Analyse d’une population AB-QTL pour l’identification de QTL impliqués dans la morphologie de la plante chez l’arachide (Arachis hypogaea. L)

Analyse d’une population AB-QTL pour l’identification de QTL impliqués dans la morphologie de la plante chez l’arachide (Arachis
hypogaea. L)

Généralités sur l’arachide 

Origine et distribution géographique de l’arachide 

L’arachide est une plante tropicale originaire d’Amérique du Sud. Le centre d’origine se situe à l’Est des Andes dans une région comprise entre le Sud-est de la Bolivie, le Nord-Ouest de l’Argentine, le Nord du Paraguay et la région Ouest du M atto Grosso au Brésil (Fonceka, 2010). L’origine Sud américaine du genre Arachis a été confirmée par des fouilles archéologiques au Pérou qui ont été sanctionnées par la découverte de restes de péricarpes (Hammons, 1994). L’espèce cultivée (A. hypogaea L.) est une plante autogame, allotétraploide (2n=4x=40) qui a été probablement domestiquée sur le versant oriental des Andes entre le Sud de la Bolivie et le Nord de l’Argentine. En effet, c’est dans cette zone que les plus probables ancêtres sauvages de l’arachide ont été retrouvés (Krapovickas and Gregory, 1994). Au sein de l’espèce A. hypogaea, il existe deux sous espèces : A. hypogaea sp Hypogaea et A. hypogaea sp. Fastigiata dont chacune comprend deux variétés botaniques suivant que le port est érigé ou rampant et qu’il y ait ou non de s fleurs sur la tige principale (Singh et Simpson, 1994). A partir de son centre d’origine, l’arachide a é té diffusée vers l’Amérique centrale et les Caraïbes à l’époque précolombienne. Sa dispersion dans le monde, au XVIe siècle, a été favorisée par les navigateurs, surtout espagnols et portugais, d’abord vers l’extrême orient à partir des côtes péruviennes et ensuite du Brésil vers l’Afrique de l’Ouest (Hammons, 1994). L’expansion s’est poursuivie vers l’Europe et le reste du monde .

 Classification botanique

L’arachide fait partie de la grande famille des Légumineuses. Cette famille est divisée en trois sous-familles : les Mimosoideae, les Caesalpinoideae et les Papilionoideae. C’est dans cette dernière sous-famille que l’on retrouve la plupart des légumineuses cultivées à haute valeur économique. L’arachide appartient à la tribu des Aeschynomeneae, la sous-tribu des Stylosanthenae et au genre Arachis. Le genre Arachis comprend 80 espèces décrites qui ont été réparties en 9 s ections en fonction de leur morphologie, de leurs garnitures chromosomiques et de leur compatibilité de croisement (Krapovickas and Gregory, 1994; Valls and Simpson, 2005). Les sections Caulorrhizae, Erectoides, Extranervosae, Heteranthae, Procumbentes, Trierectodes et Triseminatae sont composées d’espèces diploïdes (2n=2x=20), aneuploïdes et tétraploïdes (2n=4x=40) (Stalker and Simpson, 1995). 5 Les sections Arachis et Rhizomatosae sont composées d’espèces diploïdes (2n=2x=20, 2n=2x=18) et d’espèces tétraploïdes (2n=4x=40) (Smartt and Stalker, 1982). L’arachide cultivée appartient à la section Arachis dans laquelle 29 espèces diploïdes et tétraploïdes ont été décrites.

 Description de la plante 

L’arachide cultivée est une légumineuse herbacée annuelle à fleurs jaunes de 30 à 70 cm de hauteur. C’est une plante autogame, mais elle a un taux moyen d’allogamie qui varie de 0,20 à 5% (Schilling et al., 1996). Elle est rustique et résistante à la sécheresse avec un besoin en eau de 400 mm pour un cycle de 90 jours. Le système racinaire est pivotant avec de nombreuses ramifications secondaires. Les racines de l’arachide portent des nodosités fixatrices d’azote caractéristiques des légumineuses. Certaines variétés présentent des tiges dressées, d’autres produisent des stolons qui s’étalent sur le sol. Les feuilles d’arachide sont alternes avec deux paires de folioles membraneuses, opposées, de forme elliptique et de couleur verte plus ou moins foncée ou pl us ou m oins jaune selon les variétés. Les pétioles (portion étroite de la feuille reliée à la tige) sont enserrés à leur base par deux stipules engainantes et lancéolées. Les fleurs sont presque sessiles et apparaissent à l’aisselle des feuilles, isolément ou en petits groupes. La corolle papilionacée est jaune orangée. Les étamines au nombre de 9 sont soudées en tube par leur filet. Après la fécondation, la base de l’ovaire s’allonge pour former un pédoncule floral appelé gynophore qui s’enfonce dans le sol par un géotropisme positif (Schilling, 2003). Son mode de fructification est donc hypogée. Le fruit mûrit à une profondeur de 3 à 5 cm. L’arachide est une plante qui requiert pour cette raison un sol léger et bien drainé. Le fruit est une gousse de 2 à 3 cm de long et de couleur jaune paille. La gousse est composée d’une coque indéhiscente contenant le plus souvent deux graines, qui est réticulée extérieurement et étranglée entre les graines mais non cloisonnée. Son bec et ses constrictions constituent des paramètres de classification. Les graines ovoïdes sont enveloppées individuellement dans un tégument sec de différentes couleurs. 6 Figure 1: Représentation d’une plante d’arachide. 1 : feuille composée de 4 folioles, 2 : fleur, 3 : hypanthe, 4 : gynophore, 5 : gousse, 6 : bec de la gousse, 7 : constriction ; 8 : tégument de la graine, 9 : graine sans tégument, 10 : cotylédon portant l’hypocotyle, l’épicotyle et la radicule (Source : Fonceka, 2010). 

