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Thèmes de recherche

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 des sélections anciennes et modernes sur l’évolution et l’adaptation des variétés populations et hybrides chez le maïs, en termes de variation phénotypique, organisation globale de la diversité moléculaire et polymorphisme de locus spécifiques
  • étudier le déterminisme des caractères quantitatifs, en vue d'applications directes en sélection assistée par marqueurs et pour mieux évaluer la nature des effets génétiques en cause.  Une attention particulière est portée à la précocité de floraison, la productivité sous contrainte environnementale abiotique et la vigueur hybride
  • optimiser le processus de sélection, des ressources génétiques à la création de variétés.

Ces recherches reposent sur des travaux théoriques et expérimentaux, le développement d'approches statistiques et d'outils d'aide à la décision.  Les travaux expérimentaux   impliquent la création de matériel original chez le maïs, du marquage moléculaire et des évaluations phénotypiques, réalisés par les membres de l'équipe et un fort appui  des structures expérimentales de l’INRA.

GQMS est rattachée au LabEx BASC, Biodiversité, Agroécosystèmes, Société, Climat.

   

1. Effet des diffusions et de la sélection sur l'organisation de la diversité génétique chez le maïs

 

1.1 Nature des polymorphismes moléculaires au sein des collections génétiques

Les nouvelles technologies de reséquençage et de génotypage à haut débit révolutionnent les approches de génétique. Nous participons à ce nouveau challenge en contribuant au développement de nouvelles méthodes et de nouveaux outils tels que :

  • Le développement de la 1ère puce 50k SNP maïs dans le cadre d'un consortium international (Ganal et al., 2011, Plos One). Cette puce a ensuite été utilisée par notre équipe pour génotyper environ 1200 lignées,  250 populations traditionnelles et 230 lignées hautement recombinantes.
  • La découverte de nouveaux polymorphismes de type SNP, Indels ou de polymorphismes plus complexes tels que les variants structuraux en collaboration avec l'équipe ABI et GEAR du laboratoire. Pour découvrir ces polymorphisme, nous avons réalisé un reséquençage à forte profondeur de 5 lignées incluant  la lignée française Fv2 (projets Amaizing et CNV-maize) et de 120 lignées à plus faible profondeur (projets Amaizing, http://www.amaizing.fr/, et Cornfed)

 

1.2 Rôle de l'histoire et de la sélection moderne sur l'organisation de cette diversité

Notre objectif est d’étudier dans quelle mesure l’évolution et la sélection moderne façonnent la diversité génétique.

  • Après avoir travaillé sur l’origine des variétés de maïs traditionnelles européennes (Tenaillon & Charcosset, 2011, C R Biol), nous avons étendu nos travaux à l’Afrique et l’Asie dans le cadre d'une collaboration internationale (Generation Challenge Program). Plus de 800 variétés traditionnelles ont été génotypées pour estimer la contribution des principaux groupes génétiques américains à la diversité mondiale et identifier des zones d’hybridation et de différenciation (Mir et al., 2013, Theor Appl Genet).
  • L’analyse moléculaire de lignées représentatives a permis de mettre en évidence l’émergence de nouveaux groupes génétiques résultant de la sélection moderne (Truntzler et al., 2012, Theor Appl Genet).

 

1.3 Conséquences sur le déséquilibre de liaison, modélisation et applications

Au sein de nos collections, nous cherchons à estimer la portée du déséquilibre de liaison (DL) et sa variation le long du génome afin de quantifier l'impact de la structuration génétique sur le DL.

  • Dans un panel de 375 lignées, le DL moyen est relativement étendu (197 kb pour un R2 de 0,1) et il est amplifié par la structure génétique de la population (Bouchet et al., 2013, Plos One). Ces résultats confirment la nécessité de prendre en compte la structure de la population et l’apparentement dans les différents modèles de génétique d’association (Veyrieras et al., 2007b, Crop Sci; Mezmouk et al., 2011, Theor Appl Genet)

Nous évaluons des méthodes et outils pour la reconstruction d’haplotypes. Nos résultats montrent que les lignées peuvent partager de longues régions identiques par descendance, notamment au niveau des centromères (stage M2, H. Giraud 2012, coll. B. Servin et B. Mangin, INRA Toulouse).

   

2. Déterminisme des caractères d'intérêt


2.1 Effet de la liaison sur le déterminisme des caractères. Cartographie fine de QTL

Nous avons utilisé une population de lignées hautement recombinantes pour augmenter la précision  de la cartographie de QTL. Une population F3 classique et une population F3 issue des mêmes parents mais obtenue en intercalant quatre générations d’inter-croisements ont été évaluées agronomiquement. Nous avons montré que :

  • La variance génétique pour le caractère rendement en grain est significativement plus faible dans la population hautement recombinante, ce qui suggère qu’un QTL dans la population classique correspond en général à plusieurs QTL liés en coupling (association entre allèles de même signe) (Huang et al., 2009, Genetics).
  • Cette hypothèse a été validée par cartographie fine d’un des QTL qui a montré que l’effet pléiotrope apparent pour le rendement et la qualité était dû à deux QTL d’effet faible, spécifiques de chacun des caractères (Khobragade et al.  en prép.)

