Variabilité génétique de la qualité nutritionnelle des fruits et légumes

La diversité génétique naturelle

La création de nouvelles variétés n’est possible que si il y a variabilité génétique et héritabilité. De nombreuses études comparent la composition pour un (ou quelques) composé(s) chez plusieurs variétés cultivées dans les mêmes conditions. Ces études sont destinées à connaître la gamme de variation offerte aux consommateurs pour une espèce, mais aussi à identifier des géniteurs potentiels pour la sélection. Une grande gamme de variation est observée.

Le Tableau 2-2 (p. 14) présente les gammes de variation observées lors de comparaisons de plusieurs variétés cultivées dans des conditions identiques. On voit que la variabilité peut être importante, et qu'il faut donc relativiser les données de composition lorsqu'elles n'incluent pas la gamme de variation présente dans les variétés.

Des variations du simple au double sont fréquemment observées, mais on note également des variations beaucoup plus importantes dans certains cas. Par exemple, la comparaison de 50 variétés de

brocoli révèle que la teneur en β-carotène peut varier jusqu'à 6 fois, tandis que la teneur en

glucosinolates varie d'un facteur 20 entre les plus faibles et les plus fortes teneurs (Jeffery et al., 2003). Suivant que l’on s’intéresse aux teneurs relativement à la matière fraîche ou à la matière sèche, le classement des variétés peut être très différent (Mou, 2005).

Les variations sont encore plus marquées lorsqu'on s'intéresse précisément aux molécules et non aux familles de molécules. Par exemple, parmi les 12 composés phénoliques principaux identifiés chez le brocoli, Robbins et al (2005) notent une prépondérance de flavonoïdes dans une variété, et d'esters hydroxycinnamique chez une autre. Chez la laitue, certaines variétés sont pauvres en flavonoïdes, d’autres contiennent de grandes quantités de flavonols et d’anthocyanes (Dupont et al., 2000).

Les variation de composition en caroténoïdes sont directement liées aux différences de couleur de certains fruits : seules les tomates rouges accumulent du lycopène en liaison avec la couleur, tandis que les mutants à fruits orange ou jaunes ont des compositions différentes (Cox et al., 2003) ; les piments jaunes n'accumulent pas de capsantine ou de capsorubine, contrairement aux rouges (Hornero-Mendez et al., 2000).

Chez la tomate, l'analyse par HPLC des formes isoméres de lycopène montre une majorité de formes

trans (moins biodisponibles que les cis), à l'exception d'une variété de tomate cerise (Gardener's

Delight) qui contient autant de formes cis que de formes trans (Kuti et Konuru, 2005).

La sélection a t-elle réduit la valeur nutritionnelle des fruits et légumes ?

Contrairement à certaines idées reçues, la sélection pour la productivité n'a pas systématiquement réduit la valeur nutritionnelle des fruits et légumes. En effet, la comparaison de variétés anciennes et modernes ne donne pas de résultats généralisables. Notamment lorsque les composés sont liés à la couleur (comme c’est le cas de plusieurs caroténoïdes), la sélection n'a pas beaucoup modifié les compositions, la couleur étant parmi les principaux critères de choix des consommateurs.

Chez la tomate, Granges et al (2006) trouvent des teneurs en vitamine C et en caroténoïdes identiques dans des variétés anciennes et des modernes. Causse et al (2003) observent pour d'autres échantillons des teneurs plus faibles en vitamine C chez les variétés modernes, mais des teneurs en caroténoïdes identiques.

En revanche, lorsque les composés sont liés à des caractéristiques défavorables, ils ont été fortement contre sélectionnés. De nombreux composés phénoliques, par exemple, sont responsables de l'amertume ou de l'astringence (Drewnowski et Gomez-Carneros, 2000). C'est le cas du concombre dont la teneur en cucurbitacines a été réduite par sélection dans les années 50, des glucosinolates des choux, de la capsaïcine responsable du caractère piquant des piments (Pitrat et Foury, 2003).

Intérêt des collections de ressources génétiques pour l'amélioration de la qualité nutritionnelle Des milliers de variétés de fruits et légumes ont été sélectionnées dans le monde, pour répondre à des besoins d'adaptation spécifiques ou au fil de l'amélioration de la productivité et des caractéristiques des produits. Ces variétés sont fréquemment conservées dans des collections de ressources génétiques. Elles constituent des réservoirs de variabilité précieux pour les sélectionneurs.

