Research Topics
Nos recherches sont caractérisées par une approche de la génétique quantitative étroitement liée à la méthodologie de la sélection et à la gestion de la variabilité génétique. Elles visent en particulier à comprendre l’effet de la sélection sur l’évolution et l’adaptation des populations, notamment sur la diversité génétique au niveau du phénotype et de locus individuels, à étudier le déterminisme des caractères quantitatifs au travers d’approches orientées vers l’application en sélection et à optimiser le processus de sélection, des ressources génétiques à la création de variétés.
Ces travaux de recherche sont réalisés grâce à l’appui de collègues impliqués dans l’analyse de la diversité et le marquage moléculaire (D. Madur, V. Combes, F. Dumas), et la création et l’évaluation de matériel végétal (Ph. Jamin, D. Coubriche, M. Jouannin), et bénéficient aussi largement des structures expérimentales de l’INRA.
1. Organisation de la diversité génétique et application à la génétique d’association
A.Charcosset, L. Camus-Kulandaivelu, C. Mir, J-B. Veyrieras, J. Cornouiller
Soutien: « Generation Challenge Program » (CIMMYT, IITA et 9 programmes nationaux africains et asiatiques), PROMAIS, ANR Génoplante, programme bilatéral GABI-Génoplante
1.1 Organisation de la diversité chez le maïs
Des travaux ciblés sur l’Amérique et l’Europe et l'étude de 275 populations traditionnelles, avec des marqueurs SSR ont confirmé la double introduction du maïs en Europe et le rôle des introductions nord-américaines dans l’adaptation au climat tempéré (Dubreuil et al. 2006). L’analyse de 375 lignées de même origine a permis d’étudier l’évolution de la diversité et de sa structuration au cours du processus de sélection hybride (Camus-Kulandaivelu et al. 2006). Ce travail a tout d’abord été réalisé avec l'approche Bayésienne implémentée dans le logiciel STRUCTURE (Pritchard et al. 2000), dont nous avons précisé certaines limites en cas d’apparentement entre lignées (Camus-Kulandaivelu et al. 2007). Un algorithme simplifié (EM) d’analyse de la structure de population a ensuite été développé. La structure des populations révélée par ces approches apparaît extrêmement liée à des caractères adaptatifs (précocité de floraison notamment) et sa prise en compte s’est révélée particulièrement importante pour conduire les tests d’association.
En parallèle de ces analyses, nous avons cherché à dresser un premier portrait global de la diversité moléculaire de l’espèce à l’échelle mondiale, avec des marqueurs SSR (« Generation Challenge Program »). Les résultats préliminaires, obtenus sur plus de 950 populations, soulignent des différenciations marquées de l’espèce en Asie et en Afrique, de nature à orienter la recherche de sources de diversité pour des adaptations spécifiques.
1.2 Génétique d’association
Les collections étudiées (large base génétique et accumulation de nombreux évènements de recombinaison) présentent un potentiel particulièrement intéressant pour affiner la localisation de QTL, par des approches de génétique d’association mettant en relation polymorphisme moléculaire et variation phénotypique. Nous avons donc investi depuis 2002, en collaboration avec D. Manicacci, dans la définition et l’évaluation phénotypique de nos collections de lignées et l’analyse du polymorphisme moléculaire de gènes candidats. Un certain nombre de polymorphismes apparaissent extrêmement liés à la structuration en sous-populations décrite précédemment (Camus-Kulandaivelu et al. 2006). Sa prise en compte comme covariable évite des faux positifs mais peut limiter considérablement la puissance de détection (Veyrieras et al. 2007b). Un de nos résultats les plus probants a été obtenu pour un QTL majeur de précocité situé sur le chromosome 8 et cloné dans région non codante de 2 kb par une approche positionnelle par des collègues italiens (locus Vgt1, Salvi et al. 2007). Outre une confirmation sans ambiguïté de l’effet de ce gène, nous avons pu montrer une cohérence extrêmement forte entre la distribution des allèles et les conditions écogéographiques des sites de collecte des populations, suggérant un effet majeur aussi bien dans l’adaptation du maïs aux conditions tropicales de basses altitudes (avantage de l’allèle tardif) qu’aux conditions tempérées (avantage de l’allèle précoce) (Ducrocq et al. 2008). Ces différents travaux nous ont conduits à développer une méthode de modélisation du déséquilibre de liaison en termes de blocs ancestraux qui facilite l’interprétation des associations mises en évidence (Veyrieras et al. 2007, Ducrocq et al. 2008).
