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La variabilité génétique comme outil pour décrypter les génomes

L'étude des variants naturels de la plante modèle Arabidopsis thaliana permet de mettre en relation les variations qu'ils présentent pour certains caractères avec des variations présentes sur leurs génomes. On peut ainsi décrypter quels sont les gènes impliqués dans l'expression des caractères étudiés.

Visuel Regards d'expert variabilité génétique-Loudet
Article de présentation de la revue de l’Académie d’agriculture : « Variabilité naturelle, évolution et adaptation : les apports de la plante modèle Arabidopsis. » par Olivier Loudet, 8 pages, 28 octobre 2013.. © Inra, Véronique Gavalda
Par Pascale Mollier
Mis à jour le 15/06/2016
Publié le 27/05/2016

Cet article présente la revue réalisée par Olivier Loudet pour l'Académie d'agriculture de France.

Intuitivement, on conçoit bien que l’étude de la variabilité génétique permet de comprendre les mécanismes d’adaptation et d’évolution des espèces. Mais elle permet aussi de cartographier les génomes et de localiser les gènes ou les QTL responsables de certains caractères, en particulier les caractères intégrés comme la croissance et le développement, qui sont gouvernés par un ensemble de gènes.

Une démonstration éclatante en est faite à partir de l’étude d’Arabidopsis thaliana, une petite crucifère sauvage qui a été choisie comme plante modèle par les généticiens.

Comment décrypter un génome à partir de ses variants ?

Arabidopsis est une plante qui pousse à peu près partout sur l’ensemble du continent euro-asiatique, à l’état sauvage mais aussi dans des milieux qui peuvent être très perturbés par l’homme.

Les chercheurs de Versailles, en particulier Olivier Loudet, ont rassemblé un grand nombre d’individus collectés dans plusieurs régions du monde. Ces individus possèdent des caractéristiques différentes, donc des phénotypes différents, qui résultent de l’expression de génotypes différents. En réalisant des  croisements consanguins, on peut obtenir à partir de chaque individu une lignée pure « fixée », homozygote, que l’on appelle une « accession ».  On peut utiliser ces accessions de plusieurs manières pour cartographier les caractères étudiés :

  • En croisant les accessions deux à deux, on obtient des lignées recombinantes, sur lesquelles on teste de nombreux marqueurs et qui permettent d’obtenir des cartographies QTL.
  • On peut aussi créer des corrélations statistiques entre les génotypes et les phénotypes  des accessions, si l’on en a suffisamment : c’est la génétique d’association (lire l’article).

Dans les deux cas, l’objectif est de relier les variations d’un caractère (phénotype) à des variations génotypiques, donc de déterminer l’architecture génétique  (gènes ou QTL) qui gouverne ce caractère.

Exemple : la résistance à l’acidité du sol est reliée à un transporteur de molybdate

Lorsqu’on croise deux accessions qui diffèrent pour la résistance à l’acidité du sol (Shahdara, Tadjikistan, qui pousse mal en milieu acide et Bay-0, Allemagne, qui pousse normalement), on peut identifier une région du génome qui est reliée à cette résistance. Dans cette région, qui contient un petit nombre de gènes, les chercheurs ont repéré un gène intéressant car ayant un rapport avec l’acidité du sol. Ce gène code en effet pour un transporteur de molybdate, et l’on sait que dans les sols acides, le molybdate est moins accessible. De fait, quand on analyse le génotype de  Shahdara, on met en évidence que  le transporteur de molybdate possède une mutation qui le rend moins efficace. On peut donc expliquer le défaut de croissance de Shahdara sur sol acide par ce défaut de captation du molybdate.  Dans son milieu d’origine au contraire, où le sol est riche en molybdate, Shahdara n’a pas de problème de croissance. En outre, son transporteur moins efficace protège la plante contre des teneurs en molybdate trop élevées qui s’avèrent toxiques.

Cette étude a ainsi permis d’identifier le transporteur de molybdate comme un bon candidat pour améliorer la réponse des plantes en conditions de stress acide.

Nécessité du phénotypage à haut débit

Automate de phénotypage haut débit chez Arabidopsis thaliana (Unité Jean-Pierre BOURGIN de l'Inra de Versailles).. © Bertrand NICOLAS - Inra, NICOLAS Bertrand
© Bertrand NICOLAS - Inra, NICOLAS Bertrand

Ces approches nécessitent d’analyser finement le phénotype de très nombreux individus. De plus, si on veut évaluer par exemple l’effet d’un stress (acidité du sol ou manque d’eau), il faut contrôler les conditions de culture pour que les autres paramètres soient constants. C’est particulièrement difficile dans le cas du stress hydrique, dans lequel plusieurs facteurs de l’environnement interviennent : pas seulement l’arrosage, mais aussi la température, l’humidité, la lumière, etc.

