’obtenir une meilleure résistance à la sécheresse. Différentes techniques mutagènes sont employées depuis près d’un siècle. Elles recourent à des agents physiques, chimiques ou biologiques. Parmi les agents physiques, les rayons gamma sont les plus fréquemment utilisés. Utilisés dans des sites sécurisés, les rayons gamma provoquent l’apparition de chimères, plantes dont les cellules n’ont pas toutes le même patrimoine génétique. Ce sont, par exemple, des arbustes de feuillage panaché. Les mutations découlent de ruptures dans les chaînes d’ADN suivies d’erreurs du mécanisme cellulaire de réparation de ces chaînes. Elles ne peuvent avoir des effets macroscopiques que si elles modifient les protéines exprimées par les gènes et ne peuvent se transmettre aux générations suivantes que si elles atteignent des cellules sexuelles ou un organe participant à la multiplication végétative (non sexuelle). C’est pourquoi le traitement mutagène est souvent réalisé sur les graines, les tubercules ou les bourgeons. Le plus souvent, les chimères obtenues sont instables : leurs descendants issus de multiplication végétative sont identiques au végétal initial. Nous mettons actuellement au point des techniques de culture in vitro permettant de générer, à partir de fragments de feuilles ou de tiges irradiées, voire de cellules isolées, des plantes entières homogènes chez lesquelles le nouveau caractère sera stabilisé. Cette méthode est en cours d’expérimentation sur des genêts pour tenter de leur donner un port plus souple ou plus rond et des couleurs de fleurs diversifiées : rouge, orange, bicolore... De tels objectifs pourraient être atteints par hybridation ou par transgenèse or la première technique offre des possibilités limitées, en raison de la difficulté à croiser des espèces éloignées ; la seconde, celle des OGM, est complexe et nécessite des investissements très coûteux, sans parler des controverses qu’elle suscite. Bien qu’elle requière de nombreux essais dont les résultats sont aléatoires, la mutagenèse reste donc un moyen alternatif intéressant.

Genêt multicolore © Inra / Alain Cadic

DOSSIER
Domestiquer les végétaux

Génétique

Au crible des gènes

Les progrès de la génétique végétale sont cruciaux pour conquérir des marchés comme pour maîtriser l'avenir des ressources horticoles.
par Élisabeth CHEVREAU, directrice de recherche à l'Inra et directrice de l'unité mixte de recherche GenHort, Génétique et horticulture (Inra/INH/Université d'Angers)

Comment les sélectionneurs créent-ils de nouvelles variétés végétales ? L'objectif général de tout travail d'amélioration des plantes est de combiner des caractères génétiques pour satisfaire de nouveaux besoins. En horticulture (la culture des plantes fruitières, légumières et ornementales), ces besoins sont multiples : haute valeur nutritionnelle ou organoleptique (saveur, odeur, texture), bonne conservation après récolte, échelonnement des périodes de maturité des fruits et des légumes ; qualité et diversité esthétiques des végétaux d'ornement ; production abondante et régulière, résistance durable aux principales maladies, etc.

Inventorier les gènes

Pour atteindre de tels objectifs, il est d'abord nécessaire de connaître l'ensemble du matériel génétique de l'espèce travaillée et de ses parentes sauvages. C'est pourquoi notre unité de recherche conserve un verger botanique riche de 405 individus représentant diverses espèces des genres Pyrus (Poirier), Malus (Pommier) et Cydonia (Cognassier), ainsi qu'une collection d'environ 3 000 variétés anciennes ou récentes de pommiers et de poiriers. L'inventaire et la conservation des ressources génétiques ne servent pas seulement à améliorer les espèces : ils aident aussi à mieux connaître la biodiversité et son évolution. On s'interroge notamment sur l'impact de la domestication puis de la sélection des plantes, depuis les origines de l'agriculture, sur la diversité génétique. En étudiant les gènes nécessaires à la synthèse des pigments de la carotte, nous cherchons par exemple à savoir si les sélections relatives à sa couleur ont induit un appauvrissement génétique.

