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végétales

Ressourcesgénétiques

GénomiqueBiotechnologies

végétales

numéro 1 - mai 2001

AGROPOLISLES DOSSIERS

Compétences de la communauté scientifique

Cet ensemble à vocation d’Université agronomique internationale

représente un potentiel de compétences scientifiques et techniques

exceptionnel : 3000 chercheurs, enseignants et techniciens dans plus

de 200 unités de recherche à Montpellier et en Languedoc-Roussillon,

ainsi que 600 scientifiques à l’étranger répartis dans 60 pays.

S’appuyant sur ses pôles de compétences thématiques, Agropolis apporte

des réponses aux grands enjeux scientifiques, technologiques et écono-

miques du développement :

• Gestion de la biodiversité et valorisation des ressources génétiques,

• Approche intégrée des systèmes agraires et du développement,

• Gestion durable des ressources naturelles et lutte contre la faim,

• Transformation agro-alimentaire en liaison avec les problèmes

de nutrition, de qualité et de sécurité des aliments.

Lieu de capitalisation et de valorisation des savoirs, espace de forma-

tion et de transfert technologique, plate-forme d’accueil et d’échanges

internationaux, Agropolis développe des actions d’expertise collective

et contribue à fournir des éléments scientifiques et techniques permet-

tant l’élaboration et la mise en place de politiques de développement.

Agropolis,pôle international de recherche et d’enseignement

supérieur agronomiques

Agropolis associe les institutions de recherche etd’enseignement supérieur

de Montpellier et duLanguedoc-Roussillon,

en partenariat avec les collectivités territoriales,

des sociétés et entreprisesrégionales, en liaison avec des

institutions internationales,autour d’un objectif

principal : le développementéconomique et social

des régions méditerranéenneset tropicales.

som

mai

reLa satisfaction des besoins alimentaires et l’amélioration

qualitative des productions agricole et agro-industrielle,

souhaitées par les consomma-teurs, passent par l’obtention de

variétés nouvelles, adaptées à dessystèmes de production écono-mes en ressources naturelles et

respectueux de l’environnement.Pour produire ces variétés, les

chercheurs disposent aujourd’huid’une gamme d’outils diversifiésassociée à une connaissance de

plus en plus fine du fonctionne-ment de la plante. Les possibilitésd’amélioration variétale sont plus

grandes que jamais.

Au sein d’Agropolis, plus de 400personnes, dont environ 300

scientifiques, chercheurs et ingé-nieurs, sont impliqués dans l’étu-

de des ressources génétiques, dela génomique et des biotechnolo-

gies végétales. Dans l’espace derecherche européen qui se déve-loppe, le pôle Agropolis apparaît

ainsi comme une référence enmatière de génomique végétale,

tout particulièrement pour ce quiconcerne la recherche de solu-

tions aux facteurs limitant lesproductions en zones méditerra-

néennes et tropicales. Les acteursde cette recherche travaillent

dans divers organismes membresd’Agropolis : Agro.M, Cirad,

CNRS, INRA, IRD, Université deMontpellier et Université de

Perpignan.

Ce “Dossier Agropolis” présenteles grands axes de recherches

menées au sein du pôle, avec desexemples significatifs visant à

illustrer les compétences de lacommunauté scientifique

concernée.

Page 4“Mieux connaître, conserver et utiliser les ressources génétiques” Serge Hamon

Page 29“Interactions plantes-parasites :des perspectives pour la protection intégrée”Jean-Loup Notteghem

Page 8“Génomique appliquée aux caractères agronomiques” Jean-Christophe Glaszmann

Page 12“Génomique et développement des plantes” Michel Delseny

Page 16“La Génopole Montpellier Languedoc-Roussillon” Michel Delseny

Page 18“Adaptation des plantes à des environnementsperturbés” Claude Grignon

Page 22“Biologie du développement des plantespérennes” Françoise Dosba

Page 26“Construire des plantes résistantes à la sécheresse ?” François Tardieu

Page 32“Diffusion de l’innovation : de la recherche à ses applications” Jacques Meunier

Page 36“La formation à Agropolis”André Charrier

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Les ressources génétiques de très nombreusesplantes ne peuvent être conservées dans lesconditions classiquement utilisées dans lesbanques de gènes (stockage de semences déshy-dratées en chambres froides). En effet, soit lessemences de ces plantes ne supportent pas ladéshydratation et/ou le froid (par exemple lescaféiers), soit elles sont multipliées végétative-ment (telle la vigne). Pour toutes ces espèces,la cryoconservation, c’est à dire le stockage de

matériel végétal vivant à très basse température (-196°C), estla seule technologie disponible pour la sauvegarde à long termede leur diversité. Les recherches entreprises au sein de l’UMRDGPC dans le cadre de cette problématique visent tant à lamise au point de méthodes de cryoconservation utilisables enroutine dans les centres de conservation qu’à l’étude desmécanismes biophysiques et physiologiques sous-jacents.Contact : Stéphane Dussert, stephane.dussert@mpl.ird.fr

Températures plus que polaires pour conserver les graines récalcitrantes

d’intérêt agronomique nécessairesaux programmes d’amélioration :résistance aux maladies, à la séche-resse, à une mauvaise qualité dessols, ou encore, facteurs d’une crois-sance accélérée, d’un rendementsupérieur, d’une meilleure qualiténutritive…

Pour pouvoir exploiter efficacementet de manière raisonnée la diversitégénétique des plantes cultivées et deleurs apparentées sauvages, il estnécessaire d’en avoir au préalable unebonne connaissance et de maîtriserles outils permettant le transfert de

’essentiel des progrès que ferala recherche agronomiquepour mettre au point des

variétés nouvelles, plus productiveset de meilleure qualité, dans le cadred’une agriculture plus soucieuse del’environnement viendra d’une utili-sation correcte et responsable de labiodiversité mais aussi de sa conser-vation et de sa compréhension afinde préserver l’avenir. En agriculture,il s’agit notamment de ce qu’onappelle les ressources génétiques,ensemble des espèces végétales culti-vées et sauvages qui peuvent servirde réservoir pour trouver les gènes

Pour répondre aux besoinsd’une agriculture durable,

plus respectueuse de l’environ-nement et capable d’assurer

la sécurité alimentaire d’unepopulation mondiale qui

atteindra 8 milliards d’habi-tants en 2020, la recherche

agronomique doit continuer àproduire de nouvelles variétés.

L’intensification de la produc-tion agricole, durant la

deuxième moitié du 20ème

siècle, a entraîné une réduc-tion sensible du nombre des

espèces utilisées par l’hommeet une perte de leur diversitégénétique, avec pour consé-

quence l’augmentation de la vulnérabilité des cultures aux

maladies et ravageurs.

L’équipeL'Unité mixte de recherche “Diversitéet Génome des Plantes Cultivées”(UMR DGPC) est composée de 50chercheurs provenant des diversesinstitutions, Agro.M, Cirad, INRA,IRD et Universités de Montpellier.Responsable : Serge Hamon, IRD,

serge.hamon@mpl.ird.frfax : +33(0)4 67 41 62 22

Des graines de caféconservées à -196°C

Mieux connaître, conserver et utiliser

les ressources génétiques

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caractères d’intérêt agronomique. Lesrecherches menées par l’UMRDiversité et génome des plantes culti-vées (DGPC) visent à étudier les res-sources génétiques des plantes tropi-cales et méditerranéennes dans uneoptique double d’utilisation en amé-lioration des plantes et de conserva-tion.

De la diversité desplantes au repéragedes gènes…Jusqu’au début des années 90, lesrecherches menées sur la diversitégénétique ont utilisé une approchedescriptive, privilégiant les aspects"évolution" et "histoire" des ressources.Cette approche a conduit les cher-cheurs à collecter de très nombreusesespèces et variétés de plantes et à lesorganiser en collections. Elle a égale-ment permis d’acquérir une bonneconnaissance des complexes d’espècesque forment les plantes cultivées avecleurs apparentées sauvages, de leurstructuration en sous-ensembles, et

des flux de gènes se produisant entreces différents compartiments.

Depuis quelques années, ces recherchessont marquées par une approcheplus fonctionnelle, orientée vers l’étude des mécanismes qui contrôlentet caractérisent la diversité et versl’exploration du génome.L’amélioration des outils de la biologiemoléculaire et l’utilisation de plantesmodèles permettent aujourd’hui detravailler au niveau des gènes quicontrôlent les caractéristiques agro-nomiques. Ces outils permettent unemise en évidence de la diversité desgènes (allèles), leur localisation et l’étude de leur expression dans diversfonds génétiques ou environne-ments.

Les caractères agronomiques, prioritai-res pour le sélectionneur, sont parfoisdifficiles à évaluer et leur déterminismegénétique est souvent complexe. Lesoutils moléculaires et les techniquesde marquage permettent de repérer leszones chromosomiques comportant leou les gènes impliqués dans l’expres-sion d’une caractéristique d’intérêt.Les même outils peuvent ensuite se

transformer en outils efficaces de cri-blage et d’aide à la sélection.

La sélection assistée par marqueurs apour principe l’association de mar-queurs moléculaires à une caractéris-tique agronomique précise. Elle permetde s’assurer qu’un hybride issu ducroisement entre une plante cultivéeet une plante sauvage a bien récupéréle ou les gènes qui contrôlent l’expression de la caractéristiqueagronomique recherchée et ceci demanière très précoce, dès le stadeplantule. Cette technique évite depasser par des tests en champs ou encondition contrôlée, comme parexemple ceux pour les résistancesaux maladies, qui sont difficiles,coûteux et longs à réaliser. •••

Grâce à sa qualité nutritionnelle et à ses nombreuses proprié-tés, l’huile de tournesol intéresse les consommateurs et lesindustriels. Naturellement riche en acide linoléique et en vitami-ne E dont le pouvoir anti-oxydant protège contre le vieillisse-ment et le stress, dépourvue d’acide linolénique (ce qui permet

une utilisation sans danger à haute température), contenant desphytostérols dont l’effet contre le mauvais cholestérol a étédémontré… l’huile de tournesol possède un certain nombre dequalités que l’on ne retrouve pas à l’identique chez les autresoléagineux. Les recherches menées dans le cadre de l’UMRDGPC visent à mieux exploiter la qualité de ces huiles à travers,d’une part, la recherche, dans les formes sauvages d’Helianthusannuus, de nouvelles sources d’amélioration et, d’autre part, lamise au point de nouvelles variétés de tournesol.Les objectifs sont :- de produire des huiles aussi riches que possible en acide linoléique ou acide oléique, afin d’être en mesure de réaliser desmélanges qui puissent répondre à la demande ;- d’augmenter la teneur en vitamine E de manière à ce que les consommateurs puissent trouver les doses quotidiennesrecommandées dans de faibles quantités d’huile (comme celle pré-sente, par exemple, dans une portion de vinaigrette pour salade) ;- d’augmenter la quantité et la qualité des phytostérols.Contact : André Bervillé, berville@ensam.inra.fr

Utiliser des espèces sauvages pour améliorer la qualité des huiles

Des huiles de tournesol de meilleure qualité

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Mieux connaître, conserver et utiliser les ressources génétiques

Savoir conserver les ressources génétiques…Pour pouvoir répondre aux besoinsprévisibles et imprévisibles de l’agri-culture de demain, il est indispensa-ble de conserver des ressources lesplus diversifiées possibles. Le soucide préserver de manière exhaustiveles ressources s’est traduit au coursdes trois dernières décennies par laconstitution de collections ex situ,dans lesquelles la diversité estconservée hors du milieu naturel,généralement sous la forme desemences placées en chambre froide,mais également sous forme de plan-tes vivantes au champs (dans le cas,notamment, des plantes pérennes).Les core collections, dont le principeest de représenter la diversité d’unecollection à travers un nombre réduitde plantes, permettent de faciliter lagestion et l’utilisation des collectionsde base.

Ces méthodes de conservation sesont avérées très utiles mais ellesprésentent un certain nombre d’in-convénients :- elles " figent " la diversité,- elles ne sont pas adaptées aux espè-ces à semences non-orthodoxes,- elles peuvent être exposées à desaléas climatiques ou parasitaires.En effet, ces méthodes ne permettentpas au matériel conservé de co-évo-luer en même temps que son milieu ;ainsi, après 20 ou 30 ans, les plantesde ces collections risquent de ne plusêtre en mesure de faire face aux nou-veaux stress de l’environnement.Ensuite, un certain nombre de plan-tes, notamment d’origine tropicale,supportent mal la conservation enchambre froide.

Des chromosomes de couleur

pour connaître l’origine des espèces

La cytogénétique moléculaire est développée pour étudier lastructure des génomes. La FISH (Fluorescent In Situ Hybridization)

permet de localiser des séquences précises qui seront marquéespar fluorescence directement sur les chromosomes. La GISH

(Genomic In Situ Hybridization) permet de différencier les chromo-somes des espèces parentales chez les hybrides interspécifiques.

Ces techniques sont particulièrement utiles chez les plantes cultivées possédant

un nombre important de chromosomes(polyploïde) et/ou les plantes d’origine

hybride interspécifique, ou dont l’exploi-tation des ressources génétiques

implique des hybridations interspécifiquescomme la canne à sucre, le bananier, le

caféier, le citrus ou le cotonnier.Les techniques plus fines d'hybridation de

BAC (Bacterial Artificial Chromosome) surchromosomes et sur fibre d'ADN déroulé

viennent assister la cartographie physique et en particulier lestravaux de clonage positionnel de gènes d'intérêt agronomique.

Contact :Angélique D’Hont, angelique.dhont@cirad.fr

Cépages : une diversité parfois difficile à identifier

Des techniques policières pour identifier les cépages

La vigne est une espèce très diversifiée puisque 5000 à 6000cépages ont été répertoriés dans le monde. Le conservatoire

du domaine INRA de Vassal représente la plus grande collectionde vigne au monde : elle maintient environ 2300 cépages

identifiés et un millier de cépages en cours d'identification.Les chercheurs de l'INRA procèdent à l'analyse de la diversitégénétique de cette collection à l'aide de marqueurs molécu-

laires (microsatellites et marqueurs chloroplastiques). Cesanalyses ont pour objectif principal la caractérisation et la

gestion des ressources génétiques de la vigne. Des empreintesgénétiques vont être développées pour l'ensemble des cépages.

Les résultats de l'analyse d'un premier sous-échantillon ontpermis de démontrer l'utilité de ces empreintes :

- pour une aide à l'identification : l'analyse de l'ADN extrait defeuilles, de bois, de racines, ou encore de rafles peut permettre

l'identification sans ambiguïté d'échantillons inconnus,- pour l'analyse de l'origine des cépages actuels: il a ainsi été

démontré que des cépages prestigieux tels Chardonnay,Gamay,Aligoté étaient issus de pépins obtenus par un croisement naturel entre les cépages Pinot et Gouais.

Contact : Patrice This, this@ensam.inra.fr

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La fluorescence permetde reconnaître les

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Enfin, les semences perdent peu àpeu leur pouvoir germinatif et doi-vent être régulièrement régénérées,ce qui représente une contrainteimportante en termes de coût et demain d’œuvre.

