Génétique quantitative et Evolution - Le Moulon

Le projet Tools4Agri vise à développer de nouveaux outils numériques prédictifs pour améliorer les processus de sélection variétale en végétal et en animal afin d’accélérer la transition des systèmes agricoles. L’ambition est de proposer de nouvelles approches pour prédire des traits multivariés ou longitudinaux d’intérêt dans des populations hétérogènes à partir de variables explicatives de grande dimension, comme des marqueurs génétiques ou des phénotypes intermédiaires peu coûteux comme des spectres proche-infrarouge. Ces approches combineront des méthodes avancées de modélisation mécaniste, de statistique et de machine learning, tout en fournissant des garanties théoriques sur les prédictions. Le consortium interdisciplinaire est composé de chercheuses et chercheurs ayant de fortes expertises complémentaires en modélisation, en statistique et machine learning, ainsi qu’en biologie, physiologie, éco-physiologie et génétique quantitative animale et végétale. Les objectifs consistent à 1) développer des méthodes permettant de prendre en compte des informations biologiques telles que les structures de dépendance complexe entre les traits d'intérêt à prédire et entre les variables explicatives de grande dimension dans des modèles dynamiques à effets mixtes ; 2) proposer des approches prédictives pour des traits d'intérêt multivariés et pour un temps d'intérêt à partir de méthodes de sélection de variables dans des modèles à effets mixtes non linéaires et conjoints en fournissant des garanties théoriques pour les prédictions ; 3) améliorer la qualité de l’inférence et de la prédiction en hybridant des modèles mécanistes génératifs des traits d’intérêt et des approches de machine learning entrainées à partir de données synthétiques supplémentaires. On s’attachera pour chacun des objectifs aux garanties théoriques des méthodes et à leur faisabilité numérique. Les outils développés seront mis en œuvre pour analyser les jeux de données des partenaires du projet.

IPMorama will improve the state of the art in variety-centric Integrated Pest Management (IPM) for important diseases in the wheat (rust pathogens), potatoes (blight) and the grain legumes soybean, pea (broomrape) and white lupin (anthracnose). IPMorama seeks to develop the infrastructure for a whole “practice ecosystem”, whereby the more efficient development of IPM-centric varieties is enabled, while at the same time developing tools and resources to efficiently exploit these in variety-centric IPM. The core innovation of IPMorama is to integrate knowledge of host resistance with the pathogen virulence landscape over space and time, to produce IPM tools (eg crowd source apps, vulnerability maps) and strategies, which will be validated at various scales and in conjunction with different agroecological practices. IPMorama will achieve these goals by enacting the following five components: 1] Understanding the genetic composition of varietal resistance in target crop/pest systems, and development of tools and resources to allow breeders to target the assembly of resistance components. 2] Understanding and mapping the landscape level distribution of the target pathogens/pests, especially in terms of their virulence against the available set of resistance and tolerance genes in varieties and breeding lines. 3] Developing specific integrated pest management practices for the optimal exploitation of pest and pathogen resistance in varieties on the basis of the first two components. 4] Developing the knowledge infrastructure for competent use of variety-centric IPM by actors across the variety-related value chain. 5] Understanding opportunities and barriers for scale-up of variety-centric IPM solutions.

