etude des complexes despèces et de lhistoire évolutive des espèces cultivées
TRANSCRIPT
Etude des complexes d’espèces et de l’histoire évolutive des espèces cultivées
Etude des complexes d’espèces et de l’histoire évolutive des espèces cultivées
Michel PitratMichel Pitrat
Claude FouryClaude Foury
Editions INRA 2003Editions INRA 2003
Zone d’origine d’une espèce: celle où le progéniteur sauvage est présent ainsi que des espèces sauvages voisines. Généralement lieu de la domestication.
Zone de diversification: celle où de nombreuses formes ont été sélectionnées à partir du premier type domestiqué.
Il peut y avoir plusieurs domestications indépendantes.
Introduction: installation d’une plante hors de son aire originelle
Acclimatation: installation dans une région différente d’une plante capable d’y survivre.
Domestication: « mettre sous dépendance totale »
Ensemble des processus d’évolution d’une population sous la double contrainte de ses propres aptitudes morphologiques, physiologiques donc génétiques à s’adapter et du pouvoir de l’homme à conduire ces
transformations
Polyploïdie: stock chromosomique de base diploïde (2n=2x) multiplié par deux (2n=4x) ou plus.
Autopolyploïdie: doublement, triplement etc … du nombre chromosomique de base (pomme de terre, poireau)
Allopolyploïdie: stock chromosomique de base doublé (ou plus) par l’association de stocks venant de deux ou plusieurs espèces (blé, pommier)
Rosaceae
Malus (2x)Pyrus (2x)
Maloideae
x=17
Spiraeoideae
x=9Rosoidea
ex=7
Rosa (2x), (4x)
Fragaria F. vesca (2x) F. x ananassa (8x)
Prunoideae
x=8
P. cerasifera (2x)P. salicina (2x) P. spinosa (4x)P. domestica (6x)
PRUNOPHORA
CERASUSP. avium (2x)P. fruticosa (4x) P. cerasus (4x)
Diversité génétique du cerisier doux (Prunus avium L.) Comparaison avec ses espèces apparentées (P.cerasus L.
et P. x gondouinii Red.) et son compartiment sauvage
Unité de Recherches sur les Espèces Fruitières et la Vigne, INRA, BordeauxUMR Diversité génétique des plantes cultivées, INRA, Montpellier
La diversité morphologique des cerisiers
©INRA
Griotte Layat
Belge
Bigarreau d’orRainier
Gégé
Introduction
Les cerisiers de la section Eucerasus
Prunus fruticosaCerisier des steppes
Espèce tétraploïde FFFF
Prunus x gondouinii=Prunus acida Dum
Cerisier intermédiaireEspèce tétraploïde (AAAF)
Prunus cerasusCerisier acide
Espèce allotétraploïde (AAFF)
Gamètes non réduits
Gamètes non réduits
Introduction
Prunus avium
Espèce diploïde (AA)
Cerisier doux Merisier
Prunus aviumPrunus cerasus
Différenciation morphologique des cerisiers doux et acides
P. avium (AA)Cerisier douxmerisier
P. fruticosa (FFFF)Cerisier des steppes
P. cerasus (AAFF)Cerisier acide
P. x gondouinii (AAAF)Cerisier intermédiaire
Introduction
P. x gondouinii (AAAF)Cerisier intermédiaire
P. cerasus (AAFF)Cerisier acide
P. avium (AA)Cerisier douxmerisier
Intérêt des marqueurs moléculaires
Caractères agromorphologiques
Marqueurs phénotypiques
Limités
Observations sur l’arbre entier,Sur différentes années
Marqueurs moléculaires :
Marqueurs génotypiques
Très nombreux
De jeunes feuilles suffisent Résultats indépendants des effets environnementaux
Introduction
Etude de la diversité génétique au sein de la section EucerasusIntroduction
P. fruticosa (FFFF)Cerisier des steppes
P. x gondouinii (AAAF)Cerisier intermédiaire
P. cerasus (AAFF)Cerisier acide
P. avium (AA)Cerisier doux, merisier
Peut on distinguer à l’aide de marqueurs moléculaires les espèces de cerisiers Prunus avium, P. cerasus etP. x gondouinii ?
Peut on déterminer l’origine du génome A de P. cerasus et P. x gondouinii ?