Deux alternatives approfondies parl’UMR DGPC apportent chacune dessolutions à ces divers inconvénients :- la conservation des plantes dansleur milieu naturel, ou conservationin situ, a pour objectif de conserverleur diversité mais surtout de mainte-nir leurs capacités d’évolution et d’a-daptation. C’est en étant soumisesaux contraintes de l’environnement(maladies, ravageurs…) et en restantau contact d’autres individus aveclesquels elles peuvent interagir etéchanger du matériel génétique, queces plantes peuvent continuer à"créer", de manière dynamique, de ladiversité ;- la cryoconservation, c’est-à-dire lestockage du matériel à une tempéra-ture ultra-basse, généralement cellede l’azote liquide (-196°C), est la seuletechnique qui puisse assurer auxsemences récalcitrantes une conser-vation à long terme et à coût réduit.

la qualité "à la tasse" (arôme) chez les caféiers, la qualité des huiles (sta-bilité de la teneur en acide oléique)chez les tournesols ;- les sources de résistance aux maladiescomme celles liées aux virus (ex : levirus de la panachure jaune du riz),aux champignons (ex : l’oïdium de lavigne ou la fusariose chez le palmier àhuile…) mais aussi aux parasites ani-maux (ex : les nématodes chez le riz, lebananier et les solanées ou certainesespèces vectrices de viroses graveschez la vigne). La recherche de sourcesde résistance et l’étude des interac-tions plantes-pathogènes visent à l’i-dentification de résistances les plusdurables possibles ;- l’évaluation des risques liés aux fluxde gènes (risques de pollution géné-tique et de diffusion de transgène)qui pourraient se produire entre lesvariétés nouvelles et des plantes setrouvant au voisinage de leur lieu deculture.

Elle pourrait également être appli-quée à la conservation de bourgeonsde plantes à multiplication végétative.

Répondre auxbesoins de demainLes recherches menées sur les res-sources génétiques par les chercheursde l’Agro-Montpellier, du Cirad, del’INRA, de l’IRD et de l’Université deMontpellier préparent les réponsesaux besoins futurs de l’ensemble desacteurs de la chaîne agro-alimentaire,du producteur au consommateur, eny intégrant, pour les espèces tropica-les, les besoins et les contraintes de l’agriculture des pays du Sud.De plus en plus, les recherches s’orientent vers l’étude de la "diversitéd’expression", c’est-à-dire vers unemeilleure compréhension des déter-minants génétiques de la diversité etdu fonctionnement des gènes. Grâce au développement d’outils derecherche plus performants, uneapproche de plus en plus fine et précisedu génome est entreprise. Les recher-ches menées par l’UMR DGPC s’orientent principalement vers troisgrands types d’applications :- la qualité des produits avec, à titred’exemples, des applications sur laqualité de la baie et l’apyrénie(absence de pépin) chez la vigne,

La relance du caoutchouc naturel passe par la résistance à un champignonLa culture de l’hévéa est fondée sur des plantations indus-trielles et villageoises de variétés sensibles à la maladie sud-américaine des feuilles, provoquée par le champignonMicrocyclus ulei. Après plus d’un demi-siècle d’efforts, lesrecherches pour l’obtention de variétés qui soient à la fois

résistantes à cette mal-adie et à haut rendementen latex ont échoué. Dece fait, l’Amérique latine,bien que région d’originede l’hévéa, ne réaliseaujourd’hui que 1 % de laproduction mondiale decaoutchouc naturel.Pour connaître le déter-minisme génétique desrésistances identifiéesdans les ressources géné-tiques amazoniennes, leschercheurs du Cirad ont

développé l’approche cartographie du génome appliquée àl’analyse des QTL (Quantitative Trait Loci) ou zones chromoso-miques impliquées dans la résistance.Les résultats originaux obtenus ont conduit à infirmer leshypothèses antérieurement retenues sur l’origine génétiquede la résistance des hévéas à la maladie des feuilles. On saitmaintenant que :- le déterminisme génétique de cette résistance, qu’elle soitpartielle ou totale, est de type complexe, " multigénique "(elle est contrôlée par plusieurs gènes) ;- 8 QTL de résistance ont été identifiés sur 7 chromosomes- 1 QTL à effet majeur est commun à toutes les variétésd’hévéa et aux deux types de résistance, partielle et totale.Ces travaux permettent de disposer des connaissancesindispensables à la définition d’une stratégie d’amélioration,ainsi que de nouveaux outils pour la sélection de variétésrésistantes à Microcyclus ulei.Contact : Marc Seguin, seguin@cirad.fr

Aider le Brésil à devenir un grand producteur de caoutchouc

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Le bananier est une herbe géante quipeut mesurer de 1,5 à 8 mètres. Lesfruits des bananiers cultivés (culti-vars) sont les seuls à être consom-més. Ils sont dépourvus de graines,alors que les fruits des bananiers sau-vages contiennent des graines d'envi-

ron 5 mm de diamètre (photo). Les cultivars se divisent en deuxsous-groupes : celui des bananes douces (ou bananes dessert) etcelui des bananes à cuire, parmi lesquelles les plantains occupentune place prépondérante.Les cultivars, d’origine interspécifique, sont classés selon leurniveau de ploïdie (nombre de chromosomes) et la contributionrelative des espèces Musa acuminata (génome A) et Musa balbisia-na (génome B) aux caractéristiques du clone considéré.Toutes lesformes sauvages acuminata et balbisiana sont diploïdes, 2n=2x=22.

Il existe six groupes génomiques principaux :AA,AAA,AB,AAB,ABB,ABBB. A côté de la contribution (doses différentes) engénomes A et B, on sait qu’il existe également des translocations,des échanges et des inversions au sein de chacun des deux géno-mes, sans qu’on en connaisse précisément l’importance. La dispo-nibilité de grands fragments d'ADN, associée à l'hybridation insitu sur chromosomes (FISH, Fluorescent In Situ Hybridization), doitpermettre de caractériser les variations de structure des géno-mes chez le bananier. Une banque BAC (Bacterial ArtificialChromosome) faite à partir du cultivar Calcutta 4 (AA) est utiliséedans cette perspective. Ces recherches devraient permettre demieux comprendre la structure relative des cultivars de bana-niers, l’impact des translocations sur leur diversité et d’ouvrir denouvelles perspectives d’amélioration.Contact : Pierre Lagoda, pierre.lagoda@cirad.fr

Une banque BAC pour l’étude de la structuredes chromosomes de bananier

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comme cela est fait sur une vingtainede plantes méditerranéennes et tropi-cales faisant l'objet d'études spéci-fiques.

La génomique repose sur les progrèsrécents de la biologie moléculaire quiont permis la mise au point de touteune gamme de méthodes d’investiga-tion nouvelles et l’amélioration de laprécision des méthodes existantes.

Cartographie etséquençage des génomes• La cartographie génétique a pour objetla localisation, sur une carte, des facteursgénétiques responsables de certainscaractères agronomiques intéressants(comme la résistance à une maladie ouun critère de qualité technologique de laplante, par exemple) à travers un balisa-ge par des marqueurs moléculaires.

chématiquement, la génomiquetrouve différents prolonge-ments qui servent la connais-

sance et l'amélioration des plantescultivées : • la physiologie moléculaire, qui per-met de mieux comprendre comments'élaborent les caractères d'intérêtagronomique en s'appuyant sur lagénomique fonctionnelle, • le brassage génétique, qui permet decréer de nouvelles variétés en s'ap-puyant sur une meilleure représenta-tion cartographique des agencementsdes facteurs utiles (contrôlant descaractères agronomiques) le long desgénomes. Appliquée aux caractères agrono-miques, la génomique se décline selon :• des caractères génériques, qui peu-vent être étudiés sur des plantesmodèles comme le riz (plante modèlepour les monocotylédones), • des caractères spécifiques qui doi-vent être étudiés sur les différentesespèces d'intérêt agronomique,

L’amélioration génétiquerepose sur une meilleure

compréhension des caractéris-tiques et du fonctionnement

d’une plante individuelleainsi que sur une perception

plus fine de la diversité présente dans les ressources

génétiques des espèces cultivées. En tant qu’ensemble

de technologies visant à caractériser les gènes et leur

fonction, la génomiquedevrait largement contribuer

à accéder à ces avancées.

L’équipeL’unité mixte de recherche

" Génomique appliquée aux caractè-res agronomiques " (UMR GACA)

est composée de 13 chercheurs provenant de l’Agro.M, du Cirad

et de l’INRA.Responsable : Jean-Christophe

Glaszmann, Cirad, jean-christophe.glaszmann@cirad.fr

fax : +33 (0)4 67 61 56 05

La génomique appliquéeaux caractères

agronomiques

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Des bananes sauvages à graines pour améliorer les espèces cultivées

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La fibre de coton est la fibre naturelle la plus utilisée par l'in-dustrie textile. C’est une structure unicellulaire qui se dévelop-pe à partir de cellules épidermiques du tégument de la graine.À l'heure actuelle, on dispose de très peu de données molécu-laires qui permettraient d'établir une corrélation entre l'expres-sion de gènes et l'élaboration de la qualité technologique desfibres (longueur, ténacité, résistance à l’allongement…). Il estaujourd’hui possible d’identifier quels gènes sont à l’origine desdifférentes qualités de fibres chez divers mutants, variétés etespèces de cotonniers. Pour ce faire, on réalise des patronsd’expression d’ADNc (ADN complémentaire) et d’EST(Expressed Sequence Tag) pendant la phase de développementdes fibres du cotonnier ; ceci permet de déterminer quelssont les gènes impliqués dans cette caractéristique agrono-mique et, pour chacun d'entre eux, d'identifier les allèles qui ysont favorables. Il sera ainsi possible de repérer des gènesimportants dont l'expression déterminera in fine la qualitéintrinsèque de la fibre, et éventuellement d'assigner à ces gènesune fonction biologique. Les gènes candidats ainsi identifiésconstituent donc des gènes d'intérêt agronomique et peuventégalement être testés en cartographie génétique dans le cadrede l'analyse de QTLs (Quantitative Trait Loci) impliqués dans laqualité technologique des fibres.Contact : Marc Giband, marc.giband@cirad.fr

Qualité de la fibrechez le cotonnier

Pour réaliser ces cartes, on produit uneou des descendance(s) par croisementscontrôlés puis on analyse les descen-dants, d’une part au moyen de mar-queurs moléculaires, d’autre part pardes évaluations agronomiques auchamp. Cette caractérisation moléculai-re permet de construire une carte géné-tique détaillée du génome de l'espèce.Une cartographie génétique plus fine,reposant sur l’analyse de plus grandesdescendances, vient ensuite encadrerces facteurs génétiques d'assez prèspour pouvoir passer à la cartographiephysique. Tout ceci sous-entend d’avoir accès àdes ressources génétiques, à des terrainsd'expérimentation et à des laboratoiresainsi qu’une capacité à produire desdescendances en ségrégation.• La génomique structurale seconcentre sur l'organisation physique

du génome sous forme de chromoso-mes portant des séquences de typesdivers, parmi lesquelles les gènesconstituent la cible principale desrecherches.- la cartographie physique du géno-me consiste à construire une répliqued’un génome entier sous la forme degrands fragments d’ADN clonés (àl’intérieur des bactéries dans le casdes clones BAC, Bacterial ArtificialChromosome), et ordonnés les unspar rapport aux autres. Cette carto-graphie sert en particulier à traduireune carte génétique -qui localise deszones du génome impliquées dansl’expression de caractères particu-liers- en fragments d’ADN quicontiennent les gènes contrôlant cescaractères. Elle trouve son applica-tion typique avec le clonage position-nel (voir page 11 " Synténie et marche

chromosomique parallèle chez les gra-minées ") des gènes d’intérêt agrono-mique. Elle sert également à récupé-rer la version complète de gènesdétectés au moyen de leur séquencetranscrite, les EST ou ExpressedSequence Tags ;- le séquençage systématique dugénome donne accès à tous les gènesqui font une plante, c’est-à-dire entre20 et 50.000. Ce type d'informationest produit sur quelques plantesmodèles par de grands groupesindustriels ou des réseaux de labora-toires, à l'exemple de l'Arabidopsis etdu riz. Les laboratoires de la régionLanguedoc-Roussillon ont participé àla mise en place d'une telle initiativeen France pour le chromosome 12 duriz (voir page 16 "La Génopole deMontpellier et LanguedocRoussillon"). •••

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Quels gènes contrôlent les qualités

technologiques du coton (longueur,

ténacité, résistance…)?

Le génome du riz comprend environ 30 000 gènes dont la moi-tié n’a pas de rôle encore connu. La fonction de l’ensemble desgènes sera sans doute élucidée par l’analyse d’une grande popu-lation de plantes affectée aléatoirement dans chacun de sesgènes par l’insertion d’un mutagène, petite séquence qui constitue un outil de repérage et d’isolement des gènes (sorte d’ “étiquette moléculaire”).Dans le cadre de l’initiative nationale de génomique végétaleGénoplante (voir p. 16), une équipe pluri-institutionnelle Cirad-CNRS-INRA-IRD / Université de Perpignan basée à Montpellier,crée une collection de mutants d’insertion de riz de taille suffi-sante (100 000 individus) pour que chaque gène ait une bonneprobabilité d’être interrompu au moins une fois par un mutagè-ne insertionnel, ici l’ADN-T issu d’Agrobacterium tumefaciens.La collection de mutants sera progressivement criblée sousdiverses contraintes en environnement contrôlé (serre deconfinement, phytotrons) afin d’identifier des plantes présentantune modification de leur morphologie, de leur physiologie oude leur tolérance vis-à-vis de contraintes environnementales etpermettant ainsi d’isoler les gènes affectés intervenant dans lecontrôle du caractère (génétique directe). Par ailleurs, lesséquences du génome adjacentes aux sites d’insertion del’ADN-T obtenues à partir de chacun des mutants et rassem-blées au sein d’une base de données permettront d'étudierprécisément la fonction de tout gène dont on connaît la

séquence mais pasle rôle, par recher-che puis évaluationdu mutant cor-respondant affectédans la séquence(génétique inverse).Cette ressourcepermettra d’isolerdes gènes du rizintervenant dans lesprocessus fonda-mentaux de lamorphogénèse végé-tale (architecture,floraison, embryoge-nèse…) et dans la tolérance aux agressions biotiques (maladies et ravageurs) et abiotiques (sécheresse,salinité, carence ou toxicité minérale..). La localisation de cesgènes sur des cartes moléculaires conduira à la compréhensiondu contrôle des caractères à déterminisme complexe et à ren-forcer considérablement l’efficacité de l’amélioration variétaledu riz et des céréales en général (blé, orge, maïs, sorgho…).Contact : Emmanuel Guiderdoni,emmanuel.guiderdoni@cirad.fr

Riz : des mutants pour identifier la fonction des gènes

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Caractériser la fonction des gènes• La génomique fonctionnelle vise àcaractériser l'expression du génomeet son intégration dans l'élaborationdes grandes fonctions métaboliques.- la mutagénèse insertionnelle (voirci-dessus " Riz : des mutants pouridentifier la fonction des gènes") per-met de créer des mutants en insérantau hasard, dans le génome, un seg-ment d’ADN repérable. Lorsquecelui-ci s’intègre dans un gène, il enaltère la fonction et provoque lamodification du caractère correspon-dant donc une mutation. Le gènemuté est localisé grâce à l’élément inséré, et sa fonction estidentifiée grâce au caractère affecté.Cette technique est développée surdifférentes plantes modèles(Arabidopsis, Medicago truncatulapar exemple) ; les équipes deMontpellier se concentrent sur le rizcomme modèle pour les graminées ;- le séquençage partiel de gènesexprimés (Expressed Sequence Tags

ou EST) permet la caractérisation de“patrons” d’expression du génome.L’analyse des ARN extraits sur certainsorganes de plantes cultivées, dansdes conditions données et à unmoment donné, permet d’obtenirune image de l’ensemble des gènesqui s’expriment dans ces conditions.Parmi ces gènes se trouvent certainsgènes d'intérêt agronomique que l’onsouhaite cloner. En fonction decaractéristiques de séquence ou depatrons d'expression, on pourra attri-buer à certains de ces EST une fonctionhypothétique qui en fera des "gènescandidats". Ceci est actuellementdéveloppé sur les plantes modèles etcommence à s'étendre aux principa-les plantes d'intérêt agronomique.La caractérisation des fonctions pré-cises des gènes candidats, identifiésgrâce aux approches de la génomique,fait intervenir plusieurs étapes : - la transformation génétique permetde tester l’effet d’un gène ou d’uneséquence candidate sur le phénotyped’une plante, grâce à son insertion ausein du génome et/ou à la modifica-

tion de son expression dans la plante;- l'évaluation fine du matériel trans-formé est nécessaire pour appréciertoutes les facettes de la fonction d'ungène. Elle met en jeu des outils debiologie cellulaire et moléculaire etde physiologie. Ces technologies, appliquées àquelques plantes modèles et à unegamme de plantes cultivées pluscomplexes, conduisent à développerdes ponts entre les génomes. Ainsi, laconservation au fil de l'évolution decertains éléments de l'organisationgénérale des génomes, comme lasimilitude de la répartition des gènesentre chromosomes (conservation dela "synténie", voir ci-contre" Synténie et marche chromosomiqueparallèle chez les graminées ") ou lacolinéarité entre les chromosomeshomologues, permet des transfertsd'information entre plusieurs espè-ces. C'est toute une dynamique col-lective que la génomique produit,rapprochant les équipes auparavantspécialisées sur des plantes cultivéesdifférentes.