L'AVRDC à Taiwan conserve un grand nombre de variétés de légumes originaires du monde entier, de même que l'Institut Vavilov à St Petersbourg. Au niveau européen, les instituts nationaux s'organisent sous la tutelle de l'IPGRI pour assurer la caractérisation et la conservation des collections nationales. L'INRA possède, par exemple, des collections importantes de légumes (choux à Rennes, tomate, piment, aubergine, melon et laitue à Avignon) et de fruits (pomme à Angers, pêche et prune à Bordeaux, abricot et amande à Avignon, agrumes en Corse).

La caractérisation de ces collections se fait généralement pour des descripteurs visuels, mais seules des nombres limités d'accessions sont caractérisés pour leur composition en métabolites secondaires. C'est pourtant dans ces collections qu'on trouve les géniteurs potentiellement les plus intéressants.

Chez la pomme, le potentiel antioxydant des fruits de variétés préservées dans les collections de ressources génétiques est également très large (Scalzo et al., 2005a). De même, Lenucci et al (2006) observent des variétés de tomate cerise dont les fruits présentent un pouvoir antioxydant très supérieur à celui des variétés traditionnelles. Chez la carotte, on observe une gamme de variation très large, avec des variétés de couleurs très variables et des teneurs en carotènes pouvant être 2 à 3 fois plus élevées chez des variétés anciennes ou exotiques (Nicolle et al., 2004).

Les espèces sauvages, des ressources inestimables

La caractérisation d'espèces sauvages apparentées aux espèces cultivées et pouvant se croiser avec elles offre une autre possibilité d'étendre la gamme de variation disponible. Le recours aux espèces sauvages a jusqu'à maintenant principalement été réalisé pour rechercher de nouvelles sources de résistances aux pathogènes, mais ces espèces sauvages peuvent se révéler des sources de variabilité inattendue pour des métabolites secondaires.

Le tableau 2-3 résume quelques études de composition dans des espèces sauvages. Les travaux sur la tomate et la fraise visent la recherche de géniteurs pour la qualité organoleptique, tandis que ceux sur le pêcher et le pommier ont été réalisés car les accessions sauvages présentaient des résistances à des pathogènes intéressantes pour les agriculteurs.

Tableau 2-3.

Espèce Composé Gamme de variation Référence Tomate sauvage

(Solanum pimpinellifolium)

Vitamine C 160-290 mg/kg FW (Fernandez-Ruiz et al., 2004)

Tomate sauvage (plusieurs espèces)

Vitamine C 11-570 mg/kg FW (Galiana-Balaguer et al., 2006)

Choux ornementaux Glucosinolates Teneurs supérieures aux cultivés (x3) (Kushad et al., 2004) Haricots sauvages du Mexique Phénols, tanins, anthocyanes

Large gamme de variation suivant les composés

(Espinosa-Alonso et al., 2006)

Fraise des bois

(Fragaria vesca)

Pouvoir antioxydant 3 x la teneur des fraises cultivées

(Scalzo et al., 2005a)

Pêcher sauvage

(Prunus davidiana)

Composés phénoliques (ju-gés défavorables car amers)

Teneurs très élevées (Moing et al., 2003)

Pommier sauvage d'Anatolie

Vitamine C 4.88-7.44 mg /100 g (Pirlak et al., 2003)

Néanmoins, l'utilisation des espèces sauvages se heurte fréquemment à l'association aux gènes favorables de gènes entraînant des caractéristiques défavorables. Ces liaisons peuvent se révéler difficiles à rompre.

Les mutants, une autre source de variation

Les généticiens ont également collecté de nombreux mutants naturels (ou créé de nouveaux mutants par des traitements mutagènes) dont la composition peut être particulièrement modifiée et s'avérer utile soit directement en sélection, soit pour comprendre la régulation des compositions en métabolites.

Chez la tomate, par exemple, la caractérisation de mutants altérés dans leur profil de caroténoïdes ont permis d'identifier plusieurs gènes participant à la synthèse du lycopène (Ronen et al., 1999; Ronen et al., 2000; Fraser et Bramley, 2004). Ces travaux ont également permis d'en élucider la régulation au

cours de la maturation du fruit. Les mutants riches en pigments (high-pigment hp1 et hp2)

interviennent dans l'interaction entre la lumière et la synthèse de caroténoïdes (Liu et al., 2004). Long et al (2006) ont montré que ces mutants présentaient non seulement des teneurs élevées en caroténoïdes, mais aussi des teneurs accrues en rutine et en acide chlorogénique. Leur potentiel en sélection a été souligné par Lenucci et al (2006). En criblant plus d'une centaine de plantes issues d'un programme de mutagenèse aléatoire, Stevens et al (2006) ont identifié 6 nouveaux mutants présentant des teneurs accrues en vitamine C.

