AMELIORATION GENETIQUE
DES PLANTES
(PLANT GENETIC BREEDING, التحسين الوراثي للنبات)
L'amélioration génétique des plantes (التحسين الوراثي للنبات) consiste à créer de nouvelles variétés
à partir des variétés
existantes (diversité génétique). Ce transfert de gène se fait par croisements dirigés et sélection des meilleures plantes issues de ces croisements (ceci nécessite
la connaissance des modes de
reproduction). D'autres moyens de création de variétés
performantes existent dont la mutagenèse, la fusion des protoplastes,
la transgenèse et les variations somatiques.
L'amélioration génétique des plantes est le processus
par lequel l'Homme modifie une espèce végétale
donnée en expoitant la diversité génétique
préalablement existante. En puisant dans la diversité,
l'Homme recombine les gènes par plusieurs méthodes dont
les croisements dirigés. Il pratique ensuite une sélection
(tri) et une multiplication du matériel végétal
porteur des traits agronomiques désirés. L'inscription
au catalogue des variétés améliorées, précède
la commercialisation du produits final.
Les repères historiques
de l'amélioration génétique des plantes:
- 1676. Découverte du rôle
des organes sexuels chez les végétaux par Millington-Grew.
- 1880. Visualisation des chromosomes par
Strasburger-Boveri, et mise en évidencede leur implication dans
la division cellulaire.
- 1900. Mise en application des lois de
Mendel sur l'hérédité. Ses travaux sur le croisement
de deux variétés de petits pois définissent les
règles de base de la génétique. C'est la naissance
de la sélection des plantes.
- 1902. Découverte de la totipotence
des cellules végétales par Haberland. Un tissu végétal
est capable de régénérer une plante.
- 1908. Découverte de l'intérêt
des hybrides par Shull sur le maïs. Le croisement de deux lignées
permet d'obtenir un hybride qui exploite l'hétérosis.
- 1911. Notion de liaison génétique
par Morgan. Il démontre que les gènes sontdisposés
de façon linéaire sur les chromosomes et que de plus,
lorsqu'ils sont situés sur le même chromosome, ils sont
transmis à la descendance comme une seule unité. On dit
qu'ils sont liés
- 1930 génération de variété
par traitements mutagènes (rayons X)
- 1935. Première carte génétique
partielle du maïs par Emerson.
-1950. Premières techniques de culture
in vitro. Il s'agit de la technique de multiplication végétative,
développée par Morel et Martin, sur la pomme de terre.
- 1953. Description de la structure en
double hélice de l'ADN par Watson et Crick.
- 1960. Découverte du code génétique
par Crick, Nirenberg, Mathaeri et Ochoa, début de la révolution
verte
-
1961. Illustration des principes d'analyse des locus impliqués
dans la variation des caractères quantitatifs, par Thoday
- 1964. Premières cultures de cellules
sexuelles mâles chez le Datura innoxia, par Guha et Maheshwari.
Elles ouvrent la voie à la production de plantes haploïdes.
- 1965. Découverte des enzymes de
restriction par Aber, Smith et Nathans. Ces protéines coupent
l'ADN au niveau de sites particuliers.
- 1975. Description de la méthode
de Southern, du nom de son inventeur. Le principede la technique repose
sur l'hybridation de l'ADN avec une sonde d'ADN marquée.
- 1977. Découverte du transfert
de gènes par des agrobactéries, bactéries du sol
pathogènes de nombreuses espèces végétales,
par Schell. Il a montré que la virulence de ces bactéries
est due à un transfert de gènes de la bactérie
vers les cellules végétales.
- 1978. Premières fusions de protoplastes,
par Melchers. Elles permettent de franchir partiellement de la barrière
entre espèces.
- 1983. Développement de la PCR
par Karry Mullis et premiers tabacs transgéniques obtenus en
même temps par une une équipe belge et une équipe
américaine
- 1985Première variété
de blé issue de la technique d'haplodiploïdation
- 2000 : Séquençage du génome
sur une brassicacée (Arabidopsis thaliana)
- 2002 : Séquençage du génome
du riz
Domestication des plantes et début de l'agriculture
Depuis le débuts de l'agriculture, les agriculteurs gardent, à chaque génération, les graines des plus belles plantes, afin de les replanter l'année suivante.
Le fait de garder les meilleures graines amène progressivement à une amélioration de l'espèce cultivée. La domestication de variétés sauvages s'accompagne d'une sélection des caractères utiles comme:
- Taille des parties consommables (graines, tubercules)
- Saveur
- Résistance aux contraintes
- Autres traits
L'évolution des techniques et des connaissances actuelles a permis aux sélectionneurs d'accroître leur efficacité, de gagner du temps sur les cycles végétatifs et de disposer d'outils de mesure et d'analyse au champ et au laboratoire (biologie, biochimie, statistiques, biotechnologies) pour confirmer leur choix.