Les chercheurs de Versailles ont mis plusieurs années à créer un robot de phénotypage qui réponde à cette problématique. Ce robot original, appelé Phénoscope, permet de cultiver simultanément 735 plantes en pots individuels. Le niveau de stress hydrique est fixé par la quantité d’eau du sol (ajustée par pesée/arrosage), les autres paramètres sont neutralisés par le fait que chaque plante se déplace le long de rails et passe par toutes les positions de la chambre de culture, ce qui homogénéise les conditions de culture perçues par chaque individu. Cet outil va permettre d’étudier les QTL de croissance et de réponse au stress hydrique avec une précision et une répétabilité inégalée.

L’étude de la diversité génétique permet de mieux connaître le fonctionnement du génome et ses différents niveaux de régulation (au niveau des gènes, des ARN ou des protéines). Une communauté internationale se mobilise autour du modèle Arabidopsis pour mieux comprendre les mécanismes de variations quantitatives des caractères d’intérêt agronomique et proposer des pistes en amélioration des plantes.

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Caractérisation et élaboration des produits issus de l’agriculture
Centre(s) associé(s) :
Versailles-Grignon

La revue complète

Lire la revue de l’Académie d’agriculture : « Variabilité naturelle, évolution et adaptation : les apports de la plante modèle Arabidopsis. » par Olivier Loudet, 8 pages, 28 octobre 2013 :

Revue de l’Académie d’agriculture : « Variabi

Sommaire :

  • Introduction
  • Variabilité naturelle de la plante modèle Arabidopsis thaliana
  • Exemple : réponse à un micro-élément du sol, le molybdate
  • Incompatibilité allélique et épigénétique
  • Phénotypage haut-débit pour la réponse au stress
  • Conclusion
  • Références bibliographiques

Avancées de l’Inra dans le domaine

Evolution

- Des chercheurs de l’Inra Versailles-Grignon ont décrypté certaines caractéristiques de l’évolution des séquences répétées d’ADN chez Arabidopsis thaliana : leur distribution sur les chromosomes comme leur composition sont hétérogènes et leur divergence au fil du temps s’est accompagnée de l’évolution conjointe des mécanismes de leur régulation épigénétique. Lire l'article.

- Comprendre l’évolution du génome des Brassicaceae en reconstruisant les génomes ancestraux pour la méthylation de l'ADN. Lire l'article.

- Analyse de la diversité génétique des agrumes  Lire l'article.

- Livre grand public sur l’évolution.

Génétique d'association

- La génétique d'association et la sélection par marqueurs. Lire l'article.

- Livre Introduction à la génétique moderne.

Cartographie génétique, marqueurs

- Blé tendre : développement et utilisation d’une population hautement recombinante pour cartographier des caractères adaptatifs. Lire l'article.

- Action Internationale GrassLandscape - Associer la génomique du paysage et la génétique quantitative pour une adaptation régionale des prairies européennes au changement climatique. Lire l'article.

Phénotypage à haut débit

-  Phénoscope. Lire l'article

- La phénomobile est un véhicule autonome équipé de capteurs capables de mesurer rapidement les caractéristiques d’une culture à l'échelle de la micro-parcelle. Lire l'article.

- Phénome : réseau de plateformes de phénotypage déjà existantes ou en cours d’élaboration sur cinq sites en France (dont PhenoArch Montpellier, PPHD Dijon). Lire l'article.

- La Plateforme de Phénotypage Haut Débit ( PPHD) de Dijon a une spécificité unique au niveau international : elle permet d’observer in situ le réseau racinaire des plantes et donc d’étudier les interactions des plantes avec les microorganismes du sol (pathogènes ou mutualistes). Lire l'article..

- Reportage à la Plateforme de Phénotypage Haut Débit (PPHD), inaugurée à Dijon en juillet 201. Lire l'artic

- Phéno3C : la nouvelle plateforme de phénotypage au champ. Clermont-Ferrand Destinée au phénotypage de grandes cultures, Phéno3C va permettre de soumettre les plantes à des niveaux variables de stress hydrique et de concentration de CO2. Elle comprend 800 microparcelles équipées d’un abri mobile. Les données phénotypiques recueillies avec le robot phénomobile (échelle de l’individu) seront croisées avec celles captées par des drones (échelle des populations). Lire l'article.

- Hiphen est une jeune société spécialisée dans le phénotypage rapide et le monitoring d'essais variétaux au champ. Elle propose plusieurs types de produits, dont la phénomobile et le drone Airphen. Lire l'article.

Olivier Loudet. © INRA, C. Slagmulder

L'auteur

Olivier Loudet est directeur de recherche à l’Institut Jean-Pierre Bourgin, Centre Inra de Versailles, France. Il a reçu le « Laurier Jeune chercheur » de l’Inra en 2009. Lire l’article

Il a  reçu la même année une bourse Starting Grants du Conseil européen de la recherche. Lire l’article.