Etude du polymorphisme des génomes végétaux

Climate change, soil degradation and fertilizer costs threaten food security and agriculture sustainability in Europe. Traditional varieties of crops or landraces are a valuable source of genetic diversity for addressing these challenges. Landraces have been selected for adaptation to local agro-climatic conditions and human uses and could therefore carry favorable alleles for tolerance to abiotic or biotic stresses. However, landraces remain underutilized in modern breeding programs and agriculture because they are poorly characterized, genetically heterogeneous and exhibit limited agronomic performance compared to elite material. Great effort has been recently made to characterize the genotypic variation of thousands of maize landraces but few resources have been mobilized for analyzing their phenotypic variation and genetic diversity for complex traits as tolerance to abiotic and biotic stresses. The project MineLandDiv (Mining Allelic Diversity in Landraces for Tolerance to Abiotic and Biotic stress) proposes to fill this gap by combining different up-to-date genomic approaches, genetic and statistical methods with high throughput phenotyping tools including sensors / metagenomics for fine environmental characterization. MineLandDiv aims at (i) identifying maize landraces and favorable alleles for tolerance to abiotic (heat/drought - cold - nitrogen) and biotic stresses (Corn borer) that could be used to broaden genetic diversity of modern breeding germplasms and (ii) better understanding their resilience to variable environmental conditions. To achieve these objectives, MineLandDiv proposes to: 1. Optimize a collection of 300 maize landraces representative of American and European genetic diversity and adapted to various agroclimatic conditions based on previous knowledge and mid density genotyping data available for more than 1200 landraces. 2. Evaluate, across a large European network, these 300 landraces for different agronomic and physiologic traits with contrasted treatments (well-watered vs water deficit, low vs high nitrogen, early sowing for cold, heat, and corn borer infestation) for studying the effect of these stresses on agronomic performances. We will use high-throughput phenotyping tools (Drones, NIRs), phenotyping platforms and environmental sensors to assess the environmental conditions felt by plants. Because roots and symbiosis with soil microorganisms are essential for nutrient and water uptake, we will phenotype root architecture in an aeroponics platform and characterize soil microorganism content of different trials by metagenomics. 3. Identify genomic regions involved in agronomic performance and tolerance to abiotic stresses by (i) conducting association studies for agronomical, physiological and roots traits as well as environmental variables associated with the landrace collecting sites, by (ii) detecting selective footprints between landraces from contrasting environments. We will genotype DNA pool of 15 plants from each landrace using high density genotyping array (600K). 4. Develop an original DNA pooling targeting sequencing approach to explore allelic diversity in these genomic regions but also candidate genes putatively involved in abiotic tolerance or plant-microorganism interactions for all landraces as well as for a set of inbred lines for comparison. 5. Predict, for a larger number of landraces, agronomic performance and tolerance to abiotic/biotic stresses by calibrating a model based on phenotypic evaluation and deep genomic characterization of these 300 landraces. This project will increase our knowledge about adaptation mechanisms of maize landraces to different agro-climatic conditions. We will identify promising alleles / landraces that could be used to broaden the genetic basis of breeding germplasm for tolerance to abiotic / biotic stresses by releasing new inbred lines or using other bridging/technology approaches.

La recombinaison méiotique est un processus clé du développement des organismes sexués, indispensable à la production de gamètes équilibrés et donc à la fertilité des espèces. De plus, elle représente un enjeu majeur en amélioration des plantes car elle permet, grâce aux crossovers (CO), de brasser la diversité génétique initialement répartie entre individus et donc d'introgresser dans les variétés élites des gènes ou traits d'intérêt d'autres variétés ou même d’autres espèces. Des efforts considérables ont donc porté sur l'identification des gènes responsables de la formation des CO chez les plantes, utilisant Arabidopsis thaliana comme principal modèle. Notre compréhension de l'architecture génétique contrôlant la recombinaison méiotique reste malgré tout incomplète, notamment parce que les conséquences de la polyploïdie (multiples copies du génome) n’ont pas été évaluées. La polyploïdie représente pourtant une des caractéristiques les plus prégnantes des espèces cultivées chez lesquelles elle fait souvent suite à une étape d’hybridation interspécifique (i.e. espèces allopolyploïdes). Pour autant, on ne sait pas quels sont les gènes qui permettent de réguler la recombinaison méiotique entre chromosomes homéologues hérités des différentes espèces parentales. On ne sait pas non plus pourquoi la fréquence de CO est augmentée de façon très significative chez certains polyploïdes, ni la généralité de cette observation. Nous nous proposons d’aborder directement ces questions en utilisant deux espèces cultivées polyploïdes, le blé (Triticum aestivum; AABBDD; 2n=42) et le colza (Brassica napus; AACC; 2n=38), comme modèles d’étude. Dans un premier temps, nous nous proposons de procéder à la caractérisation moléculaire de deux locus connus pour faire varier les fréquences de CO entre chromosomes homéologues chez le blé (locus Ph2) et le colza (PrBn). Nous chercherons à déterminer si ces locus ont pour origine des mutations non nulles révélant de nouvelles fonctions pour des gènes déjà identifiés ou au contraire si elles sont causées par des gènes encore inconnus. En parallèle de la stratégie de clonage positionnel, cette démarche nous amènera à évaluer l’effet causal d’un gène candidat très prometteur pour Ph2 chez le Blé (TaMSH7). Cette première partie du projet nous permettra d’approfondir notre compréhension des mécanismes qui entravent les possibilités d'introgression dans le blé ou le colza de gènes d’intérêt présents chez des espèces apparentées. En parallèle, nous approfondirons notre compréhension d’un phénomène original que nous avons découvert et qui conduit à multiplier par 3 la fréquence de recombinaison dans des hybrides de Brassica. Nous chercherons à savoir si ce phénomène affecte une des voies de formation des CO (il en existe plusieurs) de façon préférentielle ; nous étudierons l’effet individuel ou en combinaison de trois chromosomes additionnels du génome C (lignées d’addition AA+C) sur la fréquence de recombinaison et sur la force de l’interférence, le phénomène qui est responsable du fait que deux CO ne se forment pas l’un à côté de l’autre au cours d’une même méiose. Nous vérifierons dans le même temps si ce phénomène est généralisable à des pentaploïdes de blé. Notre projet intègre des approches de génétique, génomique, bio-informatique, cytologie, statistique et de cytogénétique afin de mieux définir les causes de variation de la fréquence de CO chez deux espèces cultivées majeures pour l’agriculture française. Les connaissances fondamentales produites dans ce projet multidisciplinaire pourraient avoir un écho rapide en innovation variétale, un regain de variabilité génétique (produit par un surcroît de crossovers intra ou inter-espèces) étant requis pour relever les défis à venir (diversification et qualité des produits, réduction des intrants, réponse rapide au changement climatique, résistance aux maladies).