Introduction
L'amélioration des plantes cultivées est un processus continu qui vise à développer des variétés plus performantes, résistantes aux maladies et adaptées aux conditions environnementales changeantes. Parmi les nombreuses techniques utilisées par les sélectionneurs, l'haplodiploïdisation occupe une place de choix. Cette méthode, basée sur la production d'embryons haploïdes, permet d'accélérer la création de lignées pures, un élément essentiel dans la sélection variétale. Cet article se propose d'explorer en détail la définition des embryons haploïdes, les différentes méthodes d'obtention, leurs applications et l'impact de cette technologie sur l'amélioration des plantes.
Définition d'un embryon haploïde
Un embryon haploïde est un embryon végétal qui contient un seul jeu de chromosomes (n), au lieu des deux jeux de chromosomes (2n) présents dans les cellules somatiques des plantes diploïdes. En d'autres termes, il possède la moitié du matériel génétique d'une cellule somatique normale. Cet état haploïde peut être obtenu naturellement, mais il est plus fréquemment induit artificiellement par diverses techniques de culture in vitro.
Dans le cycle de vie des plantes à graines, la graine est la structure qui contient et protège l'embryon végétal. Elle résulte de la transformation de l'ovule fécondé. La graine constitue un organe permettant de protéger et de disséminer l’embryon d’une future plante. L'embryon est tout d'abord entouré par un tissu de réserves nutritives plus ou moins important selon les espèces.
Méthodes d'obtention d'embryons haploïdes
L'obtention d'embryons haploïdes est une étape cruciale dans le processus d'haplodiploïdisation. Plusieurs méthodes sont disponibles, chacune ayant ses avantages et ses inconvénients en fonction de l'espèce végétale concernée.
Culture in vitro
La culture in vitro est une technique qui permet de régénérer une plante entière à partir de cellules ou de tissus végétaux cultivés dans un milieu nutritif et dans des conditions axéniques (sans aucun contaminant biologique). Cette technique offre plusieurs approches pour l'obtention d'embryons haploïdes :
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Culture d'anthères : L'androgenèse a été la première voie d’obtention d’haploïdes in vitro. Les plantes haploïdes ont été obtenues par culture d’anthères (sacs contenant le pollen). Plus récemment, la culture de microspores (grains de pollen immatures) a été mise au point. L'androgenèse est la voie d’haplodiploïdisation privilégiée chez le blé, car il est relativement facile de mettre en culture un très grand nombre d’anthères. Les épis sont récoltés au stade montaison d’où les anthères sont extraites en conditions stériles. Elles sont mises en culture en boîte de pétri sur des milieux spécifiques, induisant le développement embryonnaire des microspores. Quelques semaines après la mise en culture des anthères, les embryons haploïdes apparaissent. Ils sont prélevés sous loupe binoculaire et repiqués sur des milieux nutritifs permettant une différenciation des tissus et l’induction du développement de la plante. Les plantules bien développées sont à nouveau repiquées en tube. Cette voie androgénétique est utilisée chez le blé, le riz, la pomme de terre, le tabac, le maïs, l’asperge et le piment et est très efficace sur colza, l’orge et l’aubergine.
Culture de microspores isolées : Chez le colza, les boutons floraux sont sélectionnés sur les inflorescences. Les grains de pollen immatures sont isolés mécaniquement par broyage des boutons, et filtration de la suspension. On induit directement la formation d’embryons par la culture des microspores en milieu liquide agité. A partir d’embryons de trois semaines, il est ensuite possible de régénérer des plantes. La variété de colza d’hiver Goéland, inscrite en 1990, est issue de cette technique.
Culture d'ovaires ou d'ovules : Elle consiste à mettre en culture in vitro des ovules ou des ovaires prélevés sur la plante avant fécondation. Des plantes haploïdes ont pu être obtenues chez l’orge, le tabac, le blé, le riz, le maïs, la betterave… Sur la betterave, la gynogenèse est la technique la plus opérationnelle de production d’haploïdes, même si on obtient moins de 8% d’haploïdes. Elle permet notamment de travailler sur des betteraves mâles fertiles, aussi bien que sur des betteraves mâles stériles (contrairement à la culture d’anthères). Les fleurs sont disséquées sous la loupe binoculaire en conditions aseptiques. Les ovules sont déposés sur une boîte de pétri contenant un milieu inducteur et sont placés en chambre de culture.
Culture de pollen :
Croisements interspécifiques ou intergénériques
Haploïdie induite par croisement interspécifique : Le croisement interspécifique entre une espèce cultivée et une espèce sauvage permet parfois de produire des plantes haploïdes. En effet, après fécondation au cours des premières divisions cellulaires, les chromosomes de l’espèce sauvage sont éliminés. On obtient ainsi un embryon haploïde ne comportant que les chromosomes de l’espèce cultivée. Cette méthode s’applique à l’orge, à la pomme de terre, ainsi qu’à quelques génotypes de blé. Le croisement interspécifique de l’orge cultivée et de l’orge sauvage bulbeuse permet l’obtention d’embryons haploïdes d’orge cultivée. La culture in vitro est alors nécessaire pour permettre à ce type d’embryon de poursuivre son développement et de donner une plante. Une application particulière est utilisée pour la sélection de la pomme de terre. La pomme de terre cultivée est tétraploïde (4n = 48). La réduction du stock chromosomique est obtenue par pollinisation de la pomme de terre cultivée par une espèce sauvage Solanum phureja. Ce système permet d’obtenir des plantes diploïdes. Ces plantes peuvent être alors facilement croisées par des espèces sauvages, fréquemment diploïdes, ce qui permet de restaurer la tétraploïdie. Cette méthode est utilisée pour apporter de nouveaux caractères chez la pomme de terre cultivée.
