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Analyse du contrôle génétique de l'acquisition et de la répartition des assimilats azotés chez les légumineuses
(ACR)
- Mot(s) clé(s) :
Objet d'étude : féverole, légumineuse, medicago truncatula, pois, protéagineux
Question sociétale et finalité, contexte : alimentation animale, variabilité génétique
Démarche, discipline : Amélioration des plantes, biologie moléculaire, Génétique des plantes
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Objet d'étude : féverole, légumineuse, medicago truncatula, pois, protéagineux
Question sociétale et finalité, contexte : alimentation animale, variabilité génétique
Démarche, discipline : Amélioration des plantes, biologie moléculaire, Génétique des plantes
Dispositif technique et méthode d'étude : cartographie génétique, création variétale, experimentation, expérimentation
Composé chimique, Facteur du milieu : remplissage de la graine
Phénomène, processus et fonction : expression des gènes, expression génique, interaction gxe, mutagénèse, nutrition azotée, qualité, ressource génétique, valeur alimentaire
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- Description détaillée :
Dans ce cadre de diversification des sources de protéines végétales, depuis le début des années 80 Afficher la suite
Dans ce cadre de diversification des sources de protéines végétales, depuis le début des années 80, la culture de protéagineux, principalement du pois, a connu un essor important en Europe et en particulier en France. Actuellement en raison de sa composition équilibrée en énergie et en azote, 95 % de la production de pois est utilisée pour l'alimentation animale. Cependant le taux d'incorporation du pois protéagineux reste inférieur à son potentiel. Les principaux freins à une utilisation et une production plus importante sont une évolution modérée du rendement, une instabilité des performances : une relative faiblesse de la teneur en protéines, et une instabilité de la teneur en protéines. Une meilleure adéquation entre accumulation, utilisation et remobilisation des assimilats au cours du cycle de culture pourrait permettre de répondre à ces différents inconvénients.

Le remplissage des graines dépend non seulement de la fourniture exogène en C (photosynthèse) et N (assimilation racinaire et fixation nodulaire) à la plante, mais aussi des remobilisations des organes végétatifs vers les graines. En effet, bien qu'en conditions potentielles l'assimilation racinaire de l'azote minéral du sol et l'activité fixatrice symbiotique soient complémentaires et assurent une alimentation en N optimale du peuplement, l'absorption d'N diminue durant le remplissage des graines et n'est alors pas suffisante pour satisfaire les besoins élevés des graines en remplissage. Cette situation à ce stage entraîne des remobilisations de N des tissus végétatifs. Ces mécanismes interagissent avec la photosynthèse et induisent la sénescence qui réduit la durée de remplissage des graines. Nous proposons en tant qu'idéotype, d'augmenter les flux de C et N vers les graines durant leur remplissage, afin d'améliorer le rendement en quantité et qualité, ce qui implique donc d'optimiser l'ampleur des remobilisations d'azote et de maîtriser l'interaction entre fixation et assimilation pour permettre i) une alimentation azotée optimale sur le cycle de culture, ii) de valoriser l'azote disponible dans le sol pour son transfert vers les organes récoltés, ii) de minimiser les résidus azotés des pailles à la récolte. Parmi les légumineuses à graines riches en protéines, le pois est la culture qui a connu un développement récent et rapide (surfaces multipliées par 20 en 20 pour atteindre 550.000 ha en France en 1998). L'intérêt majeur de cette production est d'être une source de protéines alternative aux importations de tourteaux de soja qui sont largement utilisées dans l'alimentation animale, ainsi qu'aux farines de viandes. L'augmentation de la teneur en protéines de la graine permettra de plus forts taux d'incorporation dans les aliments (17 Mt potentiellement utilisables en Europe). Une amélioration de sa digestibilité chez l'animal conduira à une réduction significative de la charge azotée dans les effluents d'élevage et donc de leur risque polluant. Cette culture est par ailleurs une excellente tête d'assolement dans les exploitations céréalières. C'est une culture à faible niveau d'intrants en nécessitant aucune fertilisation azotée du fait de sa symbiose avec Rhizobium et ayant de faibles besoins en irrigation. Une stabilisation de la composition de la graine et du rendement fidélisera utilisateurs et producteurs. - Groupe protéagineux DGAP INRA.
- Nutritionnistes animaux (SRPV Saint-Gilles, SRA Nouzilly).
- Plateforme Protéomique (INRA Le Moulon, ENSAM Montpellier).
- Groupe Biologie des Semences (INRA Versailles).
- Génétique des symbioses avec Rhizobium et Mycorhize chez Medicago truncatula (INRA PME Dijon, INRA Toulouse et ISV Gif sur Yvette).
- Ressources génétiques de Medicago truncatula (DGAP Montpellier).
- Génoplante : Bioplante, Biogemma.
- GLIP : H. Weber(U. Gaterslebon, D), M. Stitt (Max Planck, MPI Golm, D), A. Gojon (INRA Montpellier).Analyser la variabilité génétique exploratrice de la variabilité naturelle ou induite après mutagénèse insertionnelle et environnementale (i) de la mise en place du système racinaire et des nodosités chez le pois et Medicago truncatula et (ii) de la remobilisation d'azote des parties végétatives vers les graines chez le pois, identifier des génotypes contrastés et mesurer l'effet de cette variabilité sur la composition protéique des graines.