*
*
Diploïde (2n=2x=16)
Espèce allogame autoincompatible à pollinisation entomophile
Dispersion des graines : zoochorie
L’espèce Prunus avium
Deux compartiments :
les merisiers (compartiment sauvage)
les cerisiers doux (compartiment cultivé)
Introduction
Le compartiment sauvage de Prunus avium : les merisiers
• Multiplication naturelle végétative par drageonnage et
dispersion grâce au transport des graines par les oiseaux
frugivores • Amélioration génétique récente pour le bois
Aire naturelle de dispersion
Introduction
Un événement qui a modelé la diversité des espèces : la dernière glaciation
*18 000 ans BP : calotte glaciaire sur l’Europe du nord
*Pas de données concernant les merisiers
*Trois refuges principaux communs à la majorité des espèces étudiées.
*Voies de recolonisation variables selon les espèces
Introduction
Issu de Taberlet (1988)
Le compartiment cultivé de Prunus avium : les cerisiers doux
Syndrome de domestication :
* Porte principalement sur le fruit
* Port de l’arbre légèrement différent
* Bigarreaux et guignes
* Cultivé dans de nombreux pays
* Critères d’amélioration : grosseur du fruit, grande gamme de maturité, résistance aux maladies
* Multiplié par greffage
Introduction
Merisier Cerisier doux
?
Que sait-on concernant la domestication du cerisier doux ?
* Pas d’analyses moléculaires réalisées sur un grand nombre de génotypes des 2 groupes
*Données archéologiques dispersées concernant principalement les merisiers
* Quelques données historiques issues de documents anciens
Introduction
Que sait-on de la domestication du cerisier doux ?
* Diffusion sur l’ensemble de l’Europe Différenciations locales : variétés de pays
* Amélioration récente par hybridation contrôlée
??
Introduction
52 après JC
300 avant JC
73 avant JC
* Cueillette
* Domestication durant le premier millénaire avant JC 2 hypothèses concernant le centre de domestication
Production basée sur quelques variétés :* 3 variétés = 50% de la production française* 20 à 25 variétés proposées aux arboriculteurs* Plusieurs centaines de variétés existent
Conservation des ressources génétiques des cerisiers douxIntroduction
Nécessité de conserver une part représentative de la diversité des variétés de pays :
besoin d’analyser la diversité génétique pour une gestion raisonnée des ressources génétiques
© INRA
Matériel végétal rassembléMatériel et méthodes
801 génotypes
P. fruticosa (FFFF)Cerisier des steppes
P. x gondouinii (AAAF)Cerisier intermédiaire
P. cerasus (AAFF)Cerisier acide
P. avium (AA)Cerisier doux ou merisier
701génotypes
25 génotypes
9 génotypes
+ 50 Individus non assignés à une espèce
16 génotypes
Matériel végétal : Prunus avium
Merisiers européens et géogiens (P. avium) 413
Cerisiers européens (P. avium) 288
Matériel et méthodes
1. Marqueurs AFLP (Amplified Fragment Length Polymorphism) :
• Marqueurs reproductibles générés en grand nombre• Recouvrent l’ensemble du génome chez les espèces du genre
Prunus• Mais marqueurs dominants
2. Marqueurs microsatellites
• Marqueurs codominants multialléliques• Mais non développés chez P. avium Utilisation de microsatellites développés à partir de banques de P. persica (pêcher) et P. cerasus (cerisier acide)
Matériel et méthodes
Choix des marqueurs AFLP et microsatellites
AFLP Microsatellites
Microsatellites, SSR
GAGA
GAGAGAGA
Capitola CF1116
Capitola x CF1116 (165)
Allèle 1
Allèle 4
Allèle 2Allèle 3
Exemple d’amplification d’un microsatellite sur la descendance Capitola x CF1116
Exemple de gel AFLP sur la descendance Capitola x CF1116
Capitola CF1116
CodominanceCodominance
DominanceDominance
1. Diversité génétique des différentes espèces de cerisiers cultivés : P. avium, P. cerasus et P. x gondouinii
2. La diversité génétique des merisiers (P. avium)
3. La diversité génétique des cerisiers doux (P. avium)
4. Domestication du cerisier doux (P. avium)
Résultats
Résultats
• Peut on différencier les espèces de cerisiers à l’aide de marqueurs AFLP ?
• Peut on identifier l’origine de chaque génome dans les espèces allotétraploides P. cerasus et P. x gondouinii ?