Ces mutations ont été parfois utilisées pour développer des variétés spécifiquement améliorées pour leur composition en métabolites secondaires. Les variétés de tomate Caro-Rich et Caro-Red, dix fois

plus riches en β-carotène que les variétés classiques, ont cependant été mal acceptées car elles ont des

fruits orange (Stommel, 2001).

La sélection pour la qualité nutritionnelle

La sélection des fruits et légumes est généralement multicaractère et doit prendre en compte des aspects de productivité, d'adaptation aux conditions pédoclimatiques, de résistances aux bioagres-seurs et enfin de qualité. La qualité est avant tout la qualité commerciale (aspect des produits, tenue post récolte), mais la qualité organoleptique devient un nouvel enjeu pour les sélectionneurs. La qualité nutritionnelle des fruits et légumes n'a que rarement été un critère de sélection direct, sauf pour contre sélectionner des aspects défavorables, liés à des facteurs antinutritionnels ou à des caractéristiques gustatives défavorables. Cependant, la compétition pour les marchés nationaux ou internationaux peut rendre attractive la sélection pour de nouvelles propriétés.

Parmi les premiers critères nutritionnels sélectionnés, on peut citer la réduction de l'amertume des endives ou des concombres (Drewnowski et Gomez-Carneros, 2000), la réduction de teneur en glucosinolates des crucifères ou celle du caractère piquant des piments lié à leur teneur en un composé caractéristique, la capsaïcine (Pitrat et Foury, 2003).

Radovich et al (2005) ont montré que l'amertume détectée dans différentes variétés de chou était directement liée à leur teneur en glucosinolates. L'impact négatif de plusieurs composés phénoliques sur le goût a été souligné par Drewnowski et al (2000).

La sélection indirecte via des caractéristiques organoleptiques

La sélection s'est très tôt intéressée à la diversification des types par la couleur des fruits ou des légumes (chez les salades ou les oignons par exemple). En effet, il s'agit d'un critère visuel très facile à sélectionner, qui facilite la reconnaissance par le consommateur. Nous avons déjà signalé les différences de composition liées aux variations de couleurs.

La sélection contre des facteurs antinutritionnels

Les tanins, présents dans les légumes secs, ont également des effets négatifs sur la digestibilité des protéines et sur celle des minéraux (Siegenberg et al., 1991). La plupart des tanins se trouvent dans les enveloppes des graines. Les haricots présentent une grande variabilité de teneur en tanins, qui peut être plus ou moins liée à la couleur des graines. Il a été montré qu'il était possible de réduire les teneurs en tanins sans modifier la couleur des graines (Graham et al., 1999).

Le phytate est également un facteur antinutritionnel majeur des légumes secs, pois et haricots, qui réduit l'absorption intestinale du fer et du zinc (Siegenberg et al., 1991). L'existence d'une variabilité pour la teneur en phytate des haricots a été reportée depuis longtemps, mais la part de variation génétique est limitée par rapport à l'impact des facteurs environnementaux, ce qui rend difficile la sélection de variétés pauvres en phytate. L'analyse physiologique des voies métaboliques conduisant à la synthèse ou la dégradation du phytate offre de nouvelles voies pour la sélection (Brinch-Pedersen et al., 2002).

Une hérédité souvent complexe

La facilité avec laquelle un caractère pourra être sélectionné dépend (1) du contrôle génétique de ce caractère (un caractère contrôlé par un gène unique sera plus aisément manipulé qu'un caractère régulé par un grand nombre de gènes), (2) de la part de variation contrôlée par la génétique par rapport à l'environnement. On parle alors d'héritabilité du caractère et enfin de l'accès à une méthode de mesure simple et peu coûteuse, car un grand nombre de plantes doivent être évaluées.

Quelques études d'hérédité des teneurs en phytonutriments ont été réalisées :

− Farnham et al (2000) montrent par exemple que la teneur en glucosinolates d'hybrides de brocoli

est intermédiaire entre celles des 2 parents, mais fréquemment plus proche du parent aux faibles teneurs, ce qui limite les possibilités d'amélioration.

− Causse et al (2003) étudient l'hérédité de composantes de qualité organoleptique et nutritionnelle

de la tomate. Si la prédiction est difficile dans le cas de croisements entre variétés de gros calibres, les croisements plus distants entre tomate cerise et gros calibre donnent des teneurs de vitamine C et de caroténoïdes intermédiaires entre celles des lignées parentales.