Ces programmes sur l’étude de la diversité et la génétique d’association nous ont amenés à développer une base de données accessible via internet pour gérer l’ensemble des informations (Thalia-DB, https://thalia.moulon.inra.fr).
2. Détection de QTL dans des populations à base génétique étroites et larges
A.Charcosset, L. Moreau, S. Nicolas, J-L. Jannink (USDA, 8 months sabbatical in 2007), G. Blanc, J-B Veyrieras, M. Truntzler, A. Khobragade
Soutien: PROMAIS, Génoplante, « projets industriels » INRA, ANR Genoplante « LD-MCQTL » et « HyperMaize »
2.1 Utilisation de matériel hautement recombinant
L’analyse d’un dispositif biparental classique issu du croisement entre les lignées F2 et F252 a révélé de fortes interactions QTL x environnement (Moreau et al. 2004a). En parallèle, une population issue des mêmes parents à été mise en place en intercalant quatre cycles de croisement aléatoires afin d’accumuler des événements de recombinaison. La population ainsi créée a de plus facilité la cartographie précise de gènes candidats, en complément à la population de référence américaine du même type (Falque et al. 2005). Nous avons vérifié, que les QTL détectés dans la population hautement recombinante étaient localisés plus précisément que dans la population classique. Nos résultats suggèrent que même dans une population à base génétique étroite, un caractère comme le rendement fait sans doute intervenir un grand nombre de QTL présentant des allèles associés en coupling. Une expérience d’introgression assistée par marqueurs est en cours afin de valider l’effet de certains de ces QTL avant d’aller plus loin vers leur caractérisation.
2.2 Création de ressources génériques pour la génétique d’association et l’étude du déséquilibre de liaison (DL)
Nos résultats contribuent à montrer que si les approches « gènes candidats » ne doivent pas être exclues, il est indispensable de conduire aussi des approches d’association sans a priori, notamment dans la perspective de découvrir des facteurs de régulation distants des gènes. La faisabilité de telles approches est conditionnée par l’ampleur du DL dans les collections disponibles et les densités de marquage qui peuvent être mises en place. On estime aujourd’hui que le nombre de marqueurs nécessaires pour conduire une approche de détection de QTL « génome entier » varie entre 1 million pour les collections très diverses et 10 000 pour des groupes génétiques plus étroits. Il nous semble important (1) d’investir dans l’optimisation des collections étudiées pour pourvoir utiliser différents dispositifs complémentaires en termes d’ampleur du DL et (2) d’avoir accès à des techniques de découverte de polymorphisme et de génotypage appropriées. De façon complémentaire, il nous semble aussi particulièrement important de créer des lignées à partir des grands groupes tropicaux et américains représentant la diversité originelle du maïs. Cela nous permettra d’interpréter l’origine d’allèles rares dans les collections de matériel adapté à nos conditions de culture et d'identifier de nouvelles sources de diversité.