Les éléments transposables (ET) sont des composants ubiquitaires des génomes eucaryotes. D’abord considérés comme de l’ADN ‘poubelle’, ils sont aujourd’hui reconnus pour leurs impacts fonctionnels, notamment via leur capacité à fournir des éléments cis-régulateurs (ECR) contrôlant l'expression des gènes voisins. Bien que certains cas aient été bien décrits, nous manquons d’une compréhension étendue de la contribution des ET à l'évolution des fonctions biologiques, depuis celles impliquées de façon conservée dans les programmes de développement, aux fonctions plus spécifiques à une espèce, dont celles permettant la réponse à l'environnement. Dans SATURN, nous proposons de caractériser la contribution des ET à l’évolution de la régulation de l’expression des gènes chez les plantes, en étudiant 6 espèces présentant une gamme de divergence de 20 à 200 Ma et pour lesquelles des données génomiques et fonctionnelles sont disponibles. Nous visons à : (i) évaluer la contribution des ET aux ECR impliqués dans la régulation du développement et de la réponse à l’environnement, (ii) décrypter comment les ET contribuent à la régulation des fonctions conservées entre espèces, ou importantes pour une espèce, (iii) tester le rôle des ECR dérivés des ET dans la régulation de l’expression génique. SATURN élucidera la contribution des ET aux fonctions qui ont façonné l’évolution et l’adaptation des plantes, en utilisant une approche pluridisciplinaire combinant annotation avancée des ET, génomique comparée, développements innovants en épigénomique et transcriptomique, et validation fonctionnelle in vivo. Il apportera un éclairage nouveau sur les principaux ET impliqués dans l’évolution fonctionnelle des espèces, et sur les fonctions biologiques concernées. L’utilisation d’espèces modèles et cultivées permettra d’apporter des informations utiles à l’amélioration variétale, et des connaissances essentielles pour comprendre la contribution fonctionnelle des ET à l’évolution des espèces.

Dans le contexte d’une alimentation durable, l’innovation pour la qualité des produits fermentés nécessite une meilleure compréhension des procédés fermentaires. En œnologie, les nutriments azotés, dont la composition et quantité dans le moût de raisin varient selon les conditions viticoles, sont essentiels pour les levures réalisant la fermentation et pour la qualité du produit. Des études récentes ont révélé l’importance de l’assimilation des petits peptides par les levures sur l’amélioration du procédé de fermentation et sur la qualité organoleptique du vin. Cependant, la composition de ces petits peptides dans les moûts de raisin, les mécanismes de transport, la régulation, l’impact des facteurs environnementaux ainsi que la diversité intra- et inter-espèces des levures sur la consommation de ces peptides sont mal connus. Nous proposons tout d’abord la mise au point de méthodes innovantes pour identifier et quantifier les petits peptides d’un moût de raisin. Nous examinerons ensuite la diversité de leur transport chez Saccharomyces cerevisiae, en prenant en compte les facteurs environnementaux et leur influence sur la fermentation et la production aromatique. Puis les conditions de milieux et de souches seront choisies afin de déterminer les bases métaboliques de ce transport. L’étude de la production et du transport des petits peptides par les levures non-Saccharomyces de vin permettra d’envisager des ajustements de la composition azotée. Enfin, nous évaluerons l’impact de l’assimilation de ces petits peptides dans les conditions de moût naturel sur le profil aromatique et la qualité sensorielle des vins. L'approche multidisciplinaire de ce projet améliorera la compréhension du rôle des oligopeptides et des levures non-Saccharomyces en œnologie. Le projet vise à proposer des solutions innovantes pour une vinification durable, assurant l'efficacité de la fermentation et la qualité du vin, tout en respectant les considérations environnementales et économiques.

La "peptidomique" fait référence à l'identification exploratoire, à grande échelle, du pool de peptides présents dans un fluide ou un tissu biologique. Ce domaine est en plein essor dans plusieurs secteurs des sciences du vivant, car les peptides endogènes se sont révélés des acteurs essentiels des processus cellulaires et des biomarqueurs potentiels d’un certain nombre de dysfonctionnements ou pathologies. Les peptides non endogènes, qui comprennent notamment les peptides produits par l'ingestion et la digestion de protéines alimentaires, suscitent également un intérêt croissant car ces peptides ont de multiples activités biologiques qui peuvent être bénéfiques pour la santé (ex. antihypertenseurs, antioxydants, anti-inflammatoires), ou au contraire indésirables (ex., allergènes). Les données massives générées en peptidomique sont, jusqu'à présent, traitées avec des logiciels conçus pour la protéomique. Or le peptidome a des spécificités qui le différencient des peptides en protéomique et l’approche comporte donc des risques importants d'erreurs. Notre objectif est de concevoir et de mettre en œuvre des nouvelles stratégies d’identification et de validation des résultats, adaptées aux spécificités de la peptidomique. Notre hypothèse est que la philosophie des approches Open Mass Search (OMS) est prometteuse, même si plusieurs défis restent à relever pour avoir un logiciel performant et fiable mettant en œuvre une stratégie OMS en peptidomique. Le projet propose des développements ambitieux et originaux en ce sens, portant à la fois sur les algorithmes et sur les stratégies de validation. Les avancées sur les deux axes seront appliquées à l’étude de l’allergie alimentaire au chanvre, pour identifier les peptides dérivés du chanvre présentant un risque allergique pour le consommateur. Compte-tenu de leur généricité, les développements ouvriront des perspectives larges dans de nombreux autres domaines de la biologie ayant recours aux approches de peptidomique.