Importance de l’arachide

 L’arachide cultivée (Arachis hypogaea L.) est principalement transformée en huile, en farine et en dérivés qui entrent dans la composition de produits alimentaires et autres (confiserie, beurre de cacahuète, pâte d’arachide…). L’arachide représente environ 10% de la production mondiale d’oléagineux (Fletcher and Nadolnyak, 2006). Elle est considérée comme une source d’énergie car les graines sont riches en huile (48-50%) et en protéine (25-28%). Elles fournissent 564 kcal d’énergie pour 100 g de graines (Jambunathan, 1991), et sont des sources de plusieurs vitamines, minéraux, antioxydants, poly phénols biologiquement actifs, flavonoïdes (Janila et al., 2013). L’arachide est aussi utilisée pour l’alimentation animale que se soit en forme de foin après séchage des fanes ou de tourteau. Suite aux menaces qui pèsent sur les ressources énergétiques non renouvelables, des études sont en cours à Georgia University pour la production de biocarburant à base d’arachide. 7 Ainsi, une variété d’arachide dénommée « Georganic » à forte teneur en huile, impropre à la consommation humaine et à faible besoin d’intrants a été développée. 

 Structuration de la diversité et pools génétiques de l’arachide

 L’avènement des marqueurs moléculaires a facilité l’analyse de la diversité génétique qui existe chez l’arachide. Ils ont permis de préciser la structuration génétique décrite à partir de l’analyse des données agro-morphologiques et des analyses cytologiques (Fonceka., 2010). L’analyse cytogénétique portant sur de la structure des chromosomes a permis de subdiviser la section Arachis en trois génomes différents (Fernandez and Krapovickas., 1994). Dans cette répartition on trouve les espèces du génome A avec une paire de chromosomes plus petits qui sont absents chez les espèces du génome B. Ces dernières se caractérisent par une paire de chromosome présentant une constriction secondaire. Cependant, des études plus récentes portant sur la cartographie de l’ADN ribosomiques révèlent des différences au sein du génome B et ont proposé deux génomes supplémentaires : K et F (Robledo and Seijo, 2010). Enfin, la seule espèce décrite de génome D serait A. glandulifera qui se caractérise par un caryotype unique et asymétrique (Stalker, 1991). Il existe une forte diversité agro-morphologique au sein de l’arachide que se soit chez l’espèce cultivée ou chez les espèces sauvages. Cependant l’espèce cultivée présente une faible diversité moléculaire qui a ét é expliquée par l’origine monophylétique récente de l’espèce tétraploïde cultivée (Kochert et al., 1996) et par la domestication qui s’en est suivie (Burow et al., 2001). La section Arachis contient 29 e spèces décrites dont 27 s ont diploïdes et deux tétraploïdes. Les 2 espèces tétraploïdes sont notamment l’espèce cultivée A. hypogaea et l’espèce sauvage A. monticola, toutes deux de génomes AABB (Moretzsohn et al., 2004). L’arachide présente au moins 3 pools génétiques. Le pool génétique primaire comprend des lignées élites, des variétés de l’espèce cultivée A. hypogaea et A. monticola (Moretzsohn et al., 2004). Même si une grande quantité de variation phénotypique est remarquée dans ce pool primaire, seul un niveau limité de polymorphisme entre génotypes a été observé (Gimenes et al., 2007) avec des marqueurs de l’ADN. Le pool génétique secondaire comprend principalement des espèces sauvages diploïdes (2n= 2x= 20) et représente une source importante de variation qui peuvent être utiles à l’amélioration du cultigène pour la résistance à diverses maladies, aux insectes ou encore la tolérance à la sécheresse (Fonceka et al., 2012). Enfin le pool tertiaire qui regroupe les espèces des 8 autres sections du genre Arachis est composé entre autres d’espèces aneuploïdes, diploïdes et tétraploïdes. 