En termes de génotypage, nous conduisons des efforts importants pour accéder à de nouvelles technologies de génotypage SNP, en collaboration notamment avec le CNG. Au niveau de l’ensemble du génome nous devrions avoir accès prochainement, via Biogemma, à un génotypage de notre collection de lignées pour 17 k SNP (répartis sur environ 5000 segments courts de 500 bases). Ce jeu de données devrait nous permettre d’avancer dans la compréhension de l’organisation du DL, avec une analyse très fine de la structure de population. En complément de ces approches globales nous mettons en place des études locales par génotypage dense de régions qui présentent des QTL particulièrement intéressants
Enfin, en collaboration avec l’équipe GEAR (C. Vitte, M. Tenaillon & D.Maniccacci) nous envisageons d’investir dans l’analyse du polymorphisme d’éléments transposables pour avoir une vision plus structurelle du polymorphisme et tester dans quelle mesure de telles événements apportent une information complémentaire à celle des SNP.
L’ensemble de ces données serviront de support à des travaux méthodologiques sur la modélisation du déséquilibre de liaison et ses conséquences pour la génétique d’association, en continuant les travaux initiés sur ce sujet dans la cadre de la thèse de J.-B. Veyrieras.
2.3 Détection de QTL dans des plans de croisement multiparentaux
Un dispositif multiparental de 900 individus F2 a été dérivé d’un demi-diallèle entre 4 parents. Les données ont été analysées en testant les premières versions du logiciel MCQTL développé par l’INRA de Toulouse (Blanc et al. 2006). Les résultats soulignent en particulier : (1) la nette supériorité en termes de puissance de détection de QTL des modèles prenant en compte les connexions au sein du dispositif (environ deux fois plus de QTL détectés) (2) une importance beaucoup plus marquée des phénomènes d’interaction épistatiques QTLxQTL pour la productivité que pour les autres caractères (3) un nombre de classes d’effets alléliques variable entre QTL (en général 2 ou 3) inférieur au nombre de lignées parentales. En collaboration avec la société Euralis, nous avons étendu cette approche à l’analyse d’un plan de croisement plus complexe (21 populations issues de 17 parents) représentatif des dispositifs utilisés en sélection.
2.4 Dispositifs multiparentaux et approches de type LD mapping
Ces dispositifs, proches de ceux utilisés en sélection, présentent un intérêt appliqué majeur. Néanmoins la précision de localisation des QTL reste faible par rapport aux approches de génétique d’association, et les modèles qui supposent que chaque lignée parentale apporte un allèle différent atteignent leur limite lorsque le nombre de parents augmente. Grâce aux marqueurs moléculaires, il doit être possible pour une position donnée du génome d’identifier les lignées qui portent des allèles identiques et réduire ainsi le nombre de paramètres à estimer (programme ANR « LD-MCQTL » coordonné par B. Mangin, MIA Toulouse).
De façon plus générale, on peut s’interroger sur l’intérêt des dispositifs multiparentaux qui exploitent conjointement le déséquilibre de liaison au niveau des parents (« LD ») et les ségrégations intra-population (LA) par rapport à la génétique d’association qui utilise uniquement le déséquilibre de liaison (LD) au niveau d’un panel de lignées et ne nécessite pas de développer des populations en ségrégation. Afin d’apporter des éléments de réponse à ces questions nous nous proposons de comparer les résultats de détection de QTL dans un dispositif multiparental avec ceux obtenus par génétique d’association sur un panel de lignées incluant les lignées parentales pour des caractères liés au rendement ensilage (thèse M. Truntzler).
2.5 Cartographie fine de QTL
Nous travaillons sur la cartographie fine QTL majeur du chromosome 10, avec des études complémentaires pour préciser l’effet de séries alléliques à ce locus en tirant profit de matériels développés par introgression dans la lignée F2. Toujours dans le but de préciser la nature de séries allélliques aux QTL, nous poursuivons les travaux de cartographie très fine de la mutation F7p afin d’analyser comment celle-ci a renforcé l’effet de l’allèle originel, qui était jusqu’alors le plus précoce observé à ce locus (Ducrocq et al. 2008).