L'adaptation des espèces cultivées au changement climatique et la transformation des systèmes agricoles figurent parmi les principaux défis du XXIe siècle. Cette évolution coïncide aujourd'hui avec une meilleure compréhension scientifique et modélisation des processus végétaux et de leur intégration à toutes les échelles. Ces progrès permettent désormais d'interfacer sciences du numérique et sciences de la vie pour exposer de nouveaux concepts pour l'adaptation des cultures. Afin d'étudier les questions expérimentalement insolubles concernant la sélection des cultures pour l'adaptation au environnements du futur, ce projet fera un bond en avant en créant un environnement numérique interactif coupelant un simulateur pour l'évolution du génome et un autre pour la plasticité des plantes. La preuve de concept sera faite en considérant la date de floraison du maïs, un trait adaptatif clé, chez une espèce modèle cultivée à la pointe des ressources biologiques, de notre compréhension et capacités de modélisation. Des expériences complémentaires dans une plateforme de phénotypage et un réseau d'essais multi-sites seront utilisées pour établir un nouveau formalisme écophysiologique pour la réponse du développement du maïs aux facteurs environnementaux, et pour sa paramétrisation en génétique évolutive. Le système de jumeaux numériques sera utilisé pour comprendre l'interaction entre le génotype et l'environnement, pour répondre à des questions ouvertes sur la nature de la variation phénotypique et pour tester de nouvelles stratégies d'amélioration des plantes. Exigeant une conceptualisation et des connaissances intégratives pour créer un système virtuel avec des processus dynamiques, le projet stimulera la recherche de convergence entre des communautés scientifiques distinctes et fera progresser le domaine en pleine expansion de la biologie numérique.

L'interaction entre les éléments transposables (ET) et leur hôte est l'un des processus co-évolutifs les plus fascinants trouvés dans la nature. La quantification de l'impact des ETs sur la valeur sélective de leur hôte (fitness) est pertinente sur le plan concret, afin d’identifier les bases moléculaires de phénotypes sélectionnés ou d’évaluer le fardeau mutationnel affectant les populations domestiquées ("coût de la domestication"). Le projet proposé ici s’intéresse à l'impact des ETs sur la fitness de l'hôte, en usant du palmier dattier (Phoenix dactylifera) comme modèle. La culture du dattier est d'une importance économique et sociale cruciale au Moyen-Orient et en Afrique du Nord, et sa consommation ne cesse d'augmenter chaque année. Cependant, le dattier est menacé par des sécheresses toujours plus fréquentes et une salinité croissante des sols du fait des changements climatiques en cours. Une caractérisation précise de sa diversité génétique est donc essentielle pour comprendre l'adaptabilité de cette espèce aux pressions environnementales anthropiques. Le projet utilisera des données génomiques pour examiner le rôle des ETs polymorphiques dans la sélection et la différenciation des variétés de palmiers dattiers à travers l'aire de répartition de l'espèce. Deux questions seront examinées en particulier : Quelle est la distribution des effets sur la fitness des ETs chez les palmiers dattiers ? Peut-on en partie prédire cette distribution à partir de données de génomique fonctionnelle telles que les réseaux de régulation de gènes ? Nous développerons et appliquerons de nouvelles méthodes en génomique des populations pour estimer la fraction d'ETs avantageux et délétères. Nous comparerons les résultats avec des annotations fonctionnelles de novo de l'organisation de la chromatine et des réseaux de régulation pour dresser une vue d'ensemble de l'impact des ETs sur une espèce pérenne d'intérêt agronomique majeur pour le développement.