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Haploïdie induite par croisement inter-générique : Plus récemment, les croisements entre genres ont été étudiés. La pollinisation du blé dur par du pollen de maïs offre la possibilité de produire des plantes haploïdes chez le blé dur, espèce récalcitrante aux techniques de culture d’anthères.
Utilisation de pollen dénaturé
L’induction d’haploïdes est également possible par pollinisation avec du pollen dénaturé par irradiation. Cette technique s’est révélée utile pour tout un ensemble d’espèces légumières et est utilisée couramment chez le melon. L’étape de culture in vitro des embryons haploïdes est là aussi obligatoire.
Applications de l'haplodiploïdisation
La technique d'haplodiploïdisation offre de nombreux avantages pour l'amélioration des plantes et est largement utilisée dans la sélection variétale.
Accélération de la fixation des caractères
L’haplodiploïdisation est une méthode utilisée pour fixer plus rapidement le matériel génétique en cours de sélection. Elle repose sur l’obtention de plantes haploïdes (n) à partir des organes mâles ou femelles puis sur le doublement du stock chromosomique. Ainsi le sélectionneur va disposer de plantes diploïdes (2n) homozygotes où l’ensemble du génome est fixé. C’est donc une technique rapide de production de lignées pures en une seule étape au lieu de 7 à 8 générations. Avec cette méthode, la durée d’un cycle de sélection est raccourcie de 3 à 4 ans.
Facilitation de la sélection
Cette technique présente en plus l’avantage de faciliter la sélection. En effet, le sélectionneur pourra faire un choix plus large, car l’haplodiploïdisation fixe les différentes recombinaisons possibles entre les caractéristiques des lignées parentales. Il pourra également faire un choix plus sûr car il possède un matériel homogène. Il y a donc séparation des deux phases de la création variétale : la fixation des caractères d’une part et la sélection des meilleures plantes d’autre part. De plus, cette méthode permet d’observer l’expression aussi bien des gènes récessifs que des gènes dominants. Ceci est particulièrement intéressant en sélection.
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Production de plantes mères
Le sélectionneur effectue un croisement entre deux lignées parentales présentant des caractéristiques intéressantes et complémentaires. Ce croisement produira la génération F1. Ce sont les plantes mères pour l’obtention de la phase haploïde. A ce stade, toutes les plantes sont identiques. En revanche, sur ces plantes, la méiose à l’origine de la formation des gamètes permet les recombinaisons et la ségrégation des caractères, selon les lois de Mendel et les recombinaisons entre les chromosomes parentaux. Les individus F2 seront alors tous différents les uns des autres, c’est la disjonction des caractères. Pour faciliter le travail de sélection, l’haplodiploïdisation va permettre d’obtenir des plantes homozygotes.
Production d'hybrides
L’androgénèse a été particulièrement exploitée chez l’asperge, car elle est le seul moyen efficace pour produire des variétés hybrides mâles. L’asperge est une espèce dioïque : elle possède des pieds mâles et des pieds femelles. Les plantes mâles sont recherchées en sélection, car elles sont précoces et plus productives. Les pieds mâles sont Mm pour les chromosomes sexuels et les femelles sont mm. La voie de l’androgenèse permet d’obtenir soit des individus MM appelés super-mâles, soit des individus mm donc femelles. Les croisements de ces super-mâles avec des femelles donnent des individus mâles, ce qui permet en les sélectionnant de pouvoir créer des variétés hybrides mâles. Ainsi, cela permet d’exploiter l’hétérosis, important chez cette espèce.
Retour à l'état diploïde
Pour utiliser en sélection une plante régénérée par l’une de ces voies, il faut disposer de plantes fertiles et donc diploïdes. L’état haploïde étant instable, l’individu régénéré est parfois diploïde, par doublement spontané du stock chromosomique. Pour le blé, 20 à 25 % d’haploïdes sont doublés spontanément, 60 à 65 % chez l’orge. Sinon, il est possible de provoquer artificiellement un doublement des chromosomes, le plus couramment par l’action d’un agent chimique, la colchicine. Les plantes obtenues sont des diploïdes homozygotes : elles possèdent deux copies identiques de chacun de leurs chromosomes et portent donc des paires de gènes ou allèles identiques, d’où leur grand intérêt.
La colchicine bloque la mitose en début de métaphase empêchant la séparation des chromosomes fils. La cellule conserve donc son génome doublé (n plus n =2n). Ainsi les cellules deviennent diploïdes. Le traitement à la colchicine peut se réaliser au stade plantule par trempage des racines ou injection dans les méristèmes. Les taux de doublement sont alors très variables (plante chimérique). Pour l’éviter, actuellement se développent des traitements in vitro au stade embryonnaire afin d’obtenir des individus dont toutes les cellules sont haploïdes doublés.
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