Identification d’un gène exprimédans les vaisseaux conducteurs de la fleur de riz (en bleu)

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isLa génomique appliquée aux caractères agronomiques

Canne à Sucre

Séquencesrépétées (■ )

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BAC

Riz

Polyploïdie

Le riz sert de raccourci pour marcher d'un marqueur à un gène cible sur lesgénomes beaucoup plus grands des autres Poacées grâce aux banques BAC

gène cible

microsynténie?microcolinéarité?

La famille des graminées (Poaceae) est remarquable par laconservation, chez les espèces qui la composent, de la structurede base des génomes. On parle de conservation de la synténie(répartition des gènes entre chromosomes) et de colinéaritéentre chromosomes homologues. On observe ce phénomènemalgré une grande diversité du format des génomes qui estliée, d’une part, à la fréquence de séquences répétées anonymes(sans fonction déterminée) et, d’autre part, au niveau de ploïdie(nombre d'exemplaires des chromosomes de base présentsdans les cellules). Ce parallélisme permet la transposition d'informations entre les espèces et la confection de ressourcesanalytiques et biologiques communes. Le riz, qui possède legénome le plus simple des Poaceae, représente l'espèce modèle.

Son génome est en voie d'être séquencé. Des banques degrands fragments d'ADN, constituées dans des BAC (BacterialArtificial Chromosomes) ont été construites pour les principalesespèces comme le riz, le sorgho, la canne à sucre ou le blé.Cet ensemble permet de constituer un dispositif efficace pourentreprendre l'analyse génomique de caractères comme larésistance aux maladies, la qualité du grain, l'architecture de laplante ou la tolérance à la sécheresse.Contact : J.-C.Glaszmann,jean-christopheglaszmann@cirad.fr

Les recherches conduites sur le blé dur et le blé tendre visentà améliorer la qualité des produits à base de céréales (pâtes ali-mentaires, pains, biscuits…) et à fournir de nouveaux outilspour l’amélioration variétale, comme les marqueurs moléculaires.Les stratégies mises en place consistent essentiellement à iden-tifier les protéines impliquées dans un caractère donné, à lescaractériser au niveau biochimique et ainsi à obtenir des don-nées pour isoler les gènes codant ces protéines. Il devient alorspossible d’étudier ces gènes (régulation, structure), de les localisersur des cartes génétiques et/ou de les utiliser comme marqueursen sélection.

Dans le cadre duprogramme nationalGénoplante, uneapproche géno-mique est actuelle-ment développée :100 000 EST(Expressed SequenceTag) seront produitsà partir de différen-tes banquesd’ADNc (complé-mentaire) issuesd’ARNm (messager)extraits de grainesen cours de matura-

tion. L’objectif est demettre en évidence tou-tes les protéines de la

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graine qui sont impliquées dans la qualité des blés et égalementd’utiliser ces EST pour des programmes de cartographie géné-tique en vue de mettre en évidence des QTL (Quantitative TraitsLoci) utilisables en sélection.Le système thiorédoxine pour améliorer la qualité boulan-gère des variétés de blé qualifiées d’impanifiablesDes études spécifiques sont réalisées sur des protéines ayantun rôle important dans la valeur d’utilisation des blés : c’est lecas notamment du système thiorédoxine. Ce sont les protéinescontenues dans la farine qui sont responsables des propriétésviscoélastiques d’une pâte à pain. Il a été montré que les protéi-nes de réserve (gliadines et gluténines) étaient les constituantsmajeurs du gluten qui est ce que l’on obtient après pétrissaged’une pâte sous un mince filet d’eau.En fonction des propriétés rhéologiques de ce gluten, onobtiendra des pains plus ou moins développés après fermenta-tion. Si de nombreuses liaisons chimiques interviennent, un rôletout particulier est attribué aux liaisons disulfures. Elles joue-raient en effet un rôle essentiel dans l’élasticité de la pâte. Or, lesystème thiorédoxine NADP-dépendant (un système enzyma-tique) est capable de réduire les ponts disulfures des protéinesde réserve mais aussi d’autres petites protéines particulière-ment riches en ponts disulfures. L’action de ce système permetdonc de générer des groupements –SH libres qui peuvent alorsse réoxyder en créant des liaisons inter-protéines, facilitant ainsila formation du réseau et contribuant à l’élasticité de la pâte.L’addition contrôlée des différents éléments de ce systèmethiorédoxine permet donc d’améliorer la qualité boulangère devariétés qualifiées d’impanifiables.Les différentes composantes de ce système font l’objet d’étudesbiochimiques et moléculaires. Plusieurs isoformes ont été obte-nues ainsi que des ADNc correspondant aux acteurs du système.Les protéines correspondantes sont produites chez des hôteshétérologues afin d’étudier leurs structures et leurs fonctions.Contact : Philippe Joudrier, joudrier@inra.ensam.fr

Gènes, protéines du grainet qualité des blés

Synténie et marche chromosomique parallèle chez les graminées

Connaître les protéines intervenant dans la qualité des blés pour développer de nouveaux outils d’amélioration variétale.

Fréderic de Lamotte, © UBBMC-INRA

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Le ribosome est un organite cellulaire qui assure la biosynthèsedes protéines. Son bon fonctionnement est largement respon-sable de la productivité de la cellule végétale. Il est composéd’ARN ribosomique et de 80 protéines distinctes. L'essentieldes travaux a porté jusqu'à présent sur l'analyse de la matura-tion des précurseurs des ARN ribosomiques. Des complexes

ribonucléoprotéiques impliqués dans la maturation de cesprécurseurs ont été caractérisés et les protéines ont étépurifiées et microséquencées de manière à cloner lesgènes correspondants.Ainsi, il a été montré que certainesde ces protéines se liaient au promoteur de plusieursgènes de protéines ribosomiques, suggérant l'existenced'une régulation intégrée de leur synthèse. Des progrèssont en cours dans cette analyse grâce à l’identification systématique, dans les données brutes du génomed'Arabidopsis, des gènes des protéines ribosomiques, ceuxdes protéines impliquées dans les complexes mis en évi-dence et des gènes des snoARN (small nucleolar RNA)responsables de la modification des ARN ribosomiques.Contact : Manuel Echeverria, manuel@univ-perp.fr

Biosynthèse du ribosome

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L’une des spécificités de cette équipeest d’associer au sein d’un mêmelaboratoire des chercheurs maîtrisantla plupart des aspects de la génomiqueet des chercheurs intéressés à l’analysede processus de développement ou à la dissection de mécanismes biochi-miques et cellulaires fondamentaux.

Etudier les premiers stades de développementdes plantesLe domaine privilégié est celui del’embryogenèse, de la formation de lagraine et de sa maturation, théma-tique qui constitue un enjeu impor-tant pour l’industrie semencière etl’agriculture (suite page 14). •••

epuis sa création, le laboratoi-re de l’Université de Perpignans’intéresse à l’analyse molécu-

laire du développement des plantes.Cette approche l’a amené, dès ledébut des années 80, à acquérir etdévelopper l’ensemble des technolo-gies qui ont conduit à la génomique.C’est ainsi que le laboratoire a jouéun rôle pionnier dans le démarragedes projets sur Arabidopsis thalianaen France, espèce qui demeure leprincipal modèle d’étude en raisondes avantages qui lui sont attachés :connaissance de la totalité de laséquence du génome, existence detrès nombreux mutants permettantde disséquer les voies métaboliques,programmes de développement,réponses aux stimuli environnemen-taux et mécanismes de base de lamachinerie cellulaire, possibilité demettre en œuvre des approches géné-tiques directes ou inverses.

Comprendre comment unegraine se forme et acquiert sa

longévité et sa vigueur germinative, comment la

productivité en protéine estcontrôlée par le ribosome,

comment le potentiel oxydo-réducteur contrôle le cycle

cellulaire, la croissance et l'adaptation des plantes à leur

environnement… autant dequestions que la génomique et lagénétique moléculaire permettentaujourd’hui d'appréhender dans

toute leur complexité.

L’équipeL’unité mixte de recherche

" Génome et Développement desPlantes " (UMR GDP) est constituée

de 17 chercheurs provenant duCNRS et de l’Université de

Perpignan .Responsable : Michel Delseny, UP,

delseny@univ-perp.fr,fax : +33 (0)4 68 66 22 24, site :http://syrah.univ-perp.fr/lgdp

Génomique et développement

des plantesF

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Visualisation de lafibrillarine fusionnée àla GFP par fluorescence

dans des cellules d’oignons transformés

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Les thioredoxines sont des enzymes capables d'ouvrir les pontsdisulfures des protéines et ainsi de contribuer à la régulation deleur conformation et donc de leur activité. Le premiergène de thioredoxine cytosolique végétale a étéisolé dans notre laboratoire par criblage diffé-rentiel d’ADNc (complémentaires) cor-respondant, à partir des ARN messagersexprimés très précocement lors de ladédifférenciation de protoplastes detabac. L'activité d'un deuxième gène dethioredoxine de tabac a été mise enévidence lors de la reprise de la divisioncellulaire lorsque les protoplastes detabac sont mis en culture. Ceci a permisde montrer ainsi l'implication de ces pro-téines dans la régulation du cycle cellulaire.La découverte de copies multiples de gènesde thioredoxines dans le génome d'Arabidopsis aconduit à leur analyse systématique selon plusieursangles : quel est le rôle de chacun des gènes dans différents pro-cessus cellulaires ?

Quelles sont les cibles des différentes thioredoxines ? Quelssont les domaines fonctionnels des thioredoxines qui leur

confèrent leur spécificité ? Sur toutes ces questions, legroupe a réalisé des avancées très significatives : il

a été démontré que les différentes thioredoxi-nes présentent une spécialisation soit dans

l'assimilation du sulfate, soit dans lecontrôle du cycle cellulaire, soit dans laréponse au stress oxydatif et en parti-

culier aux pathogènes.Plusieurs mutants d'in-sertion ont été obte-nus, mais aucun n'a

révélé de phénotype évident : ceci sug-gére que l'altération d'un gène pourrait

être compensée par l'expression d'unautre, voire par l'expression de gènes d'une

autre famille de redoxine comme les glutare-doxines.

Contact :Yves Meyer, ymeyer@univ-perp.fr

Rôle des thioredoxines dans la cellule végétale

Deux plantes modèles repré-sentent les deux grandes divi-sions chez les plantes supé-rieures (monocotylédones etdicotylédones). Elles ont étéchoisies pour étudier de façonsystématique la structure et lafonction des génomes végé-taux.Pour les dicotylédones, laplante modèle est Arabidopsisthaliana. On dispose depuis lafin 2000 de la séquence com-plète de son génome. Le profil

d'expression des gènes a également été étudié par l'obtention, àpartir de banques d'ADNc (ADN complémentaire), d'étiquettes(ESTs, Expressed Sequence Tags) identifiant chacune un gène quiest exprimé à un moment donné dans la vie de la plante.Néanmoins, seuls des ESTs correspondant à la moitié des gènesd'Arabidopsis sont disponibles ; de plus, on ne peut proposer unefonction que pour environ 60% des quelque 25000 gènes. Uneanalyse de la structure de ce génome par bio-informatique per-mettra de déterminer la localisation et la structure de tous les

gènes de la plante et d’identifier les éléments qui contrôlentleur expression. Il est également possible de proposer unefonction aux gènes, ceci à travers la création de mutants (parinsertion d'un fragment d'ADN au hasard dans les gènes) etl’observation du ou des caractères qui sont affectés par lamutation. L'équipe de Perpignan participe à l 'ensemble de cesprojets depuis 1992.Les techniques développées pour étudier Arabidopsis sont trèsutiles pour analyser la structure et l'expression du génome duriz, plante modèle des monocotylédones.Ainsi, la séquencecomplète de ce génome devrait être disponible en 2003.L'ordonnancement des clones de grands fragments d'ADN, uti-lisés pour le séquençage, nous a permis de fournir au CentreNational de Séquençage les points de départ pour le séquença-ge du chromosome 12. Des banques d'ADNc sont en cours depréparation pour l'étude de l'expression des gènes et de leurstructure, tandis qu'une analyse systématique des mutants d'in-sertion est effectuée pour déterminer la fonction des gènes. Cetravail est réalisé sur le cultivar qui a été choisi par l'ensembledes partenaires du projet international de séquençage.(voir page 10 " Riz : des mutants pour identifier la fonction desgènes”)Contact : Richard Cooke, cooke@univ-perp.fr

Alain Got,© Univ. de Perpignan

Arabidopsis thaliana, plantemodèle pour les dicotylédones

Structure d’une thiorédoxine cytosolique

d’Arabidopsis thaliana

J.M. Lancellin,© Univ. de Perpignan

Etudier les plantes modèles

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Les deux grandes questions poséessont, d’une part d’identifier le rôle etla fonction des gènes impliqués dansl’embryogenèse précoce et la formationdu patron de l’embryon et, d’autrepart, de déterminer quel est le rôledes protéines impliquées dans lamaturation de la graine et leur régu-lation. Ces recherches donnent lieu àdes développements technologiques :recherche de promoteurs, contrôlede l’expression des gènes de façonconditionnelle, manipulation desteneurs en protéines ou lipides deréserve.

Etudier le déterminisme génétiquedes processus biochimiques fondamentauxUne autre préoccupation est de com-prendre comment des mécanismestels que l’ouverture et la fermeturedes ponts disulfures des protéinescontribuent au contrôle du cycle cellulaire et aux réponses aux stressoxydatifs chez les plantes. Dans cetteperspective; le groupe se livre à uneanalyse systématique des gènes deredoxine, à l’étude de leur régulation,et à la recherche des protéines ciblesdes thioredoxines.

