Biologie intégrative des fonctions spécifiques et adaptatives chez les arbres forestiers

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Biologie intégrative des fonctions spécifiques et

adaptatives chez les arbres forestiers

Véronique Jorge

To cite this version:

Véronique Jorge. Biologie intégrative des fonctions spécifiques et adaptatives chez les arbres forestiers.

[Interne] 2007. �hal-02818009�

CT3

Biologie intégrative des fonctions spécifiques

et adaptatives chez les arbres forestiers

Evaluation du Département EFPA

Nancy, 27-29 Novembre 2007

Véronique Jorge

AGPF Orléans

La biologie intégrative

• Une définition

– La BI consiste à comprendre les processus biologiques avec

des méthodes globales (en -omique) à différents niveaux

d’analyse, du gène à l’écosystème.

– Elle considère l’organisme vivant dans son intégrité et son fct

global en interaction avec son environnement.

• Objectifs

• Objectifs

– Faire converger des approches (bottom-up, top-down …).

• Propriétés

– Interdisciplinarité : génomique, génétique, écophysiologie …

– Quantité d’information massive/complexité de traitement.

– Intégration d’informations acquises à différents niveaux d’étude.

– Nécessité de modéliser.

Les 3 dimensions de l’intégration en biologie

Intégration verticale

Niveaux d’organisation

Intégration transversale

Biologie comparative

Communautés

Populations

Plante

_{Biodiversité}

Evaluation du Département EFPA

Nancy, 27-29 Novembre 2007

Intégration horizontale

Données massives

Organe

Tissus

Cellule

Organite

Molécule

Espèces modèles

Espèces d’intérêt

Génome Transcriptome Protéome Métabolome Caractère

Modifié d’aprés Charrier et al. (2005) Rapport sur la biologie intégrative

Ressources originales disponibles au département EFPA :

Un pré-requis pour des recherches intégrées

Matériel végétal

_{Collections, Pedigrees & transgéniques}

Ressources génomiques

Bases de données

banques ADNc et BAC

Séquences exprimées (>500 K EST)

+ 6 génomes

Forest, PoplarDB, EctomycorrhizaDB…

Chaînes d’analyses bioinformatiques

CGATGAAGAGAAAAAGAAGAAGAAG AAGGAAAAGAAGCCATTGAAAGAGA AGATGAAGATATCAGGAGAGAAAAG AGAGGAGAAGGAACACGAGGATACT AGTGTTCCCGTTGAGGTAGTCCATA CAGAGACACCCCATGAACCAGAGGA GAAGAAGGGTTTCCTTGACAAAATC AAGGAGAAATTGCCAGGACATAAGA AAGCTGACGAGGTACCTCCTCCTCC AGCTCCTGAACATGTTTCCCCTGAA

Réseaux expérimentaux

Savoir-faire

Ressources humaines

Génétique, physiologie, biochimie,

histologie, génomique, bioinformatique,

sciences du bois, pathologie

Réseaux expérimentaux

et naturels,

Pépinières, dispositifs (UEs,

GIS), réserves naturelles, sites

d’études et ateliers

Isotopes stables, QB …

Caractères et espèces

Caractères

• Formation du bois

• Tolérance à la

sècheresse

Espèces

• Chêne

• Pin maritime

• Peuplier

Evaluation du Département EFPA

Nancy, 27-29 Novembre 2007

• Phénologie

• Interactions arbres /

micro-organismes

• Peuplier

La formation du bois

Modulation de l’expression du gène de la

Cinnamoyl-Coenzyme A Reductase ou CCR chez le peuplier:

Le phénotypage à différent niveaux révèle des effets sur l’expression des gènes, le métabolisme, la

structure des parois, la croissance et le produit fini.

Peupliers transgéniques en

dispositif à Orléans

Transcrits :

52 gènes affectés

dans leur expression

(parois cellulaire et stress)

Croissance:

Qualité papetière :

Contenu en lignine :

-50%

Métabolisme :

20 métabolites

différentiellement

accumulés

(maléate)

Histologie :

WT

FAS13

Couleur :

Mais le phénotype à un niveau donné n’explique pas nécessairement le phénotype

observé à un niveau supérieur

(voir contenu en lignine et qualité papetière)

L

e

p

lé

e

t a

l.,

T

h

e

P

la

n

t C

e

ll,

2

0

0

7

La formation du bois

Phylogénie actualisée de la famille LIM de plantes

98 91 55 71 59 87 52

LIM

mousses

_δLIM2

γLIM2

PLIM2

monocots

riz (3)

PLIM2

rosidées

peuplier (2)

Arabidopsis (3)

WLIM2

monocots

riz (1)

WLIM2

eudicots

peuplier (2),

Arabidopsis (2)

tabac (1), tournesol (1)

WLIM2

conifères

Bois tendu

Bois opposé

Evaluation du Département EFPA

Nancy, 27-29 Novembre 2007

A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E

E N V I R O N N E M E N T

0.1 substitution par site

51 96 99 86 99 100

βLIM1

αLIM1

δLIM2

asteridées et peuplier

peuplier (2),

tabac (1)

tournesol (2)

PLIM2

asteridées

tabac (1)

tournesol (1)

Arnaud et al., DNA Research, 2007

Les gènes LIM exprimés dans le bois de tension de

peuplier et dans les fibres de coton sont regroupés

dans un même clade

Phénologie

Comment la diversité génétique d’un caractère d’une

espèce structure la diversité de la communauté ?

PHENOTYPE

Intraspécifique

PHENOTYPE

populations

PHENOTYPE

élargi

Diