Sélection variétale à haut débit

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Céréales / L’amélioration variétale des céréales fait désormais appel aux technologies de haut débit, qui permettent de gagner en temps et en précision tant pour le volet phénotypage que celui du génotypage. Explications par Arvalis – Institut du végétal. 

Aujourd’hui, pour améliorer les performances des céréales, les sélectionneurs et les agronomes cherchent à identifier les gènes impliqués dans certains caractères d’intérêt comme la résistance à une maladie, la résistance à la sécheresse ou encore une meilleure capacité à absorber l’azote. Tout se passe à l’intérieur d’une cellule, au niveau d’un chromosome. C’est dans ce matériau que se trouve les gènes, le génome étant l’ensemble des gènes d’un individu.

Une aiguille dans une botte de foin !
Pour obtenir un individu ayant deux caractères particuliers A et B, il faut croiser deux individus ayant chacun l’un des deux gènes A ou B. Ce croisement peut aboutir à quatre combinaisons (A0, B0, 00, AB) dont une seule correspond à notre requête (AB). Si l’on souhaite maintenant intégrer 10 gènes intéressants dans un individu, il faudra chercher dans 1 024 combinaisons. Et si l’on passe à 20 gènes, seul un individu sur plus d’un million aura la bonne combinaison !

Comment faire pour le trouver ?
C’est là qu’entrent en scène les techniques à haut débit. Elles permettent d’acquérir énormément de données très rapidement, aussi bien en « phénotypage » qu’en « génotypage ». Le phénotypage consiste à observer des plantes et les caractères qu’elles expriment au champ. Des outils comme la Phénomobile permettent de mesurer en continu la croissance et le développement des plantes. Il s’agit d’un robot capable de mesurer à haut débit et de manière automatique l’état de santé de centaines de variétés, mis au point par l’Inra et Arvalis – Institut du végétal dans l’optique de caractériser les ressources génétiques impliquées dans la tolérance aux stress des céréales à paille.

Et roule la Phénomobile !
Le site expérimental de Gréoux-les-Bains, dans les Alpes de Haute- Provence, fait figure d’avant-poste pour le changement climatique en France. C’est ici qu’Arvalis – institut du végétal a implanté une plateforme de phénotypage à haut débit pour mesurer la tolérance des variétés de céréales à paille au stress hydrique. Plus de 200 variétés (blé tendre et blé dur) y sont évaluées en microparcelles, avec ou sans irrigation. Des caméras, des lasers et des radiomètres scrutent la végétation. Pour effectuer des notations par capteurs tout au long du cycle de la culture, le site utilise la Phénomobile. Cet engin autoguidé scanne en se déplaçant l’état des plantes avec une résolution de l’ordre du millimètre grâce à trois types de capteurs embarqués. Des caméras industrielles synchronisées avec des flashs et des lasers à balayage permettent d’une part de mesurer l’architecture de la végétation (hauteur des plantes, position des feuilles et des épis). D’autre part, des radiomètres permettent de mesurer la réflexion de la lumière par la végétation, afin de recueillir des données sur la composition biochimique des plantes. Outre ces capteurs, la Phénomobile est originale par son système de guidage. Il est possible de la piloter manuellement mais on peut également définir des trajectoires et d’autres actions qui s’enchaînent dans un scénario prédéfini pour un pilotage entièrement automatisé, avec une précision centimétrique.

Multiplier les observations
Pour chacune des microparcelles, la Phénomobile récupère des centaines de milliers de données qui vont permettre de mettre en relation l’état des plantes au champ, leur phénotype, avec leur code génétique et ainsi identifier les gènes responsables d’une meilleure adaptation au stress subi. Cet outil rend possible une caractérisation fiable, répétable et rapide de la dynamique de croissance de nombreux génotypes. Une fois démontrée la pertinence des informations obtenues par ce système, l’étape suivante est de multiplier ce système pour accumuler des connaissances sur le comportement de chaque variété soumise à des contextes pédoclimatiques différents pour mieux mettre en évidence les gènes d’intérêt. Gènes qu’il faudra ensuite introduire dans les futures variétés pour qu’elles soient capables de répondre aux nouvelles contraintes climatiques et agronomiques. Au laboratoire, des outils moléculaires existent pour connaître les gènes présents dans les plantes observées au champ. Fort d’un grand nombre d’observations, il est ensuite possible d’associer un caractère observé à des gènes. Une fois le rôle des gènes identifiés, le génotypage à haut débit va permettre de repérer sur un grand nombre d’individus celui qui possède la combinaison des gènes recherchés.

Nicolas Bousquet (Arvalis – Institut du végétal)

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