Le dernier volet d’activité porte surl’analyse d’un processus fondamentalde la cellule : la biosynthèse du ribo-some et la coordination de la synthè-se de ses différents constituants,

L’embryogenèse des plantes à fleurs se découpe en trois parties :l’embryogenèse précoce au cours de laquelle se forme l’embryon, la maturation de la graine avec synthèse et

accumulation des réserves de protéines, lipides et carbohydrates,et la dessiccation, quand la graine perd une grande partie de

son contenu en eau et entre en dormance.Ces trois aspects sont étudiés à l’UMR GDP.

Embryogenèse précoce : ce thème est abordé par l’analysegénétique de " mutants d’embryogenèse ", appelés embryo-defec-tive (emb) chez Arabidopsis. La collection de mutants d’insertiond’ADN-T de l’INRA est criblée pour identifier des plantes quirenferment des graines avortées dans leurs fruits. Ces grainesn’ont pas pu achever leur formation à cause de la disruption

d’un gène essentiel (gène EMB). Grâce à l’étiquette (ADN-T), onpeut identifier et étudier le gène lésé responsable de la mutation.

Une demi-douzaine de gènes EMB essentiels aux premières divisions des cellules de l’embryon ont ainsi été caractérisés.

La maturation : après avoir répertorié les principales protéi-nes de réserve de la graine chez Arabidopsis, l’équipe s’intéresse

à présent aux gènes codant pour des enzymes de la voie debiosynthèse des lipides. Cette étude se fait principalement sur

le colza et concerne les gènes d’élongases et d’acyltransférasesqui contribuent à la formation des triglycérides.

La dessiccation : les protéines LEA (Late EmbryogenesisAbundant) sont synthétisées en grande

quantité lors de la dessiccation de la grai-ne. Un de leurs rôles serait de maintenirun environnement de survie aux cellules.

Un inventaire des protéines LEA a toutd’abord été dressé. Ensuite, un effortimportant a été réalisé sur un de ses

membres, la protéine Em1. En utilisant legène Em1 comme outil, le gène ABI5, un

activateur de l’expression des gènes LEA, aété isolé dans notre laboratoire. Nous

essayons de comprendre les interactionsentre ABI5 et les autres régulateurs des

LEA.Contacts : Martine Devic, Université de Perpignan, devic@univ-perp.fr et

Michel Delseny, Université de Perpignan,delseny@univ-perp.fr

La génétique pour mieux comprendre

les mécanismesde l’embryogénèse

Génomique et Développement des Plantes

Mise en évidence d'un gène impliqué dans le

développement de la graine

Jocelyne Guilleminot, © Univ. de Perpignan

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ARN ribosomiques et protéines ribo-somiques. Ces approches ont été largement développées au niveaubiochimique avec l’identification deprotéines régulatrices de la maturationdu précurseur d’ARN ribosomiques.L’ambition, maintenant que le génomed’Arabidopsis est entièrementséquencé, est de comprendre commentles différents éléments sont intégréset corégulés et comment la redon-dance fonctionnelle est gérée encréant sans doute une hétérogénéitédes ribosomes entre différents stadesphysiologiques.

Des recherches enconstante évolutionSi, au plan de l’analyse du génome,l’essentiel des efforts de l’UMR DGPa porté sur Arabidopsis avec une par-ticipation au programme d’obtentiond’EST (Expressed Sequence Tags), et au programme de séquençagegénomique, il s’oriente maintenantvers l’analyse fonctionnelle en utilisantlargement l’étude des mutants, et vers l’analyse de l’architecture etde l’organisation du génome (présencede larges duplications, familles multi-géniques, annotation…).L’expérience acquise sur Arabidopsismontre que l’étude des génomesvégétaux au niveau séquence est pos-sible. Le laboratoire entreprend doncde diversifier son activité dans cedomaine et, en collaboration avecd’autres équipes de la région, au seinde la Génopole Montpellier-Languedoc-Roussillon ou deGénoplante (voir page suivante) ouencore d’équipes étrangères, il meten place des projets nouveaux degénomique portant sur le riz, lemanioc et d’autres espèces.

Le virus de la panachure jaune(Rice yellow mottle virus,RYMV) est une maladie viraleen forte expansion depuis les20 dernières années, consécu-tivement à l’intensification dela riziculture irriguée enAfrique. Le développement derésistances variétales est laseule solution envisageablepour lutter contre cet agent

pathogène. Depuis sa découverte, les recherches se sontconcentrées sur le virus lui-même (structure, cycle viral, variabi-lité sérologique et moléculaire) et sur les résistances naturellesqui pourraient être exploitées en amélioration des plantes.Ainsi, l’étude du cycle infectieux a permis de décrire, à l’ILTAB1,les différentes étapes et les caractéristiques du mouvement duvirus dans la plante. Les techniques de cryomicroscopie et decristallographie2 ont permis de déterminer la structure tridi-mensionnelle du virus avec une extrême précision. Ces infor-mations fournissent maintenant un cadre d’interprétation trèsutile pour mieux comprendre, d’une part, les bases moléculairesdes interactions entre la protéine de l’enveloppe du virus et lesprotéines de l’hôte et, d’autre part, leurs conséquences sur lavariabilité de la pathogénéicité du virus. Les collaborations avecl’ADRAO3 en Côte d’Ivoire ont permis d’étudier précisémentdifférentes sources naturelles de résistance à ce virus au seindes deux espèces de riz cultivées en Afrique4. La cartographieet le marquage génétique ont permis de localiser ces gènes derésistance (ou les QTLs) sur les chromosomes du riz.Les outils de la génomique permettent aujourd’hui d’envisager demanière réaliste le clonage positionnel de ces gènes de résistanceet d’étudier plus précisément leur fonction. Ces gènes de résis-tance naturelle sont transférés par sélection assistée par mar-queurs en collaboration avec l’ADRAO. Leur clonage permettrad’évaluer la diversité existante dans les collections de riz, decaractériser d’autres interactions hôte-virus comme la toléranceet de simuler en laboratoire le contournement possible de cesgènes de résistance pour anticiper ainsi la durabilité des résistan-ces lorsqu’elles seront déployées à plus grande échelle. Enfin,comme le riz est une plante modèle pour étudier la génomiquefonctionnelle des céréales, les interactions moléculaires Riz-RYMV constituent probablement aussi un modèle pour explorerles interactions hôte-virus chez les autres céréales.Les travaux menés sur l’étude du virus de la panachure jaunesont un exemple de recherche multidisciplinaire réalisée parplusieurs équipes à Montpellier avec des collaborations interna-tionales et qui permettent d’aboutir à des résultats importantsaussi bien sur le plan connaissance fondamentale qu’applicationconcrète pour le développement.(1)ILTAB : International Laboratory for Tropical Agriculture Biotechnology, USA.(2) Collaboration avec l’ILTAB et le Scripps Research Institute.(3)ADRAO :Association pour le Développement de la Riziculture en Afrique de l’Ouest(4) Oryza sativa et Oryza glaberrima

Contact :Alain Ghesquière, alain.ghesquiere@mpl.ird.fr

Interactions et résistances naturelles au virus de la panachure jaune du riz

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3 images du virusde la panachure

jaune du riz A- par microscopie

electroniqueB- cryomicroscopie

et reconstructiond'image

C- cristallographie

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Les Génopoles ont été conçues en France dans le but de mettre encommun et à la disposition des différentes équipes d’une même régiontravaillant dans le domaine de la génomique, des équipements com-plexes performants. Ce regroupement des forces et des moyens doitparticiper à l’essor national et européen des études de génomique etde post-génomique.

La Génopole Montpellier Languedoc-Roussillon recouvre une qua-rantaine de laboratoires impliqués dans des travaux de génomique,tant végétale que microbienne, animale ou humaine. Elle est une despremières à avoir été créées en France et a eu, dès le départ, uneorientation végétale clairement affichée.

Outre la mise en place d’outils de recherche, la Génopole a pourobjet de permettre l’émergence d’enseignements nouveaux dans ledomaine de la génomique et de favoriser la création d’entreprises debiotechnologie à forte valeur ajoutée.

Les investissements déjà réalisés portent sur l’acquisition de :- robots, machines à séquencer ou à génotyper d’ADN,- moyens de calcul informatique,- plate-formes de réalisation et de lecture de puces à ADN,- complément d’appareillages pour l’analyse des protéines par spec-trophotométrie de masse,ainsi que sur la réalisation de serres de confinement pour les plantestransgéniques.

Plusieurs plateaux techniques sont déjà opérationnels :- atelier de robotique génomique- sites de séquençage à moyenne échelle (≅ 5Mbp/an)- analyse du transcriptome- analyse du protéome- bio-informatique- biologie structurale.

D’autres plateaux techniques (génotypage des plantes, analyse desouris transgéniques et analyse des interactions protéines-protéineset protéines-acides nucléiques) se mettent en place progressivement.Dans le domaine du végétal, plusieurs grands projets de séquen-çage sont en cours, principalement sous forme d’EST (ExpressedSequence Tag) sur les espèces tropicales (riz, palmier à huile,manioc), sur un champignon et sur une algue. Quelques régionsd'intérêt du génome du riz sont également séquencées. Plusieursbanques BAC (Bacterial Artificial Chromosome) sont en cours deconstruction. Les projets d’analyse fonctionnelle portent surtoutsur les mutants d’Arabidopsis et de riz mais l’obtention d’EST àpartir de nombreux génomes va permettre l’essor des program-mes d’analyse du transcriptome. Les études de protéomique sontégalement développées.Contact :Michel Delseny, Université de Perpignan, delseny@univ-perp.fr

Réunir secteurs publicset privés pour une plusgrande performance :le programme GénoplanteGénoplante est un programme national associant despartenaires publics (Cirad, CNRS, INRA et IRD) ainsi quedes partenaires privés (Aventis Crop Science, Biogemma etBioplante). Plus centré sur les grandes cultures que le pro-gramme régional de la Génopole Montpellier Languedoc-Roussillon, Génoplante est un vaste programme qui a pourvocation de doter la France d’un dispositif global, cohé-rent et compétitif pour l’étude des génomes végétaux et lavalorisation de ces travaux. Les objectifs sont de stimulerla recherche et la créativité en génomique et de mettre aupoint des semences de qualité répondant davantage auxattentes des consommateurs et des agriculteurs.Les programmes couvrent un champ allant des ressourcesgénétiques à l’analyse génomique des espèces végétales.Les plantes autour desquelles les travaux sont axés sont,d’une part, Arabidopsis et le riz, en tant que plantes modè-les, et, d’autre part, les grandes espèces cultivées en Europe :maïs, colza, blé… Les laboratoires de la région Languedoc

Roussillon, très impliquésdans ces thématiques,participent activement à ceprogramme, en particulier àtravers des travaux derecherche sur le riz.Contact :Michel Delseny,delseny@univ-perp.fr

La GénopoleMontpellier

Languedoc RoussillonQuand l’union fait la force

Le riz, plante modèle pour les monocotylédones

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des équipementsperformants misà la dispositiondes chercheursen génomique

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L’expérience d’unenouvelle forme de partenariat : la plate-forme Agropolis La plate-forme Agropolis sur la génomique et les biotechnolo-gies végétales pour le Sud fait travailler ensemble, dans uncadre européen d’expertise et de compétence reconnues etau sein d’infrastructures très bien équipées, des chercheursfrançais, des chercheurs des CIRAs (centres internationaux derecherche agricole) et des chercheurs du Sud. Cette plate-forme permet la conduite de recherches de pointe nécessai-res pour consolider plus spécifiquement les activités derecherche agricole pour le développement des pays du Sud.

Elle s’inscrit dans un contexte particulièrement favorablepuisque Montpellier et sa région participent déjà à deux pro-jets d’envergure dans le domaine de la génomique et des bio-technologies végétales : la Génopole et Génoplante.

Le concept de plate-forme crée les conditions d’une nouvellemise en commun de ressources humaines et de moyens,pour un objectif global, une mission partagée. Il se situe à l’in-terface entre la recherche faite au Sud dans les structuresnationales et les CIRAs, et la recherche de pointe des institu-tions du Nord. Expérimenté aujourd’hui dans le domaine desbiotechnologies végétales, son succès permet d’envisager d’etendre le concept à d’autres domaines de recherche, pourrépondre aux vœux exprimés par plusieurs partenairesnationaux et internationaux du Sud.Contact :Yves Savidan,Agropolis, savidan@agropolis.fr

Séquençage du génomed’Arabidopsis thaliana : l’arabette n’est pas celleque l’on croyait …Espèces taille du génome

(paires de bases)

Arabette 1.0 x 108

Riz 4.2 x 108

Tomate 1.0 x 109

Maïs 2.5 x 109

Blé 1.6 x 1010

La Génopole de Montpellier-Languedoc-Roussillon et l’équipede Michel Delseny, ont participé au projet international deséquençage d’Arabidopsis, en contribuant notamment auséquençage du chromosome 3. L’arabette des dames(Arabidopsis thaliana), avait été choisie comme plante modèleparce qu’elle présente, pour l’expérimentateur, toute une séried’avantages – petite taille, croissance rapide, cycle reproductifcourt, et surtout petite taille du génome.A ce sujet, on pensaitque la différence observée avec d’autres plantes (voir tableau)connues pour avoir des génomes bien plus grands serait dueessentiellement au fait que les gènes de l’arabette existent encopie unique, au contraire des espèces à plus grand génome. Leséquençage a montré, au contraire, qu’au moins 70% des gènesde l’arabette sont dupliqués (cf. carte ci-dessous). L’espècecontiendrait moins de 15.000 gènes différents sur les 26.000gènes séquencés. Il s’agit maintenant d’identifier la fonction dechacun d’entre eux ainsi que le rôle joué par chacune des pro-téines dont ils permettent la synthèse. Le séquençage n’estqu’une étape mais elle ouvre des perspectives sans précédent,notamment pour l’étude de la diversité des espèces et son utili-sation en amélioration et sélection variétale.

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Carte des régions dupliquées dans le génome d’Arabidopsis

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borations avec des équipes d’écophy-siologistes et de pédologues spéciali-sées dans l’étude des interactionsplante-milieu, la dimension biologieintégrative est bien représentée dansl’UMR. L’UMR B&PMP s’est dotée d’une pa-noplie d’outils permettant unedémarche cohérente de physiologiemoléculaire, allant de l’identificationd’un gène jusqu’à l’élucidation de safonction in planta, en passant par lafonction moléculaire de la protéinequ’il code et les lieux et conditions deson expression (voir page 21 " Des gènes… pour quelles protéines ? ").

Ces approches utilisent :- divers systèmes d’expression hété-rologue de gènes de plante (levure,ovocyte de batracien, cultures de cel-lules d’insecte et de mammifère) ;- les méthodes de la génétique inverse(transformation génétique de plantesavec des gènes rapporteurs, sur etsous expresseurs, dissection de pro-moteurs et collections de mutantsdisruptés) ;- une variété de techniques physio-logiques (flux de traceurs isoto-piques, électrophysiologie in vivo,analyses spectroscopiques destransports in vitro en systèmesreconstitués, microsonde à pressionpour le transport d’eau, etc.)

es recherches menées dansl’UMR B&PMP (Biologie etPhysiologie Moléculaire des

Plantes) visent à identifier les basesgénétiques et moléculaires de l’adap-tation des plantes à des facteurs telsque la salinité, la disponibilité del’eau, l'excès de métaux toxiques oula déficience en éléments minérauxnutritifs. Cette thématique généraleidentifie l’UMR B&PMP sur la cartenationale et européenne des forcesde recherche en physiologie molécu-laire des plantes.