1. Diversité génétique des différentes espèces de cerisiers cultivé : P. avium, P. cerasus et P. x gondouinii
Résultats 1 : diversité génétique des 3 espèces
Les marqueurs AFLP
• Seules les bandes intenses et reproductibles sont prises en compte
• 3 témoins sur chaque gel, reproductibilité d’environ 97%
• 75 marqueurs reproductibles sur les 785 génotypes analysés
Profil AFLP obtenu avec le couple d’amorces EcoRI+ACA, MseI+CG
Résultats 1 : diversité génétique des 3 espèces
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5
Axe 1 (24%)
Axe
2 (6
%)
P. avium
P. cerasus
P. x gondounii
Non classés
Diversité de la section Eucerasus
P. avium (AA)
P. x gondouinii (AAAF)
P. cerasus (AAFF)
Anglaise hâtive
Résultats 1 : diversité génétique des 3 espèces
Classification sur la base des coordonnées sur l’axe 1 de l’AFC
P. avium P. cerasus P. x. goundouinii Total
Classification a priori
P. avium 691 3 7 701
P. cerasus 2 21 2 25
P. x gondouinii 2 4 3 9
Génotypes non assignés 40 6 4 50
Total 735 34 16 785
Nouvelles assignationsRésultats 1 : diversité génétique des 3 espèces
Définition des marqueurs spécifiques de chaque génome
Les 75 marqueurs sont composés de :
*25 marqueurs spécifiques du génome A
*14 marqueurs spécifiques du génome Fdont 5 toujours présents sur le génome F
*31 marqueurs partagés par les 2 génomes
P. fruticosa (FFFF)Cerisier des steppes
P. x gondouinii (AAAF)Cerisier intermédiaire
P. cerasus (AAFF)Cerisier acide
P. avium (AA)Cerisier doux, merisier
Résultats 1 : diversité génétique des 3 espèces
C10
0
C10
2
V35
23
V60
3
Cl 9
2
H2
V17
76
C10
9
H9
V17
77
Cl 9
0
H5
V26
23
Cl 9
3
H20
V35
17
C11
0
H24
V89
7
C11
1
H22
Cl9
4
V26
80
H19
A6
A7
A8
B6
B7
B8
C6
C7
C8
D6
D7
D8
E6 E7 E8 F6 F7 F8 G6
G7
G8
H6
H7
H810 p
b
F
F F F F F FC I C C
Certains marqueurs microsatellites sont partagés par P. cerasus et P. fruticosa
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2
P. avium
P. cerasus
P. x gondounii
Quelle est l’origine du génome A de P. cerasus et P. x gondouinii ?
difficile de déterminer l’origine du génome A chez P. cerasus et P. x gondouinii
Résultats 1 : diversité génétique des 3 espèces
Conclusions : diversité des 3 espèces de cerisiers
* Assignation possible à l’aide des marqueurs AFLPOutil pour la gestion des ressources génétiques
*Détection de marqueurs spécifiquesMarqueurs diagnostics transformés en SCAR
* Difficulté de déterminer l’origine du génome A de P. cerasus et P. x gondouinii avant l’analyse de la diversité génétique des P. avium
Résultats 1 : diversité génétique des 3 espèces
A F C A F C A F C A F C A F C
Hinf I Taq I Alu I Hinf I Taq IK1K2 VL
Détermination de l’origine maternelle: marqueurs chloroplastiques. A: P.avium, F: P. fruticosa, C: P.cerasus
1. Diversité génétique des différentes espèces de cerisiers cultivés : P. avium, P. cerasus et P. x gondouinii
2. La diversité génétique des merisiers (P. avium)
3. La diversité génétique des cerisiers doux (P. avium)
4. Domestication du cerisier doux (P. avium)
Résultats
Résultats
Résultats 2 : la diversité génétique des merisiers
2. La diversité génétique des merisiers
• La diversité génétique des merisiers est-elle structurée géographiquement?
• Existe-t-il des zones de diversité plus importante?
• Peut-on proposer des hypothèses concernant les refuges glaciaires et les voies de recolonisation de l’espèce P. avium?
