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Les relations non linéaires entre caractères permettent de prédire l’hétérosis

Le croisement d’individus génétiquement éloignés produit souvent des hybrides plus « vigoureux » que leurs parents : leur croissance est plus rapide, leur fertilité plus élevée, leur résistance aux maladies meilleure, etc. Ce phénomène universel, appelé hétérosis ou vigueur hybride, est largement exploité en sélection végétale et animale. Cependant l’ampleur de l’hétérosis pour un caractère donné dans un croisement donné reste très difficile à prédire, en raison de la complexité et de la diversité des mécanismes sous-jacents. Sauf cas particuliers, les méthodes empiriques de prédiction sont donc largement privilégiées.

Une équipe de l’UMR GQE – Le Moulon, en collaboration avec le laboratoire Sciences pour l'œnologie de l’INRA de Montpellier, avait montré que l’universalité du phénomène d’hétérosis pouvait provenir de la non-linéarité fréquente des relations génotype-phénotype ou phénotype-phénotype (Fiévet et al. 2018). S’appuyant sur cette interprétation de l’hétérosis, des chercheurs du CEFE et de SupAgro de Montpellier, de l’UMR GQE–Le Moulon et de l’institut Max Planck de Tübingen (Allemagne) ont réussi à prédire l’ampleur de l’hétérosis pour deux caractères chez Arabidopsis thaliana, plante modèle en biologie végétale. Grâce aux données recueillies sur 450 hybrides et leurs parents, d’origines géographiques diverses, ils ont pu établir les lois mathématiques qui reliaient la biomasse au taux de croissance d’une part, au nombre de fruits d’autre part. Ceci leur a permis de modéliser l’hétérosis attendu pour ces caractères connaissant la biomasse des seuls parents. Les relations entre caractères étant concaves, les hybrides dévient de la valeur moyenne de leurs parents, ce qui conduit à leur meilleure vigueur (Fig. A). Jusqu’à 75% de la variance de l’hétérosis ont ainsi pu être expliqués (Fig. B), contre seulement 7% lorsque la prédiction est basée sur la distance génétique entre parents. Ce travail, publié dans PLoS Biology, fait l’objet d’un companion paper qui évoque « l’élucidation d’une énigme d’un siècle en génétique ».

illustaration des résultats

Figure. Prédiction de l’hétérosis du taux de croissance à partir de la biomasse de la plante. A. Relation entre la biomasse M (en abscisse) et le taux de croissance (en ordonnée). La courbe correspond à la relation allométrique, mathématiquement connue, entre ces deux caractères (allométrie : croissance différentielle des organes, ou d’un organe et de l’ensemble de l’organisme). Deux parents (en rouge) et leur hybride (en bleu) sont montrés, ainsi que la différence entre la valeur du « parent moyen » et celle de l’hybride (double flèche bleue). B. Relation entre l’hétérosis prédit (en abscisse) et observé (en ordonné), pour deux indices d’hétérosis différents. La relation est très hautement significative, expliquant de 2/3 à 3/4 de la variance de l’hétérosis.

Références

Vasseur F, Fouqueau L, de Vienne D, Nidelet T, Violle C, Weigel D. (2019) Non-linear phenotypic variation uncovers the emergence of heterosis in Arabidopsis thaliana. PLoS Biol, 17 (4) e3000214.

Govindaraju DR (2019) An elucidation of over a century old enigma in genetics – Heterosis. PLoS Biol, 17(4) e3000215.

Pour en savoir plus

Fievet J, Nidelet T, Dillmann C, de Vienne D. (2018) Heterosis is a systemic property emerging from non-linear genotype-phenotype realtionships: Evidence from in vitro genetics and computer simulations. Frontiers in Genetics, 9 1–20.

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