Une approche globale : du gène à la protéineQuatre mots-clefs définissent le posi-tionnement stratégique de l’UMRB&PMP : génétique moléculaire,physiologie moléculaire, biologie inté-grative et génomique fonctionnelle.Toutes les recherches menées utilisentla discipline-outil appelée génétiquemoléculaire, c’est-à-dire le clonage degènes et l’étude de leur expression.Elles ont pour objectif d’affiner lesexplications des mécanismes physio-logiques, en les amenant au niveaumoléculaire (voir ci-contre " Clonagedu premier gène de transporteur… ").

La discipline-objet est la physiologiemoléculaire. Les différentes équipescomplètent leurs démarches molécu-laires par des approches de biochi-mie, de biophysique ou de physiolo-gie pour élucider les fonctions desgènes. Parmi les mécanismes étudiés,beaucoup dépassent l’échelle cellu-laire et s’inscrivent à l’échelle de laplante : à travers des approches dephysiologie moléculaire et ses colla-

Les contraintes environne-mentales liées au climat et à

la qualité des sols constituentle principal facteur limitant laproduction végétale à l’échellemondiale. Une grande diversitéde tolérances à ces contraintes

existe entre les espèces et lesvariétés. Dans la plupart descas, chaque individu disposed’une panoplie de variantes

de ses programmes géné-tiques. Face à chaque type de

contrainte, la plante est capablede sélectionner, dans cet

ensemble, des programmesgénétiques de rechange dont

l’expression permet unemeilleure adaptation aux

nouvelles conditions. Cetteaptitude à utiliser des signaux

environnementaux pourpiloter l’expression du génome

est une spécialité du mondevégétal, connue sous le nomde plasticité phénotypique.

L’équipeL'unité mixte de recherche

"Biochimie et Physiologie Moléculairedes Plantes " (UMR B&PMP) rassem-

ble près de 40 chercheurs provenant del’Agro.M, du CNRS, de l’INRA et de

l’Université Montpellier II.Responsable : Claude Grignon,Agro.M, grignon@ensam.inra.fr,

fax : +33 (0)4 67 52 57 37

Adaptation desplantes à des

environnementsperturbés

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Une forte implication dans les initiatives nationales de génomiqueLa génomique se différencie de lagénétique moléculaire par le caractèreglobal de ses approches, à l’échelle del’ensemble du génome des organis-mes. Dans le secteur végétal, l’UMRB&PMP est un acteur majeur de l'effortnational de génomique fonctionnelle.Cette discipline est un outil pour com-prendre la complexité physiologique.Par exemple, les approches globales del’expression des gènes révèlent les

grandes fonctions physiologiquesmobilisées lors des étapes du dévelop-pement ou dans les réponses à dessituations environnementales don-nées. Appliquées à la comparaison demutants, ces approches révèlent lesinteractions du gène muté avec sonenvironnement cellulaire. Dans l’UMRB&PMP, plusieurs programmes sontbâtis sur ces principes: - un atelier national de protéomique yest implanté ;- plusieurs approches différentes destranscriptomes y sont développées(membranes à ADN et SAGE, SerialAnalysis of Gene Expression) ; - toutes les équipes participent à l’exploitation systématique de collec-tions de mutants d’insertiond’Arabidopsis.

En permettant d’accéder aux détermi-nants moléculaires des fonctionsphysiologiques, la génomique fonc-tionnelle ouvre de larges perspectivesde valorisation des connaissances bio-logiques. Avec une quinzaine de pro-grammes de génomique fonctionnelle,dont la majorité concerne l'espècemodèle Arabidopsis thaliana, l’UMRest fortement impliquée dans laGénopole de Montpellier et dans leprogramme national Génoplante (voirpage 16). Des programmes de transfertdes acquis vers les espèces cibles,comme par exemple la vigne ou lemaïs, sont en cours. •••

La physiologie moléculaire est largement basée sur desapproches de génétique directe (du phénotype au gène) etinverse (du gène au phénotype). Une illustration de cettestratégie est offerte par le clonage récent chez le maïs dupremier gène de transporteur de complexe fer-sidérophore.Les besoins en fer des plantes sont relativement élevés, maisl’insolubilité de la forme ferrique dominante dans de nom-breux sols limite la disponibilité de cet élément essentiel.C’est l’origine du jaunissement des feuilles appelé chlorose

ferrique.Alors que les racines de dicotylédones réduisent lefer ferrique en fer ferreux puis absorbent ce dernier, les raci-nes de graminées utilisent un autre mécanisme : elles sécrè-tent des molécules (sidérophores) capables de complexer lefer ferrique en solution et absorbent le complexe entier. Ceprocessus, qui assure la disponibilité du fer ferrique pour lestransporteurs membranaires, permet aux graminées de résis-ter efficacement à la chlorose ferrique. Chez le maïs, la muta-tion YS1 correspond à la perte de l’aptitude à absorber lecomplexe fer-sidérophore, et se traduit par des zones chloro-tiques sur les feuilles. L’analyse génétique d’une collection demutants de maïs créée par insertion d’un transposon a per-mis de repérer des individus homozygotes dans lesquels lephénotype chlorotique est associé à la présence du transpo-son. L’exploration des séquences génomiques voisines dutransposon a conduit à l’identification du gène YS1 qui codeun polypeptide ayant, au niveau structural, les apparencesd’un transporteur d’ions. La capacité de cette protéine àtransporter le complexe fer-sidérophore a été vérifiée parcomplémentation d’une souche de levure mutante incapabled’absorber le fer. Effectivement, le gène YS1 de maïs restaurel’aptitude de la levure à se développer sur un milieu à faibleteneur en fer, uniquement si cet élément est apporté avec lesidérophore. Le gène YS1 s’exprime dans les racines et lesfeuilles. Il est induit par la carence en fer, ce qui explique queles plantes déficientes en fer aient une capacité accrue detransport du complexe fer-sidérophore.Contact : Jean-François Briat, briat@ensam.inra.fr

Clonage du premier gène de transporteur de complexe fer-sidérophore de plante

Dans ce champ de soja, seul le plant de sorgho échap-pe à la chlorose ferrique

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Electrophysiologie

J.-B. Thibaut, © UMR B&PMP

Adaptation des plantes à des environnements perturbés

Un environnementscientifique favorable : l’Institutdes ProductionsVégétalesLes objectifs de recherche et les straté-gies expérimentales de l’UMR B&PMPla positionnent au centre d’un groupede trois UMR de Montpellier, aux acti-vités complémentaires, inscrites dansun continuum d’approches allant del’analyse des ressources génétiques àl’écophysiologie du développementdes plantes. Ce groupe, appelé Institutdes Productions Végétales, est consti-tué des UMR B&PMP, LEPSE(Ecophysiologie des Plantes sousStress Environnementaux, voir page26), et BDPPC (Biologie duDéveloppement des Plantes PérennesCultivées, voir page 22). Leur présencesur le même campus constitue uneopportunité unique en France pourcombler le fossé qui existe entre lesaspects génétiques, moléculaires etcellulaires et l'expression globale auniveau de la plante entière dans son environnement.

L’étude des signaux qui informent la racine des besoins nutritionnelsdes parties aériennes offre une illustration des démarches de

physiologie moléculaire. Dans cet exemple, une planted’Arabidopsis est carencée en azote parce qu’une moitié de son

système racinaire est placée sur un milieu dépourvu de cet élément. L’autre moitié des racines, placée sur milieu contenant

du nitrate, est correctement alimentée en azote. Néanmoins, ellereçoit des parties aériennes des signaux de carence qui se

traduisent par l’induction d’un gène codant un transporteur spécifique de nitrate. Cette induction est visualisée par hybridation

des ARN messagers racinaires avec une sonde correspondant àce gène. Des mesures d’influx de nitrate marqué par

l’isotope 15N montrent parallèlement que la capacité racinaired’acquisition du nitrate se développe.Ainsi, bien que n’étant pas

elle-même carencée, la racine adapte son équipement moléculaireet son fonctionnement aux besoins accrus en azote des

parties aériennes : elle répond à des signaux de demande nutritionnelle, dont l’identification est un enjeu important. La

disponibilité de gènes marqueurs de cette réponse permet, à traversla dissection fonctionnelle de leurs promoteurs, de rechercher

les acteurs moléculaires de cette signalisation.Contact :Alain Gojon, gojon@ensam.inra.fr

Le dialogue entre lesfeuilles et les racines

d’Arabidopsis pour unemeilleure nutrition minérale

Les racines desplantes sont sépa-rées en 2 parties etcultivées, à gauche,en présence denitrate et, à droite,en absence denitrate. La racineprésente une aug-mentation de l’ex-pression d’un gènede transporteur denitrate, constituantune réponse à lacarence dans lesparties aériennes.

S.Munoz – P.Tillard, © UMR B&PMP

Des gènes… pour quelles protéines ?Dans les démarches de physiologie moléculaire, la premièreétape après le clonage d’un gène est l’identification de la fonc-tion moléculaire de son produit. Cette identification est faitegrâce à des approches biochimiques et/ou physiologiques quireposent généralement sur l’expression du gène dans un systè-me hétérologue. Par exemple, la protéine codée peut être pro-duite dans la bactérie Escherichia coli ou dans une levure. Dansle cas des protéines ayant un rôle de transporteurs d’ions etd’eau, l’expression dans l’ovocyte de Xénope (un crapaud tropi-cal) permet des mesures directes de la fonction de ces canaux.L’ovocyte, comme les cellules COS de cercopithèque ou lescellules Sf9 de lépidoptère, constituent aussi des systèmes d’ex-pression compatibles avec les techniques de " patch-clamp " quipermettent une caractérisation électrophysiologique des canauxioniques. Cette association des outils moléculaires et physiolo-giques permet non seulement d’identifier la fonction du produitdu gène, mais également de disséquer les relations structure-fonction, par des démarches de mutagénèse dirigée.Contact : Hervé Sentenac, sentenac@ensam.inra.fr

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La plate-forme protéo-mique de l'UMR B&PMP(voir page 16 “LaGénopole de MontpellierLanguedoc-Roussillon”) estorientée vers l’analysefonctionnelle à haut débitdes protéomes :- cartographie 2D etconstruction de banquesde données, analyse deprofils d'expression ;- identification robotiséedes protéines par cartespeptidiques massiques(MALDI-TOF MS), séquen-çage (ESI MS/MS, séquen-ceur).Les approches conduitespar l’UMR B&PMPconcernent la construc-tion de banques de don-nées de référence, l’analy-se de modifications post-

traductionnelles, l’identification de réponses aux contraintesenvironnementales et le développement de nouvelles méthodo-logies pour l’analyse des protéomes membranaires.Un exemple d’application de ces technologies est celui deschangements adaptatifs de la morphogénèse racinaire induits parles carences minérales. Des approches globales génomiques sontutilisées sur Arabidopsis pour analyser les changements d'expres-sion des gènes induits par la carence en phosphate. Les appro-ches du transcriptome utilisent des DNA arrays à moyenne ethaute densité. Les approches du protéome utilisent la technolo-gie MALDI-TOF. Elles sont couplées à des analyses par imageriede la dynamique du développement racinaire. Ce programmeest conduit en collaboration avec l’UMR Ecophysiologie desPlantes sous Stress Environnementaux (voir page 26).Les objectifs sont :- l’identification des grandes fonctions physiologiques contri-buant à la morphogénèse adaptative, à travers le repérage desensembles de gènes recrutés ;- la recherche des gènes candidats pour la régulation de cesréponses ;- la distinction des voies spécifiques de la réponse au stressappliqué (carence en phosphate) de celles qui constituent laplate-forme générale de réponse aux stress.Contact : Michel Rossignol, rossignol@ensam.inra.fr

La plate-forme protéomique

Systèmes d’expression hétérologues

En haut à gauche : gel d’électrophorèse à 2 dimensions des

protéines de racine d’Arabidopsis.En haut à droite : analyse

bioinformatique des profils d’abon-dance de protéines de la racine au

cours du développement de lacarence en phosphate. En bas :

spectre de masse de digestion d’unpolypeptide séparé par

électrophorèse à 2 dimensions(MaldiTof).

J.-B. Thibaut, © UMR B&PMP

P.Doumas, M.Rossignol, V.Santoni, N.Sommerer©UMR B&PMP

L’hévéa représente une source exclusive de caoutchouc naturel.L’homogénéité et la productivité des plantations sont réduitesnon seulement par l’hétérogénéité génétique des porte-greffes

issus de graines mais aussi par le vieillissement physiologiquedes greffons des génotypes sélectionnés. L’embryogenèse

somatique est utilisée pour la multiplication rapide et conformede ces génotypes. Le rajeunissement du matériel végétal et le

clonage de l’arbre entier devraient conduire à un gain devigueur et à une meilleure homogénéité des plantations.

Différentes lignées de " cals embryogènes " (cellules entretenuesen prolifération dans un milieu de culture approprié) issues du

génotype appelé PB 260, ont servi pour la production expérimentale de 20 000 vitroplants entre 1996 et 2000. Le

procédé est en cours d’adaptation à d’autres génotypes sélectionnés. Depuis 1992, des essais en champ sont régulièrement

mis en place sur 5 sites (Afrique,Asie,Amérique latine) pourmesurer la croissance, la production et les caractéristiques

agronomiques de ce nouveau matériel de plantation.Contact : Ludovic Lardet, ludovic.lardet@cirad.fr

Des milliers d’arbres à caoutchouc nés

en laboratoire

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Etudier le développement desarbres et optimiserleur exploitationL’objectif essentiel de l’UMR " Biologie du Développement desPlantes Pérennes Cultivées "(BDPPC) est d’élaborer des connais-sances en matière de développementdes plantes ligneuses sur quelquesespèces supports tempérées et tropi-cales, afin de maîtriser leur fonction-nement, leur valorisation génétiqueet leur utilisation agronomique.•••

’approche de la biologie dudéveloppement des plantesnécessite l’acquisition de

connaissances sur l’ensemble desprocessus moléculaires, cellulaires etstructuraux, conduisant du zygote àla plante adulte capable de se repro-duire (embryogenèse, phases dedéveloppement juvénile et adulte).Chez les espèces pérennes cultivées,des spécificités sont à prendre encompte qui sont liées à la pérennitédes cultures, à la longueur de laphase juvénile, au processus de ligni-fication et d’édification architecturalepérenne.

Les plantes sont soumises à deschangements d’environnementet à des conditions de compéti-

tion en peuplements cultivés.Les adaptations des plantes à

ces évolutions se traduisentpar des modifications plus ou

moins marquées de leur développement, modificationsqui peuvent être accélérées par

le biais de l’amélioration génétique.