Evolution des rendements du blé (amélioration quantitative)
EXEMPLES DE REALISATIONS (SUITE)
Evolution de la teneur en glucosinolates chez le colza (amélioration qualitative).
Le
colza (Brassica napus), appelé canola au Canada est une
crucifère cultivée surtout pour ses graines, qui contiennent
environ 50% d'une huile de bonne qualité nutritive (riche
en acides gras insaturés). Après extraction d'huile, le
reste de la graine (tourteau), riche en protéines (40%
de la matière sèche) est utilisé en alimentation
animale. Il existe également des variétés fourragères,
à croissance rapide, utilisées pour l'affouragement en
vert, le pâturage ou l'ensilage. L'huile de colza a aussi des
applications industrielles comme la fabrication de carburant (estérification
avec le méthanol).
Lesglucosinolates, appelés hétérosides soufrés
ou 'thioglucosides', sont des composés organiques responsables
de la saveur amère ou piquante de nombreux aliments communs comme
la moutarde, les radis, le cresson, le chou-fleur. Chez le colza, les
produits de dégradation des glucosinolates étaient responsables
de phénomènes importants d'inappétence et
de désordres physiologique chez les bovins
Le colza est doté d'un double génome puisqu'il est issu du croisement naturel d'un chou et d'une navette.
3. CREATION VARIETALE. PRE-RECQUIS POUR POUR LA NAISSANCE DE NOUVELLES VARIETESLa
création de variabilité (et en même temps création
de nouvelles variétés) peut être réalisée
par:
- Croisements dirigés intraspécifiques ou interspécifiques
pour l'amélioration des espèces actuelles ou bien la création
de nouvelles espèces ou éventuellement par culture
in vitro d'embryons immatures. Plusieurs études font références
aux essais
de croisements interspécifiques.
- Mutagenèse par agents physiques (rayons X, gamma) ou
chimiques (MSE) sur graines, méristèmes, pollen.
- Modifications somatiques fréquentes dans les pratiques
de la culture in vitro à partir de fragments d'organes
différenciés, de cellules isolées ou de protoplastes.
- Fusion de protoplastes (cellules isolées sans paroi
pecto-cellulosique).
- Transgenèse concernant le transfert de gène par
génie génétique.
La modification d'un génotype peut se faire à l'échelle
qualitative en changeant la nature des gènes qui contrôlent
les caractères recherchés (couleur, résistance
aux maladies, ..) et en agissant sur leur assemblage. Elle peut être
pratiquée à l'échelle quantitative en modifiant
le dosage de l'information génétique par augmentation
ou diminution du nombre des chromosomes d'une espèce.
Les
gènes d'intérêt qui seront introduits dans une espèce
donnée, sont recherchés chez une variété
voisine d'une même espèce. Plus la variabilité génétique
est large dans une espèce, meilleure sera la chance de trouver
le gène intéressant. Dans le cas contraire, on peut faire
appel à des géniteurs d'espèces voisines ou même
de genres voisins. Aussi, des allèles désirés peuvent
être créés par mutations.
Choix du géniteur porteur du gène de la qualité
Le géniteur peut être intraspécifique ou interspécifique.
-Géniteur intraspécifique: le téosinte
(Euchena mexicana) est l'ancêtre sauvage du maïs cultivé
(Zea mays).
- Géniteur interspécifique: La tomate, présentant
une faible variabilité intraspécifique, est améliorée
par géniteurs interspécifiques, en particulier pour l'introduction
des résistances aux maladies.
Le
gène Tm-2 de la résistance à la mosaïque du
tabac et des gènes de résistance aux insectes, ont été
introduits chez la tomate cultivée (Lycopersicum esculentum)
à partir des espèces voisines; L. peruvianum et
L. hirsutum, respectivement.
Lors de croisements interspécifiques, des barrières naturelles
empêchent le développement complet de l'embryon. Pour remédier
à cette situation, on pratique après fécondation
un prélèvement précoce des embryons pour les mettre
en culture sur un milieu artificiel nutritif. Cette technique de culture
in vitro est appelée sauvetage d'embryons interspécifiques.
Avant la phase de maturation de la graine, l'embryon est prélevé,
puis
transplanté et cultivé sur un milieu artificiel riche
en sucre, permettant la régénération d'une plante
nouvelle.
Le transfert de gènes par croisements dirigés est lié aux modes de reproduction (autogamie, allogamie) des plantes.
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Mutations géniques (qualitatives)
Les mutations géniques (alléliques) sont les mutations
ponctuelles qui modifient les nucléotides de l'ADN d'un gène.
Ces mutations sont à l'origine de la richesse des formes alléliques.