Relier les caractères aux gènes

Le coeur de métier du généticien-sélectionneur est la compréhension des bases génétiques des caractères à améliorer. Un caractère donné est-il contrôlé, pour l'essentiel, par un gène unique (dit gène majeur) ou, au contraire, par une combinaison de plusieurs gènes à effet partiel ? Comment les gènes interagissent-ils et quels mécanismes moléculaires contrôlent-ils ? Pour répondre à ces questions, nous construisons des cartes génétiques des chromosomes de la plante ; nous y transposons des connaissances acquises sur quelques plantes « modèles », dont le génome a déjà été entièrement séquencé ; nous employons des méthodes globales de la génomique en analysant tous les gènes qui s'expriment dans un organe de la plante à un instant donné. à titre d'exemple, nous nous attachons aujourd'hui à élucider les bases génétiques de la résistance du pommier à ses principales maladies, celles de la floraison du rosier ou celles de la texture de la pomme.

Élaborer des méthodes de sélection

L'intégration de ces diverses connaissances génétiques devient incontournable dans la conception de méthodes de sélection plus performantes. Des tests sophistiqués sont développés pour évaluer finement les caractères d'un fruit, tels que sa texture, sans le détruire. De nouveaux outils viennent compléter les moyens d'amélioration déjà éprouvés et utilisés par la plupart des sélectionneurs de plantes horticoles, tels que les croisements ou l'induction de mutations (lire La fabrique des mutants ci contre). La sélection assistée par marqueurs moléculaires (lire Puzzle moléculaire ci-contre) fait ainsi ses premiers pas pour cumuler plusieurs gènes de résistance aux maladies dans une même variété, garantissant ainsi la durabilité de la résistance. En outre, le transfert de gènes (ou transgenèse) est expérimenté en vue d'ajouter au patrimoine génétique des grandes variétés de poiriers un caractère supplémentaire de résistance à la maladie du feu bactérien. En France, aucune variété horticole transgénique n'est pour l'instant autorisée en culture mais le recours à la transgenèse demeure essentiel à de nombreuses recherches, notamment afin de tester la relation entre les caractères d'une plante et certains gènes ou de concevoir des moyens de recours face à d'éventuelles maladies ou pénuries futures. Le travail du généticien nécessite enfin de nombreuses collaborations avec des chercheurs et des techniciens d'autres disciplines (pathologistes, écophysiologistes, technologues...). La réussite du lancement d'une nouvelle variété doit en effet prendre en compte, plus que jamais, ses impacts possibles sur l'environnement et diverses contraintes liées à la mise au point d'un processus de culture efficace.

Ariane, fruit de la recherche

François LAURENS, ingénieur de recherche à GenHort

Malgré une grande diversité au sein du genre Pommier, seule une dizaine de variétés constitue plus de 90 % du marché français. Toutes sensibles à des maladies, elles doivent subir des traitements fréquents. L’objectif du programme d’amélioration développé par l’Inra est de créer des variétés de fruits de grande qualité (de saveur, d’aspect, de texture...), pouvant être produites régulièrement, abondamment, tout en réduisant l’emploi de produits phytosanitaires. Une telle réalisation nécessite du temps et de nombreux essais. L’histoire de la pomme Ariane, commercialisée depuis peu, commence en 1943 à l’Université d’Illinois, où le généticiensélectionneur L. Fredric Hough remarque que l’espèce Malus floribunda, dont les fruits minuscules sont immangeables, résiste à la tavelure, principale maladie des pommiers causée par le champignon du même nom. Lorsque le Docteur Hough la croise avec la variété commerciale Rome Beauty, c’est le premier pas vers Ariane : des programmes de croisements et de sélection partant de ce croisement initial ont été poursuivis dans le monde entier. En 1979, les chercheurs de l’Inra à Angers réalisent un croisement entre deux hybrides de caractéristiques complémentaires, P7R25A27 et P21R4A30, en effectuant des pollinisations contrôlées. Les graines obtenues sont semées en serre. Les arbres qui en résultent sont ensuite plantés en verger et leurs fruits sont évalués. Les meilleurs spécimens sont sélectionnés pour créer des variétés encore meilleures. Dans les années 1990, il en advient Ariane qui est inscrite en 2002 au catalogue officiel des variétés et dont les plantations commerciales couvrent aujourd’hui plus de 500 hectares en France. Le programme de sélection de l’Inra se poursuit depuis 1997 en partenariat avec des pépiniéristes regroupés au sein de la SARL Novadi. Ceux-ci participent à l’évaluation de près de 3 000 arbres fruitiers plantés en verger à l’issue de tests de résistance à la tavelure et au champignon Oïdium.