Par ailleurs, plusieurs programmes d’introgression ont été initiés dans le but de valider l’effet de QTL identifiés dans la population hautement recombinante et d’en amorcer la cartographie fine. L’analyse des lignées introgressées est en cours (programme Génoplante « Hypermaize »). D’ores et déjà nous avons pu valider l’effet d’une zone chromosomique située sur le chromosome 4 sur la maturation du grain et le rendement en grain. Une cartographie fine de cette zone est en cours par étude de linkage. Elle sera complétée par une étude de la diversité génétique et une approche de génétique d’association pour des gènes candidats et des marqueurs neutres (ou LD mapping) étendue à toute cette zone chromosomique (Coll. D. Manicacci, GEAR).
Outre ces travaux ciblés, nous avons mis en place un programme d’introgressions à partir de plusieurs donneurs dans le fonds génétique de la lignée F2. Ces programmes ont été suivis jusqu’au stade BC5 et permettent d’extraire rapidement du matériel quasi-isogénique à des fins de validation d’association et/ou de cartographie fine. Nous envisageons de systématiser cette approche dans le cadre d’un programme conduit en collaboration avec PROMAIS.
3. Sélection assistée par marqueurs
L. Moreau, A. Charcosset, R. Bernardo (Pr. Univ Minnesota, 5 months sabbatical in 2004), A. Gallais, G. Blanc,
Soutien : Projets « SAM » puis « SAM-Multiparentale », Coll. PROMAIS
Nous nous sommes attachés à développer en parallèle des travaux théoriques et expérimentaux afin d’évaluer les limites et les potentialités de la sélection assistée par marqueurs (SAM). Nous avons contribué à la rédaction d’une synthèse sur ces aspects sous forme d’un chapitre d’ouvrage (Moreau et al. 2007).
3.1 Sélection assistée par marqueurs dans une population biparentale
Une première étude expérimentale a été conduite sur une population biparentale (Moreau et al. 2004b). Les résultats, ainsi que l’analyse des liaisons marqueurs caractères lors du second cycle de sélection combinée, suggèrent un manque de stabilité des effets des QTL détectés en fonction du fonds génétique et/ou de l’environnement. Des simulations ont permis (1) de tester le gain d'efficacité de la SAM dans le cas où une partie des QTL seraient connus a priori et n’auraient pas besoin d’être détectés (Bernardo et Charcosset 2006) et (2) de montrer qu’il peut être très avantageux de représenter davantage les meilleurs individus lors de l’intercroisement destiné à former la génération suivante (Bernardo et al. 2006). Les autres approches tentées pour prendre en compte la complémentarité entre individus lors de l’intercroisement (choix de couples) n’apportent par contre pas d’amélioration.
3.2 Sélection assistée par marqueurs dans un dispositif multiparental
Nous avons conduit une nouvelle expérience de SAM à partir d’un dispositif multiparental (cf ci-dessus). Contrairement aux résultats obtenus dans le dispositif biparental, nous avons mis en évidence un progrès significatif lors des cycles de sélection sur marqueurs seuls, y compris pour le rendement. Cet intérêt des schémas multiparentaux par rapport aux schémas biparentaux a été confirmé par simulation (Blanc et al. 2008). Ce travail a également permis de reconsidérer dans ce contexte multiparental l’effet du seuil de détection des QTL sur l’efficacité de la SAM et d’étendre les résultats acquis précédemment sur l’optimisation des intercroisements. Enfin, on notera que les familles les plus intéressantes observées dans le programme expérimental ont été confiées à C. Bauland, qui conduit le programme d’innovation variétale maïs pour l’INRA et sa filiale Agri-Obtentions. Des lignées fixées issues de ce matériel ont été distribuées aux professionnels en 2009 en vue de leur utilisation dans des hybrides commercialisés.