L’équipeL’unité mixte de recherche “Biologie

du développement des plantes pérennes cultivées” (UMR BDPPC)

est constituée de 33 chercheurs provenant de l’Agro.M, du Cirad,de l’INRA, de l’IRD et de l’UM II.Responsable : Françoise Dosba,

dosba@ensam.inra.fr,fax : +33 (0)4 99 61 26 16

Site Web : http://www.ensam.inra.fr/arbo/arbo34.htm

Biologie du développement des

plantes pérennescultivées

L

M.-

P. C

arro

n, ©

Cira

d-C

P Vitroplant d’hévéa en champd’essai (Côte d’Ivoire), clone

PB 260 de 3 ans

Les filaos sont des arbres tropicaux originaires d'Océanie quiappartiennent à la famille des Casuarinacées. Grâce à leurs

faibles exigences nutritionnelles et à leur remarquable tolérance à la sécheresse, les filaos jouent un rôle importantdans les pays du sud, à la fois pour la production de bois etde biomasse, pour la protection des sols contre toutes lesformes d'érosion et pour la restauration de la fertilité deszones dégradées. Ils ont la propriété de vivre en symbiose

avec un microorganisme fixateur d'azote appelé Frankia.Les "nodules actinorhiziens" ou "racines symbiotiques" créés lors de cette symbiose s'apparentent à des racines latérales

modifiées. Les recherches entreprises à l'IRD visent à comprendre le dialogue moléculaire qui s'établit entre la

plante et le microorganisme lors de la différenciation et dufonctionnement des racines symbiotiques. Des gènes du filao,intervenant dans le processus de " rhizogénèse symbiotique "

–la formation de ces racines modifiées-, sont identifiés etcaractérisés grâce à des approches complémentaires de

physiologie moléculaire et de biologie cellulaire.La transformation génétique du filao est également utiliséecomme outil pour caractériser les gènes de la plante. Les

résultats de ces études permettront de comprendre lesmécanismes qui conduisent à la modification d'une racine

latérale en racine symbiotique. Ils laissent envisager unemeilleure maîtrise des conditions de la rhizogénèse

symbiotique du filao. L'identification et la caractérisation desgènes symbiotiques du filao conduiront à l'obtention de

nouvelles symbioses plus performantes ou mieux adaptéesaux stress de l'environnement.

Contact : Didier Bogusz, didier.bogusz@mpl.ird.fr

Didier Bogusz, © IRD

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Les enjeux scientifiques de l’UMR sesituent à trois niveaux :- l’extension à des plantes pérennescultivées des outils de la génomiquestructurale et fonctionnelle mis aupoint chez d’autres plantes, en parti-culier Arabidopsis thaliana et lesespèces forestières,- le développement des biotechnolo-gies nécessaires à l’étude des méca-nismes biologiques et à leur utilisa-tion en amélioration génétique(manipulations génétiques etembryogenèse somatique),- la prise en compte des méthodolo-gies de modélisation, pour appréhen-der dans le temps et dans l’espace lesrelations entre le développement desplantes pérennes, leur fonctionne-ment et les mécanismes génétiqueset moléculaires qui y sont liés.

Des gènes qui permettent aux arbres de fixer l’azote

Étudier les gènes symbiotiques dufilao pour obtenir des symbiosesplus performantes.

Biologie du développement des plantes pérennes cultivées

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Du gène à l’architecture…Ces recherches sont actuellementdéveloppées à trois niveaux complé-mentaires :- le niveau moléculaire permet d’a-border l’identification des gènesintervenant dans les différentes pha-ses de développement des plantespérennes et la régulation de leurexpression, l’utilisation de ces gènespour comprendre l’architecture deces espèces dans un souci d’amélio-ration et la description des mécanis-mes permettant la modulation del’expression du génome.- le niveau cellulaire permet d’ap-préhender la mise au point de systè-mes de régénération in vitro en vuede l’étude des réponses morphogé-nétiques aux variations de l’environ-nement, l’identification des étapesimportantes de la croissance, le rôledes régulateurs de croissance et lamaîtrise des systèmes de transforma-tion génétique adaptés aux plantespérennes.- le niveau de la plante entière estpris en compte par l’architecture etle schéma de développement desstructures racinaires et raméales, enfonction des génotypes et des condi-tions environnementales, et par lesrelations entre les composantesarchitecturales et les mécanismesgénétiques qui permettent l’expres-sion et la régulation des gènesconcernés.

Les espèces pérennes servant de sup-port à ces études sont :- des espèces tempérées : pommier(encart " Architecture des arbres etqualité des fruits ") et vigne, et, pourdes thèmes spécifiques, abricotier,olivier et poirier ; - des espèces tropicales : palmier àhuile, Casuarina (encart " Des gènesqui permettent aux arbres de fixer defixer l’azote "), cocotier, caféier etbananier, et, pour des thèmes plusspécifiques, hévéa (encart " Desmilliers d’arbres à caoutchouc nés enlaboratoire "), cacaoyer etEucalyptus.

Architecture des arbreset qualité des fruits

L’analyse architecturale desplantes, développée dans les années60 en forêt intertropicale, est appli-quée aux espèces fruitières tempé-rées par l’équipe " Architecture etFonctionnement des EspècesFruitières " de l’INRA et de l’Agro.Mà Montpellier. Elle correspond à uneméthodologie d’observation del’arbre, celui-ci étant considéré danssa totalité et au cours de son évolu-tion dans le temps. Elle permet dereconstituer l’histoire de son déve-loppement à partir de marqueursmorphologiques. L’étude et l’analysedes règles de fonctionnement quiconduisent, d’une part, à l’édificationdes arbres d’une espèce donnée aumoment de leur entrée en produc-tion et, d’autre part, au maintiend’une production régulière, ont cons-titué les objectifs principaux des tra-vaux engagés sur ce thème.

Cette approche permet de proposer des évolutions de modesde conduite, fondées sur la connaissance approfondie des règlesde croissance et de fructification des variétés. De plus, dans uncontexte économique de surproduction, l’obtention de fruits dequalité revêt aujourd’hui un intérêt particulier.Aussi une meilleurecompréhension de l’élaboration de la qualité des fruits est recher-chée à partir de la connaissance du positionnement des fruits dansle feuillage et des caractéristiques du bois porteur. Cette approchetient compte des modes de conduite pratiqués, notamment laforme de l’arbre et l’éclaircissage. Dans cette démarche pluridisci-plinaire interviennent des morphologistes, des physiologistes etécophysiologistes, des agronomes et des technologues de l’INRA.Au sein de l’UMR BDPPC, l’étude du déterminisme géné-tique des principales composantes architecturales constituel’objectif prioritaire de l’équipe. Le but est d’approfondir la com-préhension des mécanismes liés à l’architecture et au fonctionne-ment des plantes d’intérêt économique ou environnemental dansune perspective d’amélioration génétique. Cette étude sera déve-loppée sur le pommier par l’identification et la manipulation desgènes qui interviennent dans les différentes phases du développe-ment et dans leur régulation et notamment de ceux qui sont impli-qués dans la morphogenèse caulinaire ou racinaire. Elle nécessiterad’acquérir la maîtrise des systèmes de transformation génétique.A plus long terme, il s’agit d’intégrer des caractères morpho-logiques liés aux composantes du rendement dans lesschémas de sélection et de permettre l’évolution des matérielssélectionnés vers des systèmes de culture plus intégrés, moinsconsommateurs en intrants et ayant un coût environnementalmoindre.Contact : Evelyne Costes, costes@ensam.inra.fr

Comparaison del’architecture

de deux pommiers de lavariété Fuji, en

fonction dumode de

conduite (libre àgauche, conduite

en Solaxe à droite). Incidencesur la répartition

du calibre desfruits dans la

couronne.

Variabilité génétique naturelle de la réponse de la vitessede croissance foliaire au déficit hydrique de l'air et du sol

Un modèle a été établi, qui rend compte des réponses de lavitesse de croissance foliaire à l'état hydrique du sol, à l'humidi-té de l'air et à la température du méristème. Ce modèle a ététesté tant au laboratoire qu'au champ, en mettant en relationles conditions environnementales mesurées avec la vitesse decroissance (photo). Maintenant la variabilité génétique desréponses est évaluée à chaque condition environnementale sur100 lignées recombinantes de maïs, ce qui permet d'associerdes allèles de gènes à chaque réponse environnementale.Contact : Bertrand Muller, muller@ensam.inra.fr

Sécheresse et vitesse decroissance des feuilles

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Tolérance à lasécheresse :un déterminismepluri-factorielLa recherche de la tolérance à lasécheresse consiste donc à optimiserla photosynthèse, la croissance et ledéveloppement des plantes afind'obtenir une production maximaleavec une quantité donnée d'eau. Lastratégie d’amélioration ne peut doncêtre la même que celle suivie pourd'autres caractères comme la résis-tance à une maladie ou à un herbici-de qui dépend du transfert d'un oude quelques gènes. En effet :� le climat est variable suivant lesannées et les lieux ; un génotype •••

ne production agricole impor-tante nécessite obligatoire-ment un minimum d'eau :

chez les plantes, photosynthèse etcroissance ne sont possibles que s’il ya transpiration. En effet, le gaz carbo-nique pénètre dans les feuilles pardes pores microscopiques, les stoma-tes. C'est par ces mêmes stomatesque l'eau est transpirée en grandequantité (jusqu'à trois fois le poids dela plante un jour d'été). Si la plantene peut pas prélever cette quantitéd'eau, elle est obligée de ralentir satranspiration en fermant ses stoma-tes et en réduisant sa croissancefoliaire. Ceci évite la déshydratationmais réduit aussi la photosynthèse.Cet échange "eau contre carbone"restera inévitable quel que soit leprogrès génétique.

La recherche d'une meilleureadaptation des plantes au

manque d'eau est un enjeuessentiel pour la productionagricole dans les prochaines

décennies. Les biotechnologiesmais aussi la modélisationdes régulations des plantes

devraient permettre des progrès dans ce domaine.

L’équipeL’unité mixte de recherche

"Laboratoire d’écophysiologie des plantes sous stress environnementaux"

(UMR LEPSE) est composée de 13chercheurs provenant de l’Agro.M et de l’INRA.

Responsable : François Tardieu,tardieu@ensam.inra.fr,

fax : +33 (0)4 67 52 44 43

Construire des plantes résistantes à

la sécheresse ?

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F.Tardieu, © INRA

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résistant à un scénario de sécheressene l'est pas nécessairement à unautre. L’évaluation d'un génotype parune stratégie purement expérimenta-le nécessiterait donc des dizainesd'années, ce qui, pour des raisonspratiques et économiques, est diffici-lement envisageable.� la recherche d'un optimum est pluscomplexe que la recherche d'uncaractère qualitatif et met en cause lastratégie personnelle de l'agriculteur.Au moment de choisir un génotype,celui-ci peut privilégier soit un ren-dement potentiel maximum associé àun risque élevé de perte totale durendement, soit un maximum deprotection contre les risques associéà un plus faible rendement potentiel.

Les travaux menés par l’UMR LEPSE(Laboratoire d’écophysiologie desplantes sous stress environnemen-taux) visent donc à construire et éva-luer des génotypes ayant des répon-ses contrastées à plusieurs scénariosde déficit hydrique, depuis uneréponse faible (maintien de la photo-synthèse, de la croissance et de latranspiration : maximiser le rende-

ment potentiel au prix d'un risquemaximum) jusqu'à une réponsemaximum (mise en place de protec-tions, réduction du risque, réductiondu rendement potentiel). Pour cela larecherche de gènes d'intérêt est com-binée avec la modélisation. Quatreapproches sont entreprises :

� L'exploration de la variabilitégénétique naturelle de la réponse dela croissance et du développementau déficit hydrique du sol et de l'air(maïs Arabidopsis thaliana, dactyle).La combinaison de modèles de déve-loppement, de mesures micrométéo-rologiques et d'analyse génétique(recherche de QTL, Quantitative TraitLoci) permet d'identifier individuelle-ment des allèles caractéristiques de laréponse à la température, aux condi-tions hydriques dans l'air et au déficithydrique du sol (collaboration avecl’unité INRA de Génétique duMoulon et de Versailles). Une recher-che du même type est menée pourexplorer la variabilité génétique de lacapacité de survie de génotypes dedactyles soumis à des déficitshydriques sévères. •••

Modélisation de l'effet d'une transformation génétiquesur la transpiration et l'état hydrique de plantes endéficit hydrique

Des plantes de Nicotianaplumbaginifolia ont été trans-formées sur un gène impli-qué dans la synthèse de l'aci-de abscissique (ABA). Lesplantes déficientes perdenttoute capacité à fermer leursstomates. Des plantes plus oumoins affectées sur cetteenzyme ont été soumises àdes déficits hydriques varia-bles ou ont été greffées surdes plantes sauvages ou ali-mentées en ABA artificiel.Tous les comportements destransformants à toutes lesconditions testées peuventêtre prévus au moyen d'unmodèle unique (cf. illustra-tion), ne variant que sur leparamètre de vitesse de syn-thèse de l'ABA.Contact :ThierrySimonneau,simonneau@ensam.inra.fr

Prévoir les effets d'une transgénèse

F. Tardieu et T. Simonneau, © INRA

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� l’analyse de l'expression des gènesassociés aux adaptations chez desplantes soumises à des conditionsenvironnementales connues (maïs,Arabidopsis, dactyle)

Grâce aux progrès des mesuresmicrométéorologiques, ceci peut êtrefait au champ comme au laboratoire.L'analyse de l'expression des gènes sefait en collaboration avec l’UMRB&BMP (voir page 18). Elle concerneles ARNm (utilisation de microarraysADNc) et les protéines (western blots,analyses d'activité). On cherche ainsià établir des correspondances entrel'expression d'un gène et une varia-ble quantitative dans plusieurs scé-narios environnementaux (par exem-ple, expression d'un gène du cyclecellulaire et vitesse de division cellu-laire).

� la mesure systématique de l'en-semble des conséquences de lamanipulation d'un gène sur lesréponses d'un génotype aux condi-tions environnementales

Parce que la plante est un systèmerégulé, plusieurs variables caractéri-sant le phénotype sont en relationfonctionnelle. La modélisation per-met d'analyser la complexité appa-rente des réponses pour les réduireaux caractères essentiels de chaquegénotype. La principale expérience aporté sur la manipulation d'un gèneimpliqué dans la synthèse d'une hor-mone qui contrôle la transpiration etla croissance des plantes en déficithydrique.

� la modélisation du comportementd'un génotype donné dans un grandnombre de scénarios pédoclima-tiques (Arabidopsis, tournesol)

On fournit à un ordinateur les carac-téristiques microclimatiques et lescaractéristiques du génotype, il calcu-le la consommation en eau, la pro-duction de biomasse etc. Cette opéra-tion a un coût marginal faible, onpeut donc simuler un grand nombrede scénarios et calculer les risquesassociés à un génotype. Cette activité n'en est qu'à ses débuts,on n'arrive pas encore à établir unecorrespondance entre un gène et unesimulation de rendement. En revan-che, il est déjà possible d'établir cettecorrespondance pour des fonctionsplus simples comme la transpirationou la vitesse de croissance foliaire (encollaboration avec l’unité Cirad-INRA-AMAP).

Modélisation de l'architecture du tournesol etd'Arabidopsis thaliana sous contraintes environnementales

L'outil de modélisation informatique est essentiel pour simulerles conséquences lointaines d'un stress et/ou d'une variation

allélique sur le comportement d'une plante. Un programme esten cours pour représenter en temps réel les réponses adaptati-

ves de génotypes de tournesol et d'Arabidopsis à des variationstransitoires des conditions environnementales. Chez Arabidopsis,plusieurs écotypes sont comparés systématiquement quant aux

paramètres du modèle d'architecture.Contacts : Jérémie Lecoeur, lecoeur@ensam.inra.fr,

Hervé Rey, rey@cirad.fr

Des plantes virtuellespour simuler la

résistance au stress

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Représentations tridimensionnelles

de plantes d’Arabidopsisthaliana

Construire des plantes résistantes à la sécheresse ?

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Attaque de pyri-culariose dans

un dispositif d'é-valuation varié-

tale sur unevariété résistante(au centre) et surdes variété sensi-bles (à droite et à

gauche) de riz.