© RC2C, d’après François Laurens

Des vins « génétiquement corrects »

Le récent décryptage du génome de la vigne représente une avancée scientifique majeure pour une filière viticole confrontée à des difficultés multiples. Un programme d’amélioration des cépages piloté par l’Inra est actuellement à l’œuvre sur des sites expérimentaux, l’un d’eux étant situé en Maine-et-Loire.
par Thibault Guichard, étudiant en information-communication à l’IUT de Tours

Bienvenue à Montreuil-Bellay, commune de 4 000 habitants située à moins de 25 km de Saumur et dont un lycée accueille un centre de recherche et d’expérimentation sur la vigne. C’est ici, entre autres, que se dessine l’avenir du paysage viticole français.

Depuis le décryptage total du génome de la vigne réalisé en 2007, de nombreux travaux de recherche ont été engagés afin d’obtenir des variétés de cépage plus résistantes aux maladies et à la sécheresse. Leurs enjeux sont à la fois environnementaux, sociaux et économiques. Il s’agit notamment, pour les vignerons, de s’adapter aux conséquences du réchauffement climatique qui modifie la vitesse de maturation du raisin (et donc les dates de vendange) et ses caractéristiques (acidité, degré alcoolique…). Déjà en difficulté sur le marché international, la profession doit également composer avec les décisions issues du « Grenelle de l’environnement » qui visent à réduire largement l’utilisation de produits phytosanitaires.

Des croisements prometteurs
Démarrés à Montreuil-Bellay en 2004, ces travaux portent sur la sélection de variétés de cépages résistantes au mildiou et à l’oïdium, deux parasites redoutables pour la vigne. Les nouvelles variétés qui en sont issues, en combinant des caractères génétiques de résistance, pourraient constituer une alternative aux traitements chimiques. « Certaines de ces variétés se montrent totalement résistantes au mildiou et à l’oïdium tandis qu’elles n’ont reçu aucun traitement contre ces maladies », affirme Gérard Barbeau, directeur de l’unité « Vigne et vin » à l’Inra d’Angers. Mais de quelles nouvelles variétés s’agit-il ? Dans le climat de méfiance qui entoure les OGM (organismes génétiquement modifiés), Gérard Barbeau tient à préciser que « ce ne sont pas des OGM mais des hybrides, c’est-à-dire les fruits de croisements contrôlés entre la vigne européenne et des espèces de vignes américaines et asiatiques, comme le sont certains cépages allemands et suisses. Ceux qui produisent des raisins de qualité ont déjà permis d’élaborer des vins très appréciés des dégustateurs ».

Cependant, le programme de recherche, prévu pour durer au moins jusqu’en 2020, n’est encore qu’au stade de l’expérimentation. Il reste en effet à mieux connaître les caractéristiques de ces nouveaux cépages non seulement quant aux qualités du vin produit mais aussi quant à la maîtrise de leur exploitation (conditions optimales de viticulture et d’élevage vinicole, sensibilité aux variations de l’environnement, etc.). Une fois cette phase terminée, il n’est pas certain que les variétés finalement retenues trouvent rapidement une large place dans le marché viticole français. « Mais dans un contexte réglementaire et sociétal de plus en plus contraignant, aurons-nous vraiment le choix ? », s’interroge Gérard Barbeau.

Gérard Barbeau ©Thibault Guichard

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