4. Analyse de phénomènes adaptatifs et interactions avec l’environnement
4.1 Analyse et modélisation des intéractions Génotype x Environnement
P. Bertin, A. Charcosset, Coll. INRA Mons, LEPSE Montpellier, MIA Jouy en Josas,
Soutien : ProMaïs et ARVALIS.
La compréhension des facteurs impliqués dans ces interactions GxE est particulièrement utile pour évaluer la représentativité d'une expérimentation par rapport aux conditions dans la région agricole visée et stratégique pour prédire la performance de combinaisons alléliques pour différents scénario climatiques dans le cadre des programmes de Sélection Assistée par Marqueurs. Au cours de la période 2005 à 2008, nous avons (1) poursuivi la gestion des expérimentations conduites dans une quinzaine de sites entre les Deux Sèvres et le Nord de l’Allemagne, l'acquisition des données et les calculs des paramètres éco-physiologiques de mise en place du couvert végétale; (2) intensifié l'analyse des interactions GxE. Nous avons pu isoler des variables agro-climatiques corrélées aux réponses spécifiques des génotypes. Ces variables interfèrent souvent entre les différentes phases du cycle ou au sein d'une même phase et nous conduisent à intégrer des modèles de fonctionnement des cultures de type dynamique dans nos analyses. Nous proposons pour cela de coupler la modélisation écophysiologique avec des méthodes statistiques d’estimation de paramètres adaptées au cadre non-linéaire et multivarié. Cette approche soulève de nombreuses questions méthodologiques en statistiques (estimations des paramètres de modèles complexes, choix de modèle, couplage avec des études de sensibilités). La première partie du travail vise à tester la démarche sur la modélisation de la phénologie de floraison et de la mise en place du nombre de feuilles, en visant notamment à évaluer la sensibilité des variétés testées à des facteurs environnementaux. Ce travail est réalisé en collaboration avec F. Tardieu (LEPSE Montpellier) pour la partie écophysiologie et H. Monod (MIA Jouy-en-Josas) pour la partie statistique.
4.2 Analyse de la précocité de floraison
A. Charcosset, D. Madur, A. Khobragade Coll. C. Giauffret (INRA Mons).
Soutien: ANR Génoplante
Les travaux précédents sur l’interaction GxE confirment que la précocité de floraison joue un rôle majeur dans l’adaptation aux conditions environnementales. Les formes précoces confèrent un avantage lorsque les conditions hydriques sont limitantes (phénomène d’esquive). A contrario les formes tardives sont avantagées en conditions favorables, grâce à la mise en place d’un appareil végétatif plus développé et une période d’interception de la lumière prolongée. De ce fait, une part importante (de l’ordre de 60 %) des QTL de productivité que nous avons mis en évidence présentent aussi des effets sur la précocité. Nous avons cartographié une mutation précoce apparue dans la lignée F7 (Chardon et al. 2005). Celle-ci correspond très vraisemblablement à la région Vgt1 décrite ci-dessus, mais, au vu des travaux de séquençage comparatif que nous avons conduits, n’est située ni dans la région régulatrice de 2 kb ni dans le gène qu’elle contrôle (Ap2 situé à 70 kb). La seconde région, impliquées dans la sensibilité à la photopériode (coll. C. Giauffret, INRA Mons) a fait l’objet d’un travail de cartographie fine. Cette région est située à proximité (50 kb environ) d’un gène annoté comme homologue de Ghd7 connu pour être impliqué dans la sensibilité à la photopériode chez le riz (Xue et al. 2008) et des travaux d’étude d’expression de ce gène sont en cours. Ces travaux contribuent à soulever des questions sur la nature des séries alléliques en jeu aux QTL et la taille des segments qui définissent les haplotypes fonctionnels.
