Manipulation de la recombinaison chez une plante cultivée, le riz

Mieulet Delphine. 2017. Manipulation de la recombinaison chez une plante cultivée, le riz. Montpellier : Montpellier SupAgro, 192 p. Thèse de doctorat : Sciences agronomique et écologie : Montpellier SupAgro

Titre anglais : Manipulation of recombination in a crop, rice

Encadrement : Guiderdoni, Emmanuel

Résumé : L'accroissement prévisible de la population mondiale ainsi que les conséquences du changement climatique obligent les sélectionneurs à créer de nouvelles variétés plus productives et plus résilientes. Les nouvelles combinaisons d'allèles favorables sont issues de la recombinaison génétique entre chromosomes homologues dont le siège est la prophase de première division de méiose. De récentes avancées chez la plante modèle Arabidopsis ont montré que l'inactivation de certains gènes permet de manipuler la méiose pour abolir ou au contraire augmenter très significativement la recombinaison. Les mécanismes de la méiose étant relativement bien conservés chez les eucaryotes, l'objectif de cette thèse était de transposer ces avancées chez une plante cultivée importante, le riz. Abolir la recombinaison méiotique permettrait de propager de façon clonale par grain des formules variétales hybrides F1 dont le rendement est de 20% supérieur à celui des lignées pures chez le riz mais dont les semences restent peu utilisées par les riziculteurs de subsistance. Les travaux réalisés dans une première partie de la thèse ont montré que le cumul de trois mutations Ososd1, pair1 et Osrec8, permettait d'obtenir des gamètes clonaux diploïdes mâles et femelles. Le phénotype apoméiotique obtenu, appelé MiMe (Mitosis instead of meiosis) chez Arabidopsis, peut être utilisé pour tester différentes stratégies d'induction de la parthénogenèse afin de produire des grains formant des plantes diploïdes clonales apomictiques. Une optimisation du mécanisme permettrait d'envisager l'utilisation de l'apomixie pour fixer l'hétérosis dans les semences hybrides F1. Par ailleurs, une augmentation globale ou locale de la recombinaison méiotique est recherchée car elle permettrait de diminuer la taille des populations de sélection et de réduire la taille des segments chromosomiques introduits dans les variétés élite de riz. Nous avons montré dans une seconde partie, que la mutation du gène OsRECQl4 codant pour une hélicase permet d'augmenter le taux de recombinaison d'un facteur de 3,3 fois faisant passer la taille de la carte génétique de 1670 ± 30 cM à 5537 ± 114 cM sans affecter la fertilité de la plante ni le déroulement de la méiose. Chez les plantes affectées dans la fonction d'une autre hélicase, OsFANCM, le taux de recombinaison a été également augmenté mais dans une moindre mesure (x 2,2). L'augmentation de la recombinaison s'opère sur l'ensemble des bras chromosomiques sauf au niveau des centromères. Ces résultats confirment ceux obtenus chez A. thaliana qui ont montré le rôle de régulateur négatif des crossing-overs (CO) des protéines RECQ4 et FANCM. Ces résultats ouvrent la voie à l'utilisation des gènes anti-COs pour augmenter de façon globale le nombre de recombinants dans les croisements chez le riz et sans doute chez les autres céréales.

Résumé (autre langue) : The forecasted increase of world population as well as the consequences of global climate change oblige plant breeders to develop new varieties that are both more productive and resilient. Novel combinations of favourable alleles are generated through genetic recombination between homologous chromosomes, which occurs during the prophase of the first division of meiosis. Recent advances in the model plant Arabidopsis have demonstrated that the inactivation of some genes allows meiosis manipulation resulting in either an abolishment or in contrast, a significant enhancement of meiotic recombination. The meiosis mechanisms being relatively conserved across eucaryotes, the overall objective of this thesis was to transfer these advances to a crop of crucial importance, rice. To abolish meiotic recombination would allow the clonal propagation by seeds of F hybrids, which exhibit a 20% yield enhancement compared to that of pure lines in rice but remain rarely used in subsistence farming. In a first part, we showed that rice plants cumulating 3 mutations inactivating Ososd1, pair1 and Osrec8, formed clonal diploid male and female gametes. This apomeiotic phenotype, called MiMe (Mitosis instead of meiosis) in Arabidopsis, can serve as material to assay several strategies of parthenogenetic induction that would result in seed forming diploid clonal plants. Further optimization of the mechanisms would allow the use of apomixis to fix heterosis in hybrid seeds. Global and local enhancement of recombination is another desirable goal since it would allow a reduction in breeding population size and a downsizing of the introgressed chromosomal segments in elite plant materials. In a second part, we showed that mutation in the DNA helicase gene OsRECQl4 conducted to a 3.3 fold increase of recombination and inflated the genetic map size from 1670 ± 30 to 5537 ± 114 cM, without altering plant fertility nor meiosis progression. Plants altered in a second DNA helicase, OsFANCM, exhibited a more modest 2.2 fold recombination enhancement. Recombination increase operated along the whole chromosome arms except at the centromere level. These results confirms the negative regulator role of RECQ4 and FANCM on crossing overs (CO), previously reported in Arabidopsis. These results pave the way to the use of anti-CO genes to enhance recombinant recovery in crosses of rice and possibly of other cereals.

Mots-clés Agrovoc : riz, Oryza, rendement des cultures, amélioration des plantes, recombinaison

Mots-clés libres : Méiose, Recombinaison, Riz, Apomixie, Crossing-overs

Classification Agris : F30 - Génétique et amélioration des plantes
F01 - Culture des plantes

Champ stratégique Cirad : Axe 1 (2014-2018) - Agriculture écologiquement intensive

Auteurs et affiliations

• Mieulet Delphine, CIRAD-BIOS-UMR AGAP (FRA) ORCID: 0000-0001-6220-0372

Source : Cirad-Agritrop (https://agritrop.cirad.fr/589426/)

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