J.-L. Notteghem, © INRA

leurs parasites, tant au niveau desmécanismes d’interactions qu’à l’é-chelle des populations.Les recherches fondamentales surdes modèles appropriés fournissentdes approches et des outils qui per-mettent de progresser dans plusieursdomaines : - la génétique des populations,- l'étude génétique des interactions,- la modélisation mathématique desfluctuations des populations. •••

’UMR Biologie et génétiquedes interactions plantes-para-sites pour la lutte intégrée

(BGPI) développe des recherchesconduisant à la mise au point d’inno-vations favorables au développementde méthodes de protection intégréeen proposant la meilleure combinai-son des moyens de lutte disponiblespour lutter contre les bioagresseurs.Ainsi sont mises en place des recher-ches qui visent à mieux comprendreles interactions entre les plantes et

Les exigences accrues desconsommateurs en matière de

qualité des aliments et de préservation de l’environnement

impliquent que l’on trouvedes solutions aux nouvellescontraintes qui se posent à

l’agriculture. Il est particulière-ment important de développer

des méthodes qui puissentlimiter les recours aux traite-

ments phytosanitaires, etfavoriser le recours à des

méthodes alternatives commel’utilisation de la résistance

variétale aux maladies et auxparasites. Ces recherches

doivent s’accompagner dudéveloppement de méthodes

d’aide à la décision.

L’équipeL’unité mixte de recherche “Biologieet génétique des interactions plantes-parasites pour la protection intégrée”(UMR BGPI) comprend 25 chercheurs

provenant de l’Agro.M, du Cirad et de l’INRA.

Responsable : Jean-Loup Notteghem,notteghem@ensam.inra.fr,fax : +33 (0)4 67 54 59 77

Les interactionsplantes-parasites :des perspectives pour la protection intégrée

L

La pyriculariose causée par Magnaporthe grisea est la plus impor-tante maladie fongique du riz: elle est le principal facteur limitant laproduction de riz, en particulier en Amérique Latine. La résistanced’une nouvelle variété est en général rapidement surmontée par lepathogène et le coût des fongicides est prohibitif pour une majori-té d’agriculteurs.Cette maladie constitue également un modèle d’étude sur lequelse sont impliquées de nombreuses équipes internationales. Uneimportante collection d’isolats a été constituée; elle est utiliséepour le développement d’études sur la structure des populationsde M.grisea et sur leur évolution. Les travaux ont été conduits àdiverses échelles: population mondiale, population européenne,population de Chine et populations fertiles d’Asie.Les travaux sur les mécanismes d’interaction ont également étéréalisés. De nouveaux gènes de résistance et de virulence ont étécartographiés et l'un des gènes d'avirulence a donné lieu à une col-laboration avec une unité Aventis-CNRS (Centre National deRecherche Scientifique) qui a abouti au clonage d’un gène d’aviru-lence. Ce travail sera poursuivi pour de nouveaux gènes d'avirulen-ce. Le clonage d'un gène de résistance est en cours. Les approchesde génomique sont initiées pour l’identification et le clonage degènes impliqués dans les mécanismes de défense du riz.Contact : Didier Tharreau, tharreau@cirad.fr

Le couple Riz-Magnaporthe griseamodèle d’étude

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Marbrure rouge

de la canne à

sucre provoquée

par le Peanut

Clump Virus

(PCV)

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Peanut ClumpVirus (PCV) infectant lacanne à sucre

Senecio inaequidens, le seneçon du Cap, est une mauvaiseherbe exotique envahissant les espaces naturels et les cultu-

res, comme la vigne en Languedoc-Rousillon. Elle est enexpansion dans toute L'Europe. Cette espèce est sensible à

une rouille originaire d'Australie, Puccinia lage-nephora, arrivée en France depuis une trentai-

ne d'années. L'étude de la dynamique despopulations, de la structure génétique de l'hôteet de son interaction avec la rouille est entre-prise dans le but déterminer si l'épidémiologieet le type d'interaction hôte-parasite font de la

rouille australienne du seneçon un agent possible pour unelutte biologique. Ce projet renforcera les collaborations déjà

entreprises de l’UMR BGPI avec les antennes locales deslaboratoires de recherche australiens (CSIRO1) et américain

(USDA-ARS2) spécialisés dans la lutte biologique et membresassociés d’Agropolis.

(1) CSIRO : Commonwealth scientific and industrial research organisation (2) USDA-ARS : United States Departement of Agriculture Agricultural Research Services

Contact : Jacques Maillet,Agro-Montpellier,maillet@ensam.inra.fr

Diagnostiquerles maladies virales

Le diagnostic des maladies virales est un objectif prioritaire quinécessite de mener des études d’étiologie et de caractérisation. Le

Cirad met au point des tests de détection sérologique ou moléculai-re pour un grand nombre de micro-organismes attaquant les cultures

de bananiers, canne à sucre, cacaoyer, cultures maraîchères, palmierset cocotiers. Une activité de suivi technique des nouvelles méthodes

de détection est continuellement conduite pour garantir la qualitédes contrôles phytosanitaires effectués au Cirad au

sein de services internationaux de quarantaine de lacanne à sucre et d’indexation bananier (VIC-

INIBAP1), en tenant compte du risque d'émergencede nouvelles souches virales, voire de nouveaux

pathogènes. Par ailleurs, ces études visent à la miseen place de kits de diagnostic large pour une utilisa-

tion directe sur le terrain par nos partenaires.(1) VIC-INIBAP:Virus Indexing Center of the International Network for the Improvement of Banana and Plantain

(centre d’indexation des virus du réseau international pour l’amélioration de la banane et de la banane plantain)

Contact : Michel Peterschmitt,Cirad,michel.peterschmitt@cirad.fr

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Etudier les interactionsseneçon du Cap – rouille

pour élaborer des méthodes de lutte biologique

Trois thèmes de recherche sont donc développés par l’UMR :

• L’étude des mécanismes d’interac-tion prend en compte l’analyse dupouvoir pathogène des agentsresponsables des maladies des plan-tes et l’analyse de la résistance desplantes. Les approches de cartogra-phie et de clonage de gènes sont utili-sées. La génomique des réactions dedéfense du riz est initiée sur la basedu matériel généré par les équipesimpliquées dans la Génopole végétalede Montpellier (voir page 16) • L'étude des facteurs d'épidémiesvirales transmises par insectes estbasée sur une étude spatio-temporel-le des épidémies et une analyse desfacteurs prédominants qui prend encompte différents volets : la biologiedes vecteurs et l'étude de la vection,la diversité des populations virales, larésistance de l'hôte, l’effet du frac-tionnement géographique des régionsde culture, l'analyse de l'effet de diffé-rentes méthodes de lutte. Ces travauxse font en collaboration étroite avecles agriculteurs et les instituts tech-niques travaillant dans ce domaine. • L'étude génétique des populationsde champignons, de bactéries et denématodes phytoparasites et deleurs interactions avec les cultivarsrésistantsC’est un domaine qui connaît denouveaux développements ; en effet,les outils moléculaires sont utiliséspour caractériser les populations d'a-gents pathogènes et connaître lesmécanismes d'évolution génétiquede ces populations. Les différentsaspects des interactions plantes-agents pathogènes y sont abordés :l’étude de l'effet de la résistance del'hôte sur la structuration des popu-lations d'agents pathogènes, la carac-térisation de leur pouvoir pathogène,l’étude et la caractérisation de larésistance des plantes .

Les applications des projets derecherche concernent le diagnosticdes maladies des plantes ainsi quel’expertise sur la durabilité de larésistance et sur l’optimisation de sagestion. Les résistances caractériséessont utilisées par les généticiens desplantes. Ainsi son proposés desdispositifs visant à limiter les conta-minations par les virus transmis parvecteur.

Attaque dePuccinia lagenephorae(rouille) surSénéçon du Cap

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Diffusion de l’innovation

De la recherche à ses applications

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La culture in vitro doit permettrede multiplier en routine desmilliers de " copies conformes "d’une plante, à partir d’un simplefragment de tissus de la plantemère.Ce procédé est réalisé grâce àl’utilisation de mélanges com-

plexes contenant sels minéraux, sucres, acides aminés, vitami-nes, régulateurs de croissance… Bien que l’utilisation dumilieu liquide soit considéré comme une technique idéale pourla production de masse de vitroplants, on assiste souvent à desproblèmes de vitrification et de désordre physiologique(asphyxie) provoqués par la présence de résidus dans le milieu.On sait depuis longtemps que l’immersion temporaire permetde diminuer ces problèmes.

À partir de 1988, le laboratoire Biotrop du Cirad a travaillé surl’utilisation de cette technique et la mise au point d’un appareilde manipulation simple et d’usage pratique : Rita (récipient àImmersion Temporaire Automatisé). Cet appareil, constitué dedeux compartiments, permet de profiter des avantages dumilieu liquide sans en avoir les inconvénients puisque le contactdu matériel végétal avec le milieu liquide n'est que temporaire.De plus, sa conception et ses dimensions font qu’il est facile-ment manipulable par ses utilisateurs. Il est actuellement utilisépour les différentes techniques de micropropagation et sur ungrand nombre de plantes et, notamment, pour la micropropaga-tion d’hybrides sélectionnés de Coffea arabica.Contact : Marc Berthouly, marc.berthouly@cirad.frUMR BDPPC (page 22)Site : http://www.cirad.fr/produits/rita/fr/accueil.htm

Faciliter la création de nouvelles variétésLa création de variété est une activitélongue et coûteuse. De nombreusestechniques permettent aujourd’huide faciliter et d’accroître les perfor-mances des méthodes traditionnel-les. Nous présentons ici quelques-unes d’entre-elles.

• Les haplométhodes L’utilisation de lignées pures est trèssouvent nécessaire dans les program-mes d’amélioration visant à créer deshybrides. Alors que par les méthodestraditionnelles 8 à 10 ans sont néces-saires, les haplométhodes (haplo-diploïdisation) permettent d’obtenirtrès rapidement des variétés hybri-des, en générant des lignées pures, enune seule génération. Pour cela, des plantes possédant seu-lement une moitié du patrimoinegénétique sont produites en cultivant

des cellules sexuelles -ovules ou pol-len- puis leur patrimoine génétiqueest doublé pour rétablir leur fertilité.C’est le croisement entre ces lignéespures qui est utilisé pour produireactuellement des hybrides de riz tro-picaux ou tempérés, par exemple.

• Les fusions et les hybridationssomatiquesL’échange de matériel génétiqueentre différentes variétés lors de lareproduction constitue une sourceimportante de variabilité mais certai-nes espèces montrent des difficultésà s’hybrider et sont donc difficiles àaméliorer par les méthodes clas-siques. Les fusions et les hybridationssomatiques permettent de mélangeren laboratoire les structures géné-tiques et cytoplasmiques de plantesgrâce à la technique de fusion deprotoplastes augmentant ainsi ladiversité génétique de certaines espèces.

Appareil RITA contenant des vitroplants de café

RITA, un appareil qui facilite la culture in vitro

Marc Lartaud (© Cirad-Amis, Biotrop)

Les semences et les plantsaméliorés sont les vecteurs

traditionnels et privilégiés dutransfert du progrès génétique

vers les agriculteurs.Les biotechnologies végétales

ont considérablement modifiéce processus en termes derapidité et d’efficacité. Leséquipes de recherche de la

région Languedoc-Roussillonparticipent activement à la

mise au point de ces nouvellestechnologies : elles ont su

développer des méthodes etdes procédés dont l’ensembleest maîtrisé et disponible sur

Agropolis. Certaines d’entre-ellesont pu être transférées dans

des entreprises et à l’étranger

Vitropic S.A., filiale du Cirad, est unlaboratoire de production de vitro-plants (plants obtenus par culture invitro) installé près de Montpellier, à StMathieu de Tréviers.Avec un chiffred’affaires annuel de 7 MF, cette entre-prise créée en 1986 emploie 15 sala-riés et produit 2 à 3 millions de vitro-plants par an, surtout des bananiers,diffusés principalement aux Antilles eten Afrique. Grâce à son activité,Vitropic occupe une place de leadersur ces marchés étrangers et a fait dusite de production une des capitalesde la production de plants de bana-niers.Un exemple de " biotechnolo-gie" pour produire mieux La fabrication des vitro-plants ne faitpas intervenir de techniques de trans-formation génétique mais celle de la

culture de tissus. Il s'agit en fait d'obtenir en éprouvettes, de façonaccélérée, la multiplication de plantes sélectionnées pour leurscaractéristiques agronomiques. Les plants de bananiers miniatures,produits en conditions protégées de laboratoire, sont indemnesde maladies et sont expédiées depuis Montpellier sur les zones deproduction. Leur utilisation comme matériel de plantation permetde "produire mieux" ; en effet, grâce à l'utilisation sur des solssains de ces vitro-plants indemnes de " nématodes " (des parasitesdu sol), on obtient des rendements plus élevés avec moins de pes-ticides. Les vitro-plants sont donc, dans le cas du bananier, une desvoies clés pour le développement d’une culture plus respectueusede l'environnement.Une nécessité d'innovation permanente Pour développer son savoir-faire, améliorer et diversifier ses pro-duits,Vitropic doit innover en permanence et consacrer une partde ses activités à des actions de recherche et de développement.L'entreprise trouve dans le pôle Agropolis, et en particulier auCirad, un environnement favorable et des partenaires scienti-fiques et techniques de choix pour poursuivre ses objectifs.Ajoutons enfin que, tout en maintenant l'essentiel de ses activitésdans la région Languedoc-Roussillon,Vitropic développe des col-laborations avec de nombreux partenaires des pays du Sud.Contact : François Cote, Cirad, francois.cote@cirad.fr

Vitropic : un laboratoire de productionde vitro-plants d'espèces tropicales en Languedoc Roussillon

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A Agropolis, cette technique est utilisée chez les agrumes.

• La sélection assistée par marqueurs Pour s’assurer qu’un hybride cultivé abien récupéré le ou les gène(s) à l’ori-gine de la caractéristique agrono-mique recherchée, il faut classique-ment passer par des tests en champqui sont difficiles et souvent longs àréaliser. La génétique moléculairepermet d’identifier et de localiser lesgènes, et maintenant, de les repéreret de les suivre au cours des opéra-tions de croisement et de sélection,grâce à l’association de ces gènes àdes marqueurs moléculaires. Cettetechnique permet ainsi de concentrerles caractères les plus intéressants etd’éviter de les perdre au cours de cesopérations. Ce procédé, d’abord misen oeuvre pour les caractères sim-ples, est de plus en plus utilisé pourles caractères quantitatifs, plus diffi-ciles à manipuler.

• Le transfert direct de gènes partransgénèseAlors que le transfert d’un caractèreagronomique à un hybride est particu-lièrement long et difficile par les voiesnaturelles, il est aujourd’hui possiblede transférer le gène contrôlant cettecaractéristique directement dans laplante cultivée par transgénèse.Cette méthode dont les premièresapplications font l’objet de contro-verses en Europe en est à ses débutset reste largement à découvrir. Ons’oriente de plus en plus vers le trans-fert d’un caractère intéressant d’uneplante de la même espèce ou d’uneespèce voisine dans les variétés sélec-tionnées. •••

L’utilisation devitroplants de

bananier permetd’obtenir des

rendements plusélevés avec moins

de pesticides.