Le changement climatique est responsable de pertes massives de rendements agricoles au niveau mondial. Il est donc urgent d’adapter les variétés cultivées au futur climat. Cependant, les modèles utilisés en amélioration variétale ne sont pas assez puissants pour identifier les génotypes les mieux adaptés à chaque environnement, parce qu'ils n'intègrent aucun a priori sur les bases moléculaires de la réponse des plantes à l’environnement. Au niveau moléculaire, la tolérance des plantes à un environnement est très polygénique, déterminée par un réseau complexe régulant l’expression de gènes participants à plusieurs processus. Sélectionner différentes structures de réseaux dans différents génotypes pourrait donc permettre d'atteindre le même niveau de tolérance à une contrainte. Les éléments cis-régulateurs distaux (ECRd) jouent probablement un rôle majeur dans l'articulation de ces réseaux. Cependant, l’ampleur de la diversité structurale de ces réseaux et de leur impact sur la sélection variétale est inconnue. Ici, j’utiliserai la réponse du maïs au déficit hydrique (DH) comme modèle afin de (1) estimer la diversité des structures de réseaux sous-tendant la tolérance du maïs au DH ; (2) déterminer la façon dont la structure de ces réseaux peut contraindre ou faciliter la sélection ; (3) intégrer ces résultats dans un modèle prédictif. En m’appuyant sur des données déjà disponibles au laboratoire et des approches de pointe en biologie des systèmes des plantes et en génétique des populations, j'explorerai la diversité des réseaux de régulation sous-tendant la tolérance au DH du maïs. Je développerai ensuite un modèle puissant de prédiction du rendement du maïs en condition de DH utilisant ces résultats. Cela permettra d'éclairer le rôle des variations des ECRd et de la structure des réseaux qu’ils articulent dans le déterminisme de la tolérance au DH. Ce sera une étape clef pour préserver le rendement tout en maintenant la diversité génétique des variétés cultivées.