2.2 Analyse de dispositifs à base génétique large. Mise en évidence de séries alléliques

Nous avons contribué au développement du logiciel BioMercator dédié à la méta-analyse de QTL (coll. équipe ABI, Sosnowski et al.  2012, Bioinformatics). Ce logiciel est téléchargeable à l’adresse suivante :

http://moulon.inra.fr/index.php/fr/equipestransversales/atelier-de-bioinformatique/projects/projets/135)

Nous avons utilisé ce logiciel pour réduire l’intervalle de confiance de la position des QTL de la qualité du maïs ensilage (Truntzler et al.  2011, Theor Appl Genet) et de la tolérance au stress hydrique (Welcker et al.  2011, Plant Physiol).

Pour aller plus loin dans la prise en compte de la variabilité allélique, nous avons contribué au développement de nouvelles approches de détection de QTL dans des dispositifs multi-parentaux connectés, en prenant en compte l'identité par descendance de segments chromosomiques des lignées parentales (Bardol et al., 2013, Theor Appl Genet).

 

2.3 Etude de l'hétérosis

Un plan de croisement de plus de 1200 hybrides entre trois populations de lignées recombinantes et leurs lignées parentales a permis d’étudier les bases génétiques de l’hétérosis. Pour le rendement, la plupart des QTL détectés sont localisés dans les régions péri-centromériques et nous avons mis en évidence une superdominance (avantage du génotype hétérozygote par rapport au meilleur homozygote) apparente systématique (Larièpe et al., 2012, Genetics). Ce phénomène est là aussi vraisemblablement lié à la liaison d’allèles dominants à des locus proches, mais cette fois-ci en répulsion (association d’allèles de signe opposé).

   

3. Identification de régions et de gènes impliqués dans des caractères d'intérêt

Nous menons des analyses fines de QTL par l'étude de nombreux recombinants ou par génétique d'association.

vgt1 - Nous avons confirmé par génétique d'association l’effet du locus vgt1 sur la précocité de floraison et montré une répartition de l'allèle précoce extrêmement cohérente avec les conditions environnementales locales. Cela confirme le rôle majeur de ce locus dans l’adaptation aux climats tempérés (Ducrocq et al.,  2008, Genetics).

ZmCCT - Un QTL majeur a été localisé à proximité de ZmCCT (170 kb) dans une région hypo-recombinante (Ducrocq et al.,  2009, Genetics) et son effet sur la précocité de floraison a depuis été confirmé par plusieurs groupes. Nous avons aussi montré que la région ZmCCT présente un nombre limité d’haplotypes (beaucoup plus faible que le nombre d’haplotypes pour le locus vgt1). Leurs effets sur la précocité ont été validés en utilisant des collections de matériel quasi-isogénique.

Tga1 et Su1 - Nous avons caractérisé finement une région du chromosome 4 impliquée dans la variation de plusieurs caractères d'intérêt agronomique et dans laquelle sont situés tga1 (gène clé de la domestication du maïs impliqué dans l'organisation de l'épi) et Su1 (gène impliqué dans le métabolisme carboné de la graine) (thèse Khobragade, 2012). Ces deux gènes montrent une réduction forte de la diversité nucléotidique par rapport à la téosinte, indiquant une forte contrainte sélective durant la domestication ou la sélection.

Znc8 et étude genomewide - Les analyses de génétique d’association menées avec la puce 50k SNP ont mis évidence un effet majeur du locus Zcn8 qui correspond très certainement au QTL vgt2 (Bouchet et al., 2013, Plos One). Ce résultat nous permet de progresser dans l’étude de la variabilité pour la date de floraison et d’estimer la contribution de la région vgt1-vgt2 à ce phénomène.

   

4. Optimisation de la sélection assistée par marqueurs

Après avoir montré  l’intérêt d’appliquer la sélection récurrente assistée par marqueurs à des dispositifs multi-parentaux (Blanc et al. 2006 Theor Appl Genet ; Blanc et al.  2008, Euphytica), nous avons développé le logiciel OptiMAS (Valente et al.,  2013, Journal of Heredity, disponible à l’adresse  http://moulon.inra.fr/optimas/). Ce logiciel est un outil d’aide à la décision qui permet de suivre la transmission des allèles favorables et donc de choisir les meilleurs parents pour obtenir l’idéotype moléculaire souhaité avec un nombre de cycles réduit.

En parallèle, nous avons fortement investi dans l’évaluation et la mise en place d’approches de sélection génomique pour des caractères à déterminisme génétique très complexe. Cette approche consiste à travailler en deux temps 1) génotypage dense et phénotypage d’un sous-ensemble d'individus constituant une population de référence, de façon à construire un modèle de prédiction du phénotype que 2) on applique à la population en cours de sélection. Cette stratégie permet de s’affranchir de l’étape de détection de QTL.

Nous avons montré que, pour un caractère complexe tel que le rendement, l'application de cette approche génomique dans un dispositif multiparental permettait d’obtenir des prédictions plus précises que la sélection assistée par marqueurs basée sur la détection de QTL, (Bardol et al., submitted). L'efficacité de cette stratégie peut être sensiblement améliorée en optimisant l’étape de constitution de la population de référence (Rincent et al., 2013, Genetics). Un script R a été développé afin de choisir les lignées de la population de référence et est disponible sur demande.