− Chez la carotte, la teneur en caroténoïdes totaux ou individuels est très héritable, ce qui en facilite

la sélection (Santos et Simon, 2006). Des variétés enrichies en carotènes ont été développées et recommandées pour la nourriture pour enfants et les jus (Gauciene, 1998).

− Navazio et Simon (2001) étudient de la même manière l'hérédité de la teneur en caroténoïdes du

concombre. Ils montrent une dominance chez les hybrides des faibles teneurs, et une forte interaction entre génotype et environnement qui rendront délicate toute sélection.

− Chez le piment, des variétés enrichies en caroténoïdes sont développées pour la production

industrielle de paprika (Hornero-Mendez et al., 2002).

− Chez les pêchers et les prunus, des études sur l'hérédité de composés phénoliques débutent dans le

but de développer des variétés aux qualités nutritionnelles "supérieures" (Byrne, 2005; Cevallos-Casals et al., 2006).

Cette sélection reste limitée par l'accès à des mesures à haut débit, tout processus d'amélioration demandant de caractériser de grands nombres d'individus.

L'accès aux cartes du génome des plantes ouvre de nouvelles perspectives

Lorsque l'accès à des mutations simples n'est pas possible, la sélection porte sur des caractères contrôlés par plusieurs gènes, d'effets variables, que les généticiens ont nommés QTL (pour Quantitative Trait Loci). L'accès aux cartes génétiques de marqueurs moléculaires chez la plupart des espèces agronomiques permet de localiser ces QTL et d'en étudier l'effet, la stabilité suivant l'environnement ou le fonds génétique, et par la suite d'utiliser les marqueurs moléculaires pour faciliter la sélection.

Plusieurs études de cartographie de QTL pour les teneurs en phytonutriments ont été réalisées chez les fruits et légumes.

La tomate a été une des premières plantes chez laquelle ce type d'approche a été envisagé, principale-ment pour des caractéristiques de rendeprincipale-ment et de qualité commerciale ou organoleptique, mais les teneurs en caroténoïdes et en vitamine C ont également été étudiées. Plusieurs descendances issues de

croisements entre la tomate cultivée et des espèces sauvages ont été étudiées permettant d'identifier des régions influant sur les teneurs en carotène ou en lycopène (Causse et al., 2002; Liu et al., 2003; Rousseaux et al., 2005) ou la teneur en vitamine C (Rousseaux et al., 2005; Stevens et al., 2007). Ces travaux révèlent la dispersion des gènes impliqués dans le contrôle de ces caractères. La plupart de ces gènes se révèlent fortement influencés par l'environnement. Les QTL de teneur en lycopène sont fréquemment localisés à proximité de QTL de couleur du fruit, révélant le lien entre les deux aspects. Par contre, si les mutants de couleur correspondent souvent à des gènes codant pour les enzymes de la voie de synthèse des caroténoïdes, ce n'est plus le cas pour les QTL (Monforte et al., 2001; Liu et al., 2003). La confrontation des QTL localisés dans différentes descendances permet d'identifier certaines régions du génome plus généralement impliquées dans la variation et d’autres spécifiques d’une seule descendance (Stevens et al., 2007). Les régions communes à plusieurs descendances seront les premières cibles à sélectionner. Ce type d'approche a pu être étendu au piment et la proximité des génomes des différentes espèces de Solanacées (tomate - piment - pomme de terre) permet de comparer l'organisation génétique du contrôle de ces caractères et d'en extrapoler certains aspects (Thorup et al., 2000). Chez la tomate, les marqueurs moléculaires se sont révélés particulièrement utiles pour révéler le potentiel inattendu d'espèces sauvages (Liu et al., 2003). Willits et al (2005) ont par exemple trouvé une accession sauvage permettant d'augmenter la teneur en flavonoïdes sans avoir recours à la transgenèse.

Le même type d'approche a été utilisé pour cartographier des QTL de teneur en vitamine C chez la pomme (Davey et al., 2006), des QTL de teneur en caroténoïdes chez la carotte (Santos et Simon, 2002) ou le concombre (Navazio et Simon, 2001) et des QTL de teneur en vitamine C chez la fraise (Lerceteau-Kohler et al., 2004).