-Mutations chromosomiques (quantitatives)
Elles apparaissent dans le caryotype (décelables cytologiquement)
et peuvent altérer la structure d'un chromosome ou le nombre
des chromosomes.
Altérations structurales des chromosomes. Elles permettent de:
1/ rompre des liaisons entres gènes défavorables et gènes
favorables,
2/ Associer un gène d'intérêt avec un 'gène
marqueur' pour repérer le premier. Exemple chez l'orge: associer
le gène de stérilité mâle avec le gène
d'absence de chlorophylle.
Variations
du nombre des chromosomes (ploïdie): mutations génomiques
Euploïdie: modification régulière du nombre
(haploïdes, diploïdes, tétraploïdes, ...)
Aneuploïdie: Existence d'un surnombre de chromosomes. Exemple
d'une trisomie 2n + 1, tétrasomie 2n + 2, monosomie 2n -1
Il existe aussi des mutations cytoplasmiques qui existent en
général chez les angiospermes, transmission et se localisent
dans les chloroplastes et les mitochondries transportés par la
mère. Elles sont mises en évidence par des croisements
réciproques. Ex: Stérilité-mâle cytoplasmique.
Agents mutagènes:
Agents mutagènes physiques (rayons ionisants), agents mutagènes
chimiques (ex: colchicine).
Chez
les plantes à brassage limité de gènes (multiplications
végétative), il apparait parfois des clones qui diffèrent
de la plante mère. Ces individus sont appelés des variants
somatiques. Ceci a été à l'origine de plusieurs
variétés de pomme cde terre et de pomme, en plus de la
pamplemousse rose et de l'orange navel.
Les variations somatiques sont fréquentes dans les situations suivantes:
- Culture in vitro
à partir de fragments d'organes différenciés (avec plusieurs repiquages).
- Culture de cellules isolées ou de protoplastes
Les variants somatiques peuvent être porteurs de traits positifs
(vigueur, juvénilité, précocité, résistance,
..) pour les améliorateurs.
Le déterminisme des variations somatiques produites en cours
de régénération, reste complexe (information génétique
nucléaire et extra-nucléaire). Le passage par le stade
cal ou microcal lors de la
régénération, serait déstabilisant et engendrerait
ces modifications.
Le
terme protoplaste signifie une cellule végétale débassée
de sa paroi squelettique. Elle apparait sous forme d'une cellule sphérique,
limitée par sa membrane plasmique. La technique de préparation
de protoplastes n'a été vraiment mise au point qu'à
partir des années 1960, quand les enzymes dégradant la
paroi cellulaire ont été purifiées et utilisées
dans cette biotechnologie.
Les protoplastes sont capables de fusionner pour donner des cellules
à socks chromosomiques doubles. Si des variétés,
espèces ou genres différents sont utiliser on ontiendra
des hybrides somatiques. Voir l'exemple du genre
citrus, objet d'examen S5, Marrakech, 2011-2012.
La transgénèse (obtention d'OGM) consiste à transférer vers une plante un gène dont l'expression fait apparaitre un caractère déterminé. L'origine biologique des gènes utilisés est variable. Il est possible de faire exprimer un gène issu d'une autre espèce végétale ou d'un autre organisme (bactérie, champignon) par la machinerie de transcription et de traduction des cellules de la plante hôte. Ceci permet d'élargir considérablement les ressources génétiques. Les dernières avancées biotechnologiques permettent d'introduire plusieurs gènes à la fois. Cela est de grande importance dans le contexte de l'amélioration de la tolérance à la sécheresse qui est de naure polygénique.
- marquage des vitro-plants
- Variations des vitro-plants
- Modes de reproduction des
plantes (autogames, allogames)
- Reproduction asexuée
- Polyploïdisation,
Haploïdisation des plantes
- Amélioration
génétiques des plantes autogames
- Amélioration
génétiques des plantes allogames
- Sélection Assistée
par Marqueurs (MAS)
- Autogames, allogames.
Exercice
- Sélection des plantes
autogames. Exercice
- Sélection des plantes
allogames. Exercice
- QCM Génétique, Méiose
- QCM méiose
- QCM Cycle
cellulaire
- RFLP
et sélection des protoplastes chez l'oranger. Examen S5_2012
-
RAPD et amélioration de la tomate pour la résistance à
la verticilliose, RFLP. Examen S5_2012
- Cours
du Master Biotechnologies et Amélioration des Plantes, Marrakech
- Travaux
pratiques Master Biotechnologies et Amélioration des Plantes,
Marrakech
- Master course
'Plant resistance against pathogens'
Faculty of Sciences, Cadi Ayyad University
Marrakech, 40000, Morocco
Email: baaziz@uca.ac.ma
Phone: 212524434649 (post 513)
Fax: 212524434669