4.3 Valorisation de l’azote
A. Gallais, M. Coque. Coll. B. Hirel and coll. (INRA Versailles).
Soutien : PROMAIS-INRA
Le développement d’une méthode de marquage avec le 15N a permis d’estimer, chez des hybrides de maïs, un taux moyen de remobilisation de l’N des parties végétatives vers le grain de 60-65 % et un taux d’allocation au grain de l’N absorbé post-floraison voisin de 90 %, avec une variation importante selon les génotypes. Pour les lignées, l’allocation aux grains peut être nettement plus faible (Gallais et al. 2007b). La modélisation des flux d’azote dans la plante a permis de mettre en évidence un turn-over permanent des protéines, avec une affectation totale de l’azote absorbé aux parties végétatives, puis une remobilisation de l’N qui est soit intégré dans les parties végétatives, soit exporté vers le grain (Gallais et al. 2006 ; Hirel et Gallais 2006 ). Les études au niveau d’hybrides commerciaux ont confirmé une très grande sensibilité du nombre de grains au stress azoté et une variation génétique dans la réaction à ce stress (Coque et Gallais 2007a). Par l’utilisation du marquage 15N, une étude au niveau d’une population de lignées recombinantes évaluées en croisement avec un testeur a confirmé ces différences (Coque et Gallais 2007b).
La détection de QTL pour des caractères liés à l’absorption et à la remobilisation montre que, pour un caractère donné, les QTL sont assez différents selon le niveau de fertilisation et le type de matériel génétique (lignées ou hybrides). Par contre ce sont les mêmes zones chromosomiques qui sont en cause. Cela confirme donc une expression différente de la variabilité génétique selon la fertilisation et le niveau d’hétérozygotie (Coque et al. 2008b). Neuf zones importantes ont été validées par l’étude du changement de fréquence des marqueurs le long du chromosome, dans une expérience de sélection pour l’adaptation à faible et forte fertilisation azotée (Coque et Gallais 2006 ; Gallais et al. 2007) Quatre zones sont en cours de validation au niveau de l’étude de lignées quasi-isogéniques.
4.4 Étude des bases moléculaires de l’hétérosis
J. Fiévet, A. Gallais, A. Larièpe, S. Nicolas, L. Moreau, A. Charcosset
Soutien: CNV-Maize
Depuis plus de deux siècles, l’hétérosis (ou vigueur hybride) est exploité en sélection, mais malgré cela il reste mal compris au niveau génétique, physiologique et biochimique. Une meilleure compréhension de ce phénomène permettrait, à terme, de mieux prédire son importance et donc de guider le choix des meilleures combinaisons hybrides dans les programmes de sélection assistée par marqueurs.
L’objectif de cette partie du projet est de mettre en évidence les locus intervenant dans le phénomène d’hétérosis (QTL d’hétérosis ou HL) en utilisant des dispositifs expérimentaux complémentaires. Le premier se base sur une population de « F2 immortelles » qui permet d’avoir accès à plusieurs individus par génotype représentant complètement la diversité génotypique (Hua et al. 2003). Le second dispositif est composé de 1289 hybrides issus d’un dispositif multiparental (3 populations connectées de lignées hautement recombinantes dont 2 parents sont communs avec le dispositif « F2 immortelles ». A l’aide de ces deux types de dispositifs, nous mettrons en évidence les locus intervenant dans l’occurrence de l’hétérosis (notés HL) pour les caractères d’intérêt (croissance foliaire, précocité de floraison, humidité du grain et productivité), puis leur cartographie fine sera envisagée, et enfin, nous étudierons leur co-localisation avec les gènes de structure/régulation des acteurs du métabolisme.
Dans un second temps, nous cartographierons plus finement les locus mis en évidence par une approche de génétique d’association. Pour cela, nous utiliserons les outils développés et les résultats précédemment obtenus (Camus-Kulandaivelu et al. 2006 ; Ducrocq et al. 2008). Le panel d’environ 400 lignées contrastées pour leur précocité, nous permettra d’étudier la relation entre diversité génétique et phénotypique pour les zones d’intérêt précédemment mises en évidence (en collaboration avec l’équipe GEAR).