La détection de QTL, tout comme la sélection à grande échelle, n'est possible que s'il existe une méthode facile et rapide de quantification, ce qui reste une limite pour de nombreux composés. On sera alors tenté d'étudier des caractères plus globaux tels que le pouvoir antioxydant (Rousseaux et al., 2005), ou de développer des méthodes rapides de dosage (Stevens et al., 2006). Pour les teneurs en folate, plusieurs méthodes de dosage sont établies (revues par Storozhenko et al., 2005), mais de nouveaux développements sont nécessaires pour pouvoir analyser de grands effectifs.

L'utilisation des marqueurs moléculaires pour améliorer la qualité nutritionnelle

Les études de cartographie génétique de mutants ou de QTL permettent de développer des marqueurs utilisables en sélection. On peut donc ensuite éviter des tests de quantification lourds et coûteux à mettre en oeuvre et réaliser une sélection indirecte sur l'ADN extrait de plantules, ce qui permet des économies importantes tant d'espace que de temps (notamment chez les arbres fruitiers qui ne fructifient qu'au bout de plusieurs années).La sélection assistée par marqueurs ne demande aucune connaissance des gènes en jeu, mais seulement de disposer de marqueurs de l’ADN en grand nombre et révélant des différences entre variétés.

Just et al (2007) ont ainsi développé des marqueurs pour augmenter la teneur en caroténoïdes des carotte. Des marqueurs facilitant le tri de variétés de piment suivant la couleur des fruits ou leur caractère piquant ont également été développés (Lang et al., 2004; Prasad et al., 2006). Chez la tomate, les marqueurs moléculaires se sont révélés particulièrement utiles pour révéler le potentiel inattendu d'espèces sauvages pour améliorer la couleur des fruits via la teneur en lycopène, alors que les fruits des espèces sauvages n’en produisent pas et restent verts à maturité (Liu et al., 2003). La sélection assistée par marqueurs s'est révélée efficace pour améliorer la productivité (Gur et Zamir, 2004) ou la composition en sucres (Levin et al., 2004), mais peut s'avérer difficile dès que des caractères antagonistes sont sélectionnés (Lecomte et al., 2004).

Faut il créer de nouvelles variétés de fruits et légumes enrichies en composés bioactifs ?

Puisque la modification des habitudes alimentaires et l'augmentation de la consommation de fruits et légumes n'est pas aisée, plusieurs articles suggèrent de créer de nouvelles variétés de fruits et légumes

spécifiquement enrichies dans leur composition en composés à valeur nutritionnelle reconnue

(Farnham et al., 1999; Caldwell, 2003; Cox et al., 2003; Scalzo et al., 2005b).

Si l'identification des cibles à sélectionner n'est pas si aisée (cf. chapitre 1), la valorisation de variétés potentiellement plus intéressantes sur le plan nutritionnel n'est pas facile. En effet, le choix des varié-tés offertes aux consommateurs jusqu'à présent est réalisé par les producteurs sur la base de critères de productivité et d'adaptation, et par le circuit de commercialisation sur la base de la qualité commer-ciale (aspect, tenue...). Pour la plupart des fruits et légumes frais, aucune information concernant la variété n'est donnée au consommateur, pour qui le prix reste un critère de choix primordial.

Par ailleurs, si une segmentation du marché est souhaitée sur la qualité nutritionnelle, il faudra trouver le moyen de commercialiser les variétés présentant des teneurs supérieures en phytonutriments. En

effet l'inscription de variétés présentant des compositions spécifiques pose un problème car

l'inscription au catalogue officiel des variétés de fruits ou de légumes ne comprend que des critères de Distinction, d'Homogénéité et de Stabilité pour des critères notés visuellement ou des résistances aux bioagresseurs et aucun critère de valeur agronomique (contrairement aux céréales par exemple). Par ailleurs, si une nouvelle variété dépasse la gamme de variation traditionnelle, elle devra être déclarée comme "Novel Food".

Pour le marché de frais, de nouvelles variétés devront avant tout être attractives et de bonne qualité organoleptique, ces critères étant les plus importants dans le choix des consommateurs (cf chapitre 3). Pour l’industrie de transformation, on peut s’attendre à une sélection nouvelle pour des aliments fonctionnels, dont l’intérêt sera rapidement relayé par les médias (Premier, 2002). Il est donc essentiel d’identifier tant les cibles positives que négatives pour la sélection, mais aussi de valider l’absence de risque à fortes doses de ces composés, ou pour certaines populations (Premier, 2002).

Les gènes en jeu et le recours aux OGM

Depuis longtemps physiologistes et généticiens essaient d'identifier les gènes responsables de