 Les marqueurs moléculaires et leurs applications dans l’analyse génétique chez les plantes

 Un marqueur moléculaire est tout fragment d’ADN ou de protéine facilement détectable et dont l’hérédité peut être suivie ou associée à l’hérédité d’un caractère phénotypique déterminé indépendamment des variations de l’environnement (Najimi et al., 2003). Les marqueurs moléculaires de l’ADN sont utilisés pour, l’analyse de la diversité génétique, la cartographie génétique, la localisation de gènes en relation avec les caractères phénotypiques d’intérêt et la sélection assistée par marqueurs moléculaires (SAM). Les progrès réalisés ces dernières années dans le développement de marqueurs ont permis de mieux caractériser les ressources génétiques. Différents types de marqueurs ont été développés durant ces 30 dernières années. Ils sont basés sur des systèmes de révélations différents que sont : l’hybridation ou l’amplification PCR. Les RFLPs (Restriction Fragment Length Polymorphism) sont des marqueurs obt enus par hybridation tandis que les RAPD (Random Amplified Polymorphic DNA), les AFLP (Amplified Fragment Length Polymorphism), les SSR (Simple Sequence Repeat), SNP (Single Nucleotide Polymorphism) et récemment les DArt (Diversity Arrays technologies) sont obtenus par techniques PCRs. (Gupta et al., 2010 ; Varshney et al., 2006). Les microsatellites (Litt et Luty, 1989) connus sous divers noms tels que courtes répétitions en tandem STR (Edward et al., 1991), répétition de séquences simples SSR (Jacob et al., 1991), ou polymorphisme de longueurs de séquences simples SSLP (Tautz., 1989) sont des séquences constituées de répétition en tandem de motifs di, tri, ou tétra-nucléotidiques. L’intérêt génétique des marqueurs SSR réside dans leur polymorphisme élevé, leur codominance et leur multi-allélisme. Le polymorphisme élevé est vraisemblablement lié aux erreurs de « glissement » de la polymérase lors de la réplication des chromosomes (Santoni et al., 2000). Un motif microsatellite donné n’est pas spécifique d’un locus ; en revanche les séquences qui encadrent le motif le sont. Le développement des SNP et leurs applications chez les espèces végétales deviennent de plus en plus courants même si leur utilisation est difficile dans les laboratoires à faible niveau d’équipements. Ils révèlent un polymorphisme d’un seul nucléotide et sont adaptés aux approches de genotypage de haut débit. Chez l’arachide, pour des études de diversité, les marqueurs moléculaires de type RFLP, RAPD, et AFLP ont été utilisés et ont révélé un faible taux de polymorphisme (Varshney et al., 2005). Singh et al. (1998) ont expliqué ce faible polymorphisme observé dans le 9 compartiment cultivé par l’inadéquation du matériel génétique utilisé dans les différentes études et ont préconisé l’utilisation d’une méthode d’échantillonnage plus rigoureuse et l’utilisation de marqueurs de type SSR ou AFLP. Ces dernières années des efforts importants ont été faits pour développer des microsatellites chez l’arachide (Moretzsohn et al., 2005 ; Mace et al., 2007 ; Ferguson et al., 2004). A ce jour, environ 10 000 marqueurs SSR ont été identifiés par différents groupes de chercheurs (Zhao et al., 2012) et avec ces marqueurs des progrès considérables ont été réalisés pour le développement de cartes génétiques et pour les études de diversité des espèces sauvages et des espèces cultivées de l’arachide ( Gimenes et al., 2007). 

 Les ressources génétiques sauvages et leurs utilisations dans les programmes de création variétale 

La domestication est la sélection exercée par l’Homme sur les espèces sauvages afin de leurs données des caractères désirés. Elle a comme conséquence une modification de la productivité, de la morphologie des plantes, de l’adaptation aux conditions environnementales, et en général, une diminution conséquente de la variabilité génétique. Par ailleurs, elle pourrait avoir comme effet une contre sélection d’allèles potentiellement intéressants. Chez l’arachide cultivée (A. hypogaea L), l’origine monophylétique et la domestication qui s’en est suivi sont les principales causes du faible taux de polymorphisme observé (Kochert et al., 1996). Au cours du pr ocessus de domestication de l’arachide les caractères bec, constriction et tant d’autres ont été contre sélectionnés par l’homme. Les espèces sauvages diploïdes sont des réservoirs d’allèles pour la résistance/tolérance à plusieurs facteurs biotiques et abiotiques. Elles peuvent être utilisées pour améliorer la productivité et l’adaptabilité des espèces cultivées (Fonceka et al., 2012). Tanksley et al. (1996) ont proposé une approche efficiente de backcross dénommée Advanced Backcross (AB_QTL) pour détecter et cartographier des QTL et les transférer simultanément des espèces sauvages vers celles cultivées. Les chercheurs ont été intéressés par l’introduction d’espèces sauvages dans les programmes de sélection. Cependant la différence du niveau de ploïdie et les barrières de fécondité liés des croisements interspécifiques entravent leur utilisation efficace. De toute évidence, une bonne compréhension des relations entre les espèces cultivées sauvages et celles cultivées faciliteraient la production d’hybrides fertiles et par conséquent, l’introgression de gènes sauvages chez les espèces cultivées (Leal-Bertioli et al., 2015, Robledo and Seijo., 2007) .