La sésamie, Sesamia nonagrioides, est le 2ème ravageur aérien du maïs en France après la pyrale du maïs. Il s'attaque aux cultures de maïs grain et semence dans le Sud et l'Ouest de la France où il peut causer d’importantes pertes de rendement. C’est une espèce originaire d’Afrique sub-saharienne, où ses chenilles sont parasitées naturellement par l’Hyménoptère Cotesia typhae, spécialisé sur cette sésamie. Ce parasitoïde, non présent en Europe, constitue un agent de lutte biologique à fort potentiel, grâce à sa spécificité, à son succès reproducteur sur des populations européennes de sésamie et à son faible impact environnemental. Le projet BIOCOSMA propose de développer une solution de biocontrôle contre la sésamie à l’aide de lâchers inondatifs de C. typhae au champ. Il s'inscrit dans la continuité du projet ANR Cotebio qui a permis de réaliser les études de biologie nécessaires à la demande d'introduction en France de cet auxiliaire et à sa production de masse au laboratoire. De plus, des expérimentations menées en conditions contrôlées sous serre sur la sésamie française ont montré un fort potentiel parasitaire et une capacité à se maintenir sur 2 générations du ravageur. Chaque année environ 300.000 ha de maïs sont touchés en France avec des dégâts allant jusqu’à 11% de perte de rendement. De plus, les attaques en fin de cycle du maïs augmentent le risque de développement de Fusarium spp. producteurs de mycotoxines impactant la qualité de la récolte. Actuellement, aucune solution de biocontrôle efficace n’est autorisée pour lutter contre la 2ème génération de ce ravageur. Les cultures sont protégées essentiellement par des insecticides chimiques. Disposer de C. typhae pour protéger les parcelles contre la sésamie présenterait deux avantages majeurs pour les producteurs : 1/ appliquée au cours de la première génération de sésamie, cette solution devrait permettre de contrôler la deuxième génération dont les impacts économiques et sanitaires sont les plus importants et 2/ cette solution est complémentaire aux trichogrammes efficaces contre la pyrale du maïs, elle permettra de proposer une stratégie de biocontrôle des deux principaux ravageurs aériens du maïs qui sévissent souvent simultanément. Les étapes clés de la maturation pour que C. typhae puisse être utilisé par les agriculteurs, sont le changement d’échelle de production du parasitoïde et la réalisation d’essais au champ, qui seront guidés par le développement d’un modèle mathématique. Les principales tâches envisagées doivent aboutir en fin de projet à la mise au point d’une stratégie de lutte qui soit efficace, pratique et d’un coût économiquement acceptable par les maïsiculteurs, et respectueuse de l’environnement. En particulier, nous proposons de 1/ optimiser la production de masse du parasitoïde afin d’en disposer en quantité et qualité pour les expérimentations prévues sur 3 campagnes et 2/ de réaliser des lâchers au champ suivant différentes modalités pour estimer leur efficacité sur la réduction de la population de sésamie et de ses dégâts aux cultures, comparativement à des parcelles non traitées. Ces essais au champ seront assistés par modélisation du système ravageur-parasitoïde visant à déterminer la période optimale d’introduction de C. typhae en fonction de la biologie des 2 espèces et des conditions environnementales. Ils permettront aussi de vérifier l’absence d’effets indésirables pour l’environnement. Pour assurer toutes les chances de succès au projet, un consortium multidisciplinaire rassemblant des partenaires privés et publics, spécialistes dans chaque thématique et complémentaires, a été constitué. Il sera formé de Bioline Agrosciences, acteur majeur du biocontrôle pour le portage du projet et les essais terrain ; du centre de recherche appliqué et de développement agronomique Arvalis également pour les études de terrain ; de l’EGCE pour l’élevage de masse, les études de biologie complémentaires ; et de l’GQE pour la modélisation.

LIVESEEDING contributes to the upscaling of organic production in Europe through (i) improving availability of organic plant reproductive material of organic cultivars (Organic Heterogeneous Material, Organic Varieties, landraces) of a large range of crops, bred for improved diversity and adaptation to local conditions, and (ii) strengthening and diversifying the organic seed sector informed by market demands. LIVESEEDING contributes to the transition towards environmentally-friendly, climate-neutral, healthy and fair food systems through further developing (i) cultivars suited for organic and low external input production, (ii) novel governance models linking breeders with value chain actors and citizens with local food production, and (iii) awareness around the importance of biodiversity for our food and health. LIVESEEDING focuses on the main drivers for (i) the supply and demand of organic seed and cultivars, (ii) the supply and demand of food products derived from them, and (iii) enabling frameworks and roadmaps through active policy dialogue with national and European authorities and policymakers by providing science-based evidence and best practice solutions to achieve 100% organic seed. LIVESEEDING addresses the topics in a holistic multi-actor, multi-stakeholder participatory approach involving organic and public research institutes (with proven competencies in breeding, seed multiplication and health, socio-economics, extension and outreach), variety examination offices, private breeders and seed companies, organic production and civil society associations. Additional stakeholders along the value chain are involved in the local Living Labs (LLs) and the established networks of organic breeders (ECO-PB), seed savers (ECLLD) and Milan Urban Food Policy Pact (MUFPP). 15 European countries cover the different pedoclimatic zones and socio-economic contexts, including countries with a low level of development in organic seed and breeding in East and South Europe