Provenance des merisiers analysés
16
19
21
12
1921
32
218
23
22
31172
16
23
172
Prospection par population
Prospection par individu Origine précise inconnue
Prospection française (chaque individu est cartographié)
408 génotypes
Résultats 2 : la diversité génétique des merisiers
Microsatellites Nombre d’allèles détectés
UDP96005 16 allèles
PCEGA34 26 allèles
PS12A02 13 allèles
UDP96001 12 allèles
UDP98409 4 allèles
PCHGMS1 14 allèles
Les marqueurs microsatellites
Microsatellite PS12A08 :8 allèles détectés sur 18 génotypes
85 allèles
Résultats 2 : la diversité génétique des merisiers
Représentation des fréquences alléliques du microsatellite UDP 96 005
3 groupes de niveaux de diversité différents
112114118120122124126128130132134136138140146150
30
20
2
105
GéorgieRoumanieGroupe de l’ouest
Résultats 2 : la diversité génétique des merisiers
Représentation des fréquences alléliques du microsatellite UDP 96 005
148
156
158
160
162
164
166
168
170
172
176
178
180
30
20
2
10
5
Bresciano
Autriche
Chizé
Dean
Géorgie
Glen Afric
Kelheim
Lake District
Montejo de la Sierra
Casentini
Roumanie
Schönberg
Slovaquie
Aitone
Tofta
Valbonne
Becerrea-El Caurel
Allemagne
Roncal Valley
Stenshuvud
Résultats 2 : la diversité génétique des merisiers
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
-1 -0.5 0 0.5 1 1.5
Merisiers d'Europe de l'ouest
Merisiers de Roumanie
Merisiers de Géorgie
Analyse AFLP des 3 groupes de merisiers
Merisiers géorgiens plus proches de l’ouest que les roumains
Axe 1 (8.01%)
Axe (6.20%)
Résultats 2 : la diversité génétique des merisiers
Hypothèses des voies de recolonisation postglaciaires
Participation des refuges espagnols et/ou caucasiens pour la recolonisation de l’Europe
?
Originalité des merisiers roumains?
??
Importance du refuge italien ?
*
*
*
Résultats 2 : la diversité génétique des merisiers
1. Diversité génétique des différentes espèces de cerisiers cultivés : P. avium, P. cerasus et P. x gondouinii
2. La diversité génétique des merisiers (P. avium)
3. La diversité génétique des cerisiers doux (P. avium)
4. Domestication du cerisier doux (P. avium)
Résultats
Résultats
3. La diversité génétique des cerisiers doux
La diversité génétique des cerisiers est-elle structurée
• en fonction de l’âge de la variété ?
• en fonction de l’origine de la variété?
Résultats 3 : la diversité génétique des cerisiers doux
Matériel végétal : variétés de cerisier doux
174
27
103
Variétés anciennes 264
Variétés récentes 63327 variétés
3 2
4
13
24
25
1
2
10
211
24 252
Résultats 3 : la diversité génétique des cerisiers doux
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
-1 -0.5 0 0.5 1 1.5
Variétés anciennes
Variétés récentes
Axe 1 (6.82%)
Axe 2 (6.44%)
Diversité génétique des nouvelles variétés de cerisier en fonction de l’âge de la variété
He=0.63
He=0.60
Résultats 3 : la diversité génétique des cerisiers doux
122
124
132
138
140
142
144
146
164
Allemagne
Autriche
Espagne
France
Grande Bretagne
Grèce
Hongrie
Italie
Pologne
RoumanieSuisse
Tchéquie
Yougoslavie
30
20
2
105
Représentation des fréquences alléliques du microsatellite PCHGMS1
Quelques allèles en fréquence importante sur l’ensemble des cerisiersAllèles spécifiques trouvés au sein des cerisiers roumains, italiens et espagnols
Résultats 3 : la diversité génétique des cerisiers doux
Fst=0.04
1. Diversité génétique des différentes espèces de cerisiers cultivés : P. avium, P. cerasus et P. x gondouinii
2. La diversité génétique des merisiers (P. avium)
3. La diversité génétique des cerisiers doux (P. avium)
4. Domestication du cerisier doux (P. avium)
Résultats
Résultats
4. Domestication du cerisier doux
Résultats 4 : la domestication du cerisier doux
• Peut-on déterminer le centre de domestication du cerisier doux?
• Existe-t-il des flux de gènes entre les compartiments sauvage et cultivé?
• Peut-on montrer une perte de diversité génétique au sein des cerisiers due à la domestication et l’amélioration?