Caractériser des QTL de paramètres écophysiologiques en relation avec la composition de la graine par la cartographie conjointe de QTL de teneur et de composition protéique de la graine (PQL polypeptides de réserve), de QTL d'indicateurs de l'efficience de la nutrition azotée et de remobilisation, et de gènes candidats.

Identifier des gènes candidats fonctionnels et positionnels et valider leur rôle par génétique d'association et/ou TILLING. Etudier les effets de la modulation de leur activité sur la quantité et la qualité de graines.

Intégrer à l'échelle du génotype des gènes de nutrition azotée et valider leur intérêt pour la qualité de la graine. Dans le cadre du projet nous proposons d'étudier l'impact de l'introgression des gènes de nutrition azotée dans du matériel agronomique performant, hiver et printemps, et dans du matériel original déjà caractérisé pour la qualité de la graine. *Nutrition azotée :
Notre objectif est de concevoir et réaliser des idéotypes de nutrition azotée, combinant de manière optimale les 2 ressources, l'activité fixatrice d'azote gazeux et l'assimilation de l'azote minérale du sol. Pour répondre à cet objectif, nous avons exploré et analysé deux types de variabilité génétique (naturelle ou induite) pour le développement nodulaire ou racinaire. L'analyse a contribué à localiser les gènes sym19, sym9 et sym10 sur la carte génétique du pois, dans le cadre des études de synténie avec Mtr. A partir du programme de mutagénèse insertionnelle avec l'élément En/Spm (P. Ratet, ISV Gif), 2 mutants Fix- de Mtr ont été isolés. L'utilisation d'un mutant non fixateur de pois (Nod-), dans l'étude AIP AGRAF, a permis de démontrer l'effet d'un déficit d'alimentation azotée sur la composition de la graine, avec une réduction de la teneur en protéines. L'analyse des mutants (Nod++), super-nodulants (et également nitrate-tolérants), réalisée dans le cadre de collaborations diverses a permis d'identifier chez le pois cv Frisson, 3 gènes dont un à déterminisme racinaire (nod3) et deux à déterminsme aérien (sym28 et sym29) alors qu'un seul gène (à déterminisme aérien) a jusqu'alors été identifié chez Mtr. Par une démarche gène candidat, en collaboration avec J. Stougaard (Aarhus), nous vons pu montrer que sym29 est, comme le gène Har1 qui induit un caractère Nod++ chez Lotus japonicus, orthologue du gène Clavata1 (sérine/thréonine receptor kinase putative) d'Arabidopsis. Depuis 2001, notre démarche s'est complétée d'une étude exploratoire de la variabilité génétique de la mise en place des racines et des nodosités qui existe chez le pois, et sa relation avec le rendement en protéines dans la graine.