Les gènes de résistance aux maladies de type NLR forment l’une des plus grandes et diversifiées familles multigéniques chez les plantes. Malgré son importance pour une agriculture durable, la diversité intra-spécifique des NLR reste très mal connue. Les « receptor-like proteins » (RLP) et les « receptor-like kinases » (RLKs) constituent une autre classe importante de récepteurs immunitaires. En utilisant des approches de pointe (RenSeq et RLP/KSeq combinées avec un séquençage à lecture longue sur un panel de diversité) EGERI vise à: i) définir le pan-NLRome et le pan-RLP/Kome d’une légumineuse d’intérêt agronomique, le haricot commun (Phaseolus vulgaris L.) et à ii) étudier le processus de coévolution au niveau moléculaire chez des haricots sauvages. De plus, en combinant les approches RenSeq-RLP/KSeq et de génétique d'association, EGERI vise à: iii) identifier des gènes candidats (NLR ou RLP/K) du haricot conférant une résistance à l'anthracnose et à la rouille asiatique du soja, l'une des maladies les plus dommageables du soja, pour son transfert chez le soja.

Les variations structurales sont une source majeure de diversité génétique et un matériau important pour la sélection, notamment pour l’adaptation des espèces. Comprendre les relations entre variants structuraux et innovations fonctionnelles représente ainsi une question majeure en biologie évolutive. Chez les espèces allopolyploïdes, qui sont fréquentes chez les angiospermes et en particulier chez les espèces cultivées, les échanges entre chromosomes homéologues (i.e. entre les sous-génomes constitutifs), appelés HEs pour Homoeologous Exchanges, représentent une source importante de variants structuraux. Pourtant, la distribution de ces évènements à l'échelle du génome et la diversité fonctionnelle qu’ils génèrent restent mal connues, alors qu’ils auraient joué un rôle majeur dans le succès évolutif de l’allopolyploïdie chez les plantes. Dans le projet EDIn, nous allons développer un ensemble d'analyses intégrées en vue de faire avancer les connaissances sur les causes et les conséquences des HEs, depuis les mécanismes responsables de leur formation jusqu'à leurs effets sur l'expression des gènes et du génome, sur la dynamique de la chromatine et la variation phénotypique des plantes, chez le colza (Brassica napus). Notre projet, basé sur l’exploitation d’un matériel végétal très original et conçu spécialement pour notre étude, combiné à des approches multi-omiques de pointe, abordera des questions fondamentales dans le contexte de l’allotétraploïdie du génome cultivé du colza. EDIn est composé de trois workpackages. WP1 a comme objectif de caractériser très finement les produits de recombinaison inter-homéologue, et de construire un modèle de prédiction de leur réalisation, modèle qui devrait s’avérer utile lors de la gestion en sélection variétale des introgressions au sein d’hybrides cultivée x apparentée sauvage. L’objectif de WP2 est d’évaluer de manière globale les conséquences des HEs sur l’expression des gènes à l’échelle du génome mais aussi à un niveau populationnelle. En particulier, il s’attachera à caractériser l’impact des HEs sur les réseaux de régulation de gènes, ce qui représentera la première étude détaillée de ce type chez une espèce cultivée allopolyploïde. WP3 a comme objectif d’établir la causalité fonctionnelle de HEs spécifiques en développant une approche originale de génétique d’association, et de caractériser leur impact sur la réorganisation des environnements génomique et épigénomique. De manière très originale, WP3 permettra d'étudier les changements de l'épigénome et la réorganisation de la chromatine que l'introgression de chromatine étrangère issue d’une HE peut entrainer. Les résultats attendus devraient donc s'avérer utiles pour développer des connaissances et des méthodes à exploiter dans le cadre de l'amélioration et la diversification des espèces cultivées allopolyploïdes, notamment pour la gestion de leur diversité génétique et des ressources génétiques associées. Cette recherche sera menée par un consortium de scientifiques de renom qui apportent une expertise, un savoir-faire et/ou des installations très complémentaires, permettant ainsi une compréhension plus complète de l'impact des échanges entre homéologues sur le fonctionnement d’un génome allopolyploïde. L'un des aspects originaux de ce consortium est son lien direct avec l'enseignement supérieur, ce qui représente une excellente occasion d'enseigner aux étudiants l'impact socio-économique de la recherche publique et de former de futurs chercheurs dans les domaines de la recombinaison, la génomique, l’épigénétique, l’organisation et la dynamique de la chromatine, pour l’amélioration des plantes.