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Reproduire à grande échelle lespalmiers les plus interéssants

pour fixer les caractères agronomiques les plus utiles

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Culture in vitrodu palmier à huile et reproduction conformeLe palmier à huile constitue la première source de corps grasd’origine végétale de la zone intertropicale humide.Avec uneproduction annuelle de l’ordre de 20 millions de tonnes, ellereprésente environ 20 % de la production mondiale d’oléagi-neux. Pour cette plante à reproduction croisée obligatoire etuniquement propagée par graine, les techniques classiques demultiplication végétative (bouturage, rejets, greffe) n’existentpas. Le mode de reproduction et les délais nécessaires à l’amé-lioration génétique entraînent une hétérogénéité importantedans les plants issus des semences sélectionnées disponiblespour les planteurs. De ce fait, la maîtrise d’un procédé de multi-plication végétative faisant appel aux techniques de biologie cel-lulaire et capable de reproduire à grande échelle et de façon

conforme les individus les plus intéressants permet de fixer lescaractères agronomiques les plus utiles. Un procédé de multiplica-tion et de régénération à grande échelle utilisant le phénomèned’embryogenèse somatique a été développé en collaborationpar l’IRD et le Cirad au début des années 80. Il a été transférédans les principaux pays producteurs (Côte d’Ivoire, Malaisie,Indonésie) pour être testé à l’échelle pilote. Ces travaux, avec laplantation de plusieurs centaines de milliers de palmiers régénérésin vitro et l’identification de plusieurs clones entraînant un gainde production de 20 à 30%, ont permis de valider l’intérêt decette démarche. Ils ont aussi permis de déterminer l’existencede palmiers " hors-type ", stériles, résultant de la technique derégénération. Ce phénomène appelé variation somaclonalefait actuellement l’objet d’études approfondies, en relation avecdes équipes de recherche du Royaume-Uni et de Malaisie, enutilisant des approches moléculaires mettant en jeu des tech-niques de pointe disponibles à Agropolis, en particulier grâce àla Génopole montpelliéraine (voir page 16).Contact : Yves Duval, Cirad-IRD, yves.duval@mpl.ird.fr,UMR BDPPC (page 22)

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IRD

Les techniques de multiplication La culture de plantes in vitro sur unmilieu nutritif stérile est déjà ancien-ne et largement répandue en ce quiconcerne le microbouturage ou lemicrogreffage. D’autres techniquessont en cours d’amélioration, parexemple :

• Le sauvetage d’embryonsLes espèces voisines mais peu com-patibles peuvent parfois se croisermais l’embryon qui en résulte estsouvent peu viable ou n’arrive pas àse développer au-delà d’un certainstade. Or, ce type de croisementpourrait permettre d’améliorer lesvariétés cultivées. Le sauvetage d’embryons permetd’obtenir des hybrides à partir despremières cellules issues d’un croise-ment entre espèces " non-compati-bles " : leur récupération à un stadeprécoce, peu de temps après lafécondation, permet de les cultiver

et, ainsi, de les sauver. Cette tech-nique a notamment été utilisée pourles agrumes et pour le riz.

• L’embryogénèse somatique C’est une forme de multiplicationvégétative qui permet d’obtenir unemultitude de plantules identiquesgénétiquement à la plante mère don-neuse d’explants. Elle permet dereproduire à l’identique un individuen millions d’exemplaires à partird’un fragment de feuille ou de tige.C’est une technique très prometteusecar elle permet des taux de multiplica-tion énormes. Elle est égalementencore utilisable dans les systèmes detransgénèse. Elle est surtout utilelorsque la plante ne possède pas demultiplication végétative naturelle(palmier à huile, cocotier...). Malgrécertaines difficultés techniques quiexistent, des centaines de milliers deplants de palmier mais aussi d’hévéa,de cotonnier, de bananier ont été pro-duits, à Montpellier, par ce procédé.

L’ensemble de ces techniques néces-sitent des équipements nouveauxadaptés aux procédés et aux régle-mentations. Les équipes d’Agropolis,à travers leurs travaux de recherche,ont été amenées à inventer ou àadapter ces équipements.C’est le cas des récipients RITA®(voir page 32 "Rita, un appareil quifacilite la culture in vitro") conçuspour permettre une meilleure crois-sance des cultures in vitro.D’autres équipements ont été mis aupoint en collaboration avec des peti-tes et moyennes entreprises locales,comme les serres de confinement oules salles de cultures dont plusieursexemplaires ont été construites enAfrique et en Asie. Il existe dans cedomaine, à Agropolis et dans sonenvironnement, un savoir-faire, enparticulier en matière d’ingénierie invitro qui peut être largementvalorisé.Contact : Jacques Meunier, Cirad,jacques.meunier@cirad.fr

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GlossaireAgro.M : Ecole Nationale Supérieure d’Agronomie de Montpellier (ENSA.M)

DAA : Diplôme d’Agronomie Approfondie DEA : Diplôme d’Etudes Approfondies

DESS : Diplôme d’Etudes Supérieures SpécialiséesDEUG : Diplôme d’Etudes Universitaires Générales

INA-PG : Institut National Agronomique – Paris GrignonINH : Institut National d’Horticulture (Angers)

UM II : Université Montpellier IIUP : Université de Perpignan

La formation à Agropolis

Niveau Diplôme Intitulé de laformation Etablissement Responsable

Bac + 3 2ème cycle LicenceBiologie mention BiologieCellulaire et Physiologie

végétale appliquéeUM II Yves Sauvaires

Bac + 4

Bac + 5

Bac + 5à 8

2ème cycle

Ingéniorat

Formationsprofession-nalisantes

Formationsdoctorales

Maîtrise

Modules spécialisés

DESS

DAA

DEA (bac+5)

Doctorat (bac+8)

Biologie mention BiologieCellulaire et Physiologie

végétale appliquée

Etude de la conservation de la biodiversité : la diversité génétique des organismes

Apport des biotechnologiespour la filière semences

et plantes

L’agriculture sous certification :exemple de la protection

intégrée des cultures

Génétique, génomique ettechnologie avancée dans

le domaine végétal

Ingénierie de la productionvégétale: semences et plants

Ressources phytogénétiques et Interactions biologiques

Développement etadaptation des plantes

Biologie évolutive et écologie

UM II

Agro.M

Agro.M

Agro.M

UM II

Francine Casse

André Charrier

Dominique This

Jean-LoupNotteghem

Michel Lebrun

INA-PG / Agro.M / INH

UM II / Agro.M

UM II / UP /Agro.M

UM II / Agro.M

André Charrier

J.-L. NotteghemIsabelle Oliviéri

Michel LebrunMichel DelsenyClaude Grignon

Bernard DelayJacques Maillet

Agropolis est un des grands pôles français et européen de formation dans le domaine de l’agronomie et du développement agro-alimentaire et rural. Au sein de cet ensemble,

les universités de Montpellier II et de Perpignan ainsi que l’Agro de Montpellier (Agro.M) assurent de nombreuses formations dans le domaine de la génomique végétale, des ressources

génétiques et des biotechnologies, à différents niveaux.

Les formations diplomantes

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Le système d’enseignement supérieur français en évolution

La réforme de l’enseignement supérieur français engagée fin 1998 a pour objectif d’organiser les cursus de formation pour leurharmonisation au sein de l’espace européen,avec 3 niveaux principaux de diplômes : licence (Bac+3), master (Bac+5) et doctorat(Bac+8). Le cursus post-licence se différencieen une voie courte débouchant sur une insertion professionnelle à Bac+5 et une voielongue correspondant aux études doctorales.

La formation continue� Les formations à la cartePour répondre à des demandes collectives ou individuelles,Agropolis peut organiser des sessions spécifiques construitessur mesure : séminaires, stages en laboratoire, formations deterrain, formations de formateurs, ... Selon la demande et lecontexte, ces formations peuvent se dérouler à Montpellier ouà l'extérieur.Pour tout renseignement sur les formations à la carte,consulter le site http://www.agropolis.fr/formation/servicesfc.htmlRemarque : les modules de formations doctorales et profes-sionalisantes sont accessibles à la formation continue.

� "Introduction à la biologie moléculaire", formation d’unesemaine ouverte aux bac + 2. (Lieu : campus de l’Agro.M)Responsable : Philippe Joudrier,joudrier@ensam.inra.fr.

Formation scientifique en biologie moléculaire(France/Afrique) Montpellier

Alain Rival, © IRD-Cirad-CP

Système français Système international

Baccalauréat Fin de la " high school "

DEUG

Licence

Maîtrise

DESS DEA

Doctorat

Bac+1+2

+3

+4

+5

+6+7+8

BSc

MSc

PhD

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L’Ecole doctorale (ED) regroupe l’ensemble du cursus d’études,de formation et de recherche qui conduit à la thèse de doctorat.Ce cursus débute par l’année de DEA (B+5) et se prolonge pardes compléments de formation apportés sous forme de séminai-res et conférences scientifiques, de modules de formation pen-dant les 3 années de préparation de la thèse. Ces modules ontpour but d'améliorer la formation scientifique des doctorants etde mieux préparer leur avenir professionnel.

L’Ecole doctorale " Biologie intégrative " rattachée à l’UM II s’in-téresse à l’intégration des processus biologiques et aux interac-tions dans les systèmes biologiques pour répondre aux enjeuxde la conservation de la biodiversité, de la protection de l’envi-ronnement, du développement durable en agriculture et de l’es-sor des biotechnologies. Les 6 thèmes scientifique prioritaires decette ED sont :

• Biodiversité, mécanismes de l’évolution, ressources génétiques.• Génomique : structuration et organisation du génome, fonc-tions des gènes et régulations, génomique fonctionnelle.• Interactions hôtes-parasites et hôtes symbiotes.• Ecologie des populations, des communautés et des écosystè-mes ; changements globaux.• Physiologie et écophysiologie des relations plantes-milieu bio-tique et abiotique.• Mathématiques et informatique appliquées aux systèmes etprocessus biologiques.

L’Ecole doctorale " Biologie intégrative " est constituée de 7formations doctorales habilitées à délivrer le DEA quiaccueillent 75-80 étudiants par an.Avec un flux de 60 nouveauxinscrits/an, l’Ecole doctorale gère près de 200 doctorants. Ilssont accueillis dans une trentaine d’unités mixtes de recherche,rattachées à l’enseignement supérieur (UM II / Agro.M), dépen-dant des instituts de recherche Cirad, CNRS, INRA, IRD du sitede Montpellier.

Les formations doctorales sont plus particulièrement orientéesvers le thème des biotechnologies végétales, de la génomique etdes ressources génétiques :

- DEA " Ressources Phytogénétiques et InteractionsBiologiques ",- DEA " Développement et Adaptation des Plantes ",- DEA " Biologie évolutive et Ecologie " .

L’Ecole doctorale "Biologie intégrative"

Afin d’améliorer leur condition de séjour,Agropolis renseigneet oriente les étudiants et stagiaires étrangers pour :- les formalités d’obtention des titres de séjour,- la recherche d’un logement,- les demandes d’allocation logement,- les aspects pratiques de la vie étudiante (restauration,transports, activités culturelles…)

Agropolis propose également, dans le cadre de certains cursusde spécialisation, un module d’accueil personnalisé pour étu-diants étrangers. Un ensemble de services associés à la forma-tion choisie par l’étudiant comprend au sein d’une phase prépa-ratoire :- des cours de français,- une période de stage en laboratoire,- des cours complémentaires (pré-requis) définis avec leresponsable de la formation,- un tutorat personnalisé.

Quelques chiffres…- Nombre de thèses réalisées dans le domaine Biotechnologiesvégétales, Génomique et Ressources génétiques : 20-25 par an.- Stocks d’étudiants : 75 thésards, 30 DEA, 15 DESS, 15 DAAsoit un total de 135 personnes en 3ème cycle.

Accueil des étudiants et stagiaires étrangers

Etudiants en formation dans la collectionde vigne de l’Agro.M

J.-L. Porreye, © Agro.M

Contact et coordonnées- DEA et Ecole doctorale Biologie Intégrative :

André Charrier, Agro.M, acharrie@ensam.inra.fr fax : +33 (0) 4 67 04 54 15

- Formation continue et accueil des étudiants et stagiaires étrangers : http://www.agropolis.fr,

rubrique "formation", agropolis@agropolis.fr,fax : +33 (0)4 67 04 75 99

Cette publication a été réaliséeavec le soutien de l’Etat et de laRegion Languedoc-Roussillon.

Les organismes membresd’Agropolis impliqués dans le

domaine des ressources génétiques de la génomique et des

biotechnologies végétales :AGRO Montpellier (Ecole Nationale

Supérieure Agronomique de Montpellier)2, Place Pierre Viala

F-34060 Montpellier Cedex 1Tél : +33 (0)4.99.61.22.00

http : //www.ensam.inra.fr

CIRAD (Centre de coopération internatio-nale en recherche agronomique pour le

développement)2477, avenue Agropolis - BP 5035

F-34032 Montpellier Cedex 1Tél : +33 (0) 4 67 61 58 00

http : //www.cirad.fr

CNRS (Centre National de la RechercheScientifique)

Route de MendeF-34293 Montpellier Cedex 5

Tél.: +33 (0)4 67 61 34 34http://www.dr13.cnrs.fr/

INRA (Institut National de la RechercheAgronomique)

2, Place VialaF-34060 Montpellier Cedex 1

Tél : +33 (0) 4 99 61 22 00http : //www.ensam.inra.fr

IRD (Institut de Recherche pour leDéveloppement)

911, avenue Agropolis - BP 5045F-34032 Montpellier Cedex 1

Tél : +33 (0) 4 67 41 61 00http : //www.mpl.orstom.fr

Université Montpellier II (UM II)Place Eugène Bataillon

F-34095 Montpellier Cedex 5Tél : +33 (0) 4 67 14 30 30

http : //www.univ-montp.fr

Université de Perpignan52, Avenue de Villeneuve

F-66860 Perpignan CedexTél : +33 (0) 4 68 66 20 00

http : //www.univ-perp.fr

Directeur de la publication :Michel de Nucé de Lamothe

Réalisation : Véronique Molénat, Yves Savidan

Coordonnateur scientifique : André Charrier

Ont participé à ce numéro :Marc Berthouly, André Bervillé, Didier Bogusz,

Fabien Boulier, Jean-François Briat, Richard Cooke,Evelyne Coste, François Cote, Michel Delseny,

Martine Devic, Angélique D’Hont, FrançoiseDosba, Stéphane Dussert, Yves Duval, Manuel

Echeverria, Alain Ghesquière, Marc Giband, Jean-Christophe Glaszmann, Alain Gojon, Claude

Grignon, Serge Hamon, Emmanuel Guiderdoni,Philippe Joudrier, Pierre Lagoda, Ludovic Lardet,

Jérémie Lecoeur, Jacques Maillet, Jacques Meunier,Yves Meyer, Bertrand Muller, Jean-Loup

Notteghem, Michel Peterschmitt, Jean-Claude Prot,Hervé Rey, Michel Rossignol, Marc Seguin, HervéSentenac, Thierry Simonneau, François Tardieu,

Didier Tharreau, Patrice This.

Remerciements pour les photos : Bernard Marin,Danièle Cavanna, Sémiha Cebti,

Jean-Pierre Grouzis, Thierry Lacombe, Marc Lartaud.

Mise en page : Design Publicis Méditerranée

Impression : IMP’ACT imprimerie

&&Ressourcesgénétiques

GénomiqueBiotechnologies

végétales

Ressourcesgénétiques

GénomiqueBiotechnologies

végétales

numéro 1 - mai 2001

AGROPOLISLES DOSSIERS

Compétences de la communauté scientifique

Institut de recherchepour le développement

AGROPOLISAvenue Agropolis

F-34394 Montpellier Cedex 5France

Tél. : +33 (0)4 67 04 75 75 - Fax : +33 (0)4 67 04 75 99e-mail : agropolis@agropolis.fr http://www.agropolis.fr