*Remobilisation :
Des gènes et des protéines différentiellement exprimés au cours de la remobilisation d'azote des parties végétatives vers les graines chez le pois ont été identifiés. Une banque d'ADNc soustractive a été réalisée (coll. X. Sarda, Rhobio) pour isoler des gènes différentiellement exprimés. Parmi les gènes connus, les enzymes hydrolytiques, des transporteurs de sucre ou d'acides animés. Huit gènes codent pour des protéines induites lors d'un stress (sécheresse, stress oxydatif). Une analyse protéomique des feuilles et des tiges de "Caméor" pendant le remplissage des graines a permis l'identification de spots protéiques montrant une accumulation différentielle au cours de la remobilisation (Schiltz et al. 2004).

*Déterminisme génétique de la teneur en protéines de graines chez le pois - Cartographie de gènes candidats :
Nos efforts se sont tournés dans un premier temps vers le développement d'outils : 5 populations de lignées recombinantes (environ 900 RILs au total) ont été développées chez le pois à partir de croisements entre des génotypes montrant des compositions protéiques de graines contrastées.
Une carte génétique fonctionnelle a été développée chez le pois. Elle comprend plus de 300 marqueurs microsatellites, et une centaine de marqueurs de gènes de fonction connue (Loridon et al. 2005, Aubert et al. In prep). Cette carte fonctionnelle a permis une étude de cartographie comparée Pois - Medicago truncatula, montrant une conservation des groupes de liaison entre ces deux espèces (Aubert et al. In prep).
Nos résultats concernant la cartographie de QTL de la teneur en protéines de graines parallèlement à la cartographie de QTL de caractères indicateurs de la disponibilité en azote des plantes ou de la foce de puits des graines, et de caractères de productivité en graines sont en cours d'exploitation. Pour répondre aux enjeux de l'amélioration génétique de la valeur nutritionnelle des graines de légumineuses, notre équipe analyse la variabilité génétique et environnementale des mécanismes élémentaires impliqués dans la fourniture en assimilats vers les graines (efficience des voies de nutrition azotée et remobilisation d'azote au cours du remplissage des graines) et leurs effets sur la composition protéique des graines de légumineuses.

En effet, contrairement aux autres plantes de grandes cultures, la nutrition azotée des légumineuses se présente sous un mode d'alimentaiton mixte avec des conditions variables de ces voies de fixation de l'azote atmosphérique, ou d'assimilation de l'azote minérale du sol selon le génotype et les conditions de milieu. L'effet déterminant de la nutrition azotée sur l'élaboration du rendement et de sa qualité et l'importance de la fixation symbiotique désignent l'acquisition de l'azote comme une étape clé du fonctionnement à prendre en compte. De plus, la demande élevée en azote lors du remplissage des graines ne peut pas être satisfaite uniquement par les voies de fixation et d'assimilation. Une part importante de l'azote accumulé dans les graines provient de la remobilisation de l'azote accumulé dans les parties végétatives. Les niveaux et la vitesse de remobilisation de l'azote sont donc déterminants pour i) l'accumulation des réserves azotées dans les graines et ii) le maintien d'une surface photosynthétique active apte à assurer l'accumulation de carbone par le peuplement.

Notre objectif est d'identifier des gènes clés et des idéotypes associés à ces mécanismes, et à terme, de guider l'introgression de ces gènes par sélection assistée par marqueurs. Des approches écophysiologiques, transcriptomiques et protéomiques sont mises en France pour identifier des gènes impliqués dans les mécanismes physiologiques. Des approches de cartographie de QTL (QTL des caractères d'intérêt et de paramètres écophysiologiques pertinents, PQL "Protein quantity loci") et de génétique d'association sont utilisées pour valider le rôle des gènes identifiés dans la variabilité génétique de la composition des graines. Réduire

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