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
-1 -0.5 0 0.5 1
Cerisiers doux
Merisiers
Diversité génétique des merisiers et des cerisier douxRésultats 4 : la domestication du cerisier doux
Axe 1 (8.01%)
Axe 2 (6.20%)
Quel est le centre de domestication du cerisier doux ?Résultats 4 : la domestication du cerisier doux
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Cerisiers
Merisiers géorgiens
Merisiers de l'ouest
Merisiers roumains
Cerisiers et merisiers originaux
Axe 1 (8.01%)
Axe 2 (6.20%)
Peut-on mettre en évidence des flux de gènes ?
Roumanie
Suisse
RépubliqueTchèque
Grèce
Hongrie
Italie
Allemagne
Espagne
France
GrandeBretagne
Cerisiers
UDP98409
Bresciano
Autriche
Chizé
Dean
Géorgie
Glen Afric
Kelheim
Lake District
Montejo de la Sierra
Casentini
RoumanieSchönberg
Slovaquie
Aitone
Tofta
ValbonneBecerrea-El Caurel
Allemagne
Roncal Valley
Merisiers
121
123
139
145Microsatellite : UDP 98 409
Résultats 4 : la domestication du cerisier doux
Dans l’ensemble des cerisiers on retrouve :
*2 allèles spécifiques des merisiers de l’ouest
*1 allèle spécifique des merisiers roumains (fréquence très faible)
*5 allèles spécifiques des merisiers géorgiens
retrouvés dans les cerisiers de nombreux pays
30
20
2
10
15
Bresciano
Autriche
Chizé
Dean
Géorgie
Glen Afric
Kelheim
Lake District
Montejo de la Sierra
Casentini
Calabria
Roncal Valley
RoumanieSlovaquie
Aitone
Stenshuvud
Tofta
Valbonne
Allemagne
Becerrea-El Caurel
Schönberg
130
132136
138
142144
146
150152
154
156158160
162
164166
168
170172
174
176178
188
202
206
218
MerisiersPceGA34
Allemagne
Espagne
France
GrandeBretagne
Grèce
Hongrie
Italie
Pologne
RoumanieSuisse
RépubliqueTchéquie
Yougoslavie
30
20
2
10
5
PceGA34
Cerisiers
Peut-on néanmoins déterminer le centre de domestication du cerisier doux en utilisant les allèles spécifiques d’un groupe de merisiers ?
Il existe des allèles spécifiques de chaque groupe de merisiers (ouest, Roumanie, Géorgie)
Dans l’ensemble des cerisiers on retrouve :
*2 allèles spécifiques des merisiers de l’ouest
*1 allèle spécifique des merisiers roumains (fréquence très faible)
*5 allèles spécifiques des merisiers géorgiens
retrouvés dans les cerisiers de nombreux pays
Résultats 4 : la domestication du cerisier doux
Hypothèses de domestication
2. Domestication à l’est et flux de gènes très importants entre cerisiers et merisiers :* Ecrits anciens* Allèles spécifiques
D
1. Domestication à l’ouest (multilocale?)* Explique la proximité entre cerisiers et merisiers de l’ouest
Résultats 4 : la domestication du cerisier doux
Résultats principaux et intérêt pour la gestion des ressources génétiques
*Fruitières :
Distinction moléculaire des 3 espèces de cerisiers cultivésLégère perte de diversité entre les variétés récentes et anciennesIdentification de variétés originales à inclure dans les collections et les schémas d’amélioration
*Forestières:
3 groupes de merisiers de niveaux de diversité différentsIdentification de zones de diversité importante et originaleMise en évidence de génotypes originaux à caractériser et à conserver
Meilleure gestion des ressources génétiques P. aviumpossibilité de constitution d’une core collection de P. avium
Conclusions
Perspectives
Difficile de proposer un scénario de recolonisation et de domestication à l’aide de ces seules données : Nécessité d’augmenter l’échantillonnage à l’Est
Intérêt des marqueurs chloroplastiques : hérédité maternellePhylogéographieElucider les proximités génétiques indépendamment des flux polliniques (centre de domestication)
Compléter avec des études agromorphologiques et archéologiques
Autres voies de recherche :Impact de la sylviculture.Etude de l’origine des génomes de P. cerasus et P. x gondouiniiIdentification des zones impliquées dans le syndrome de domestication
Conclusions
Remerciements Muriel Tavaud
Jacques David Elisabeth DirlewangerAnne Zanetto
Ellen BoutyPatrick CossonGaelle LacourrègePascaline Valancogne
Jacques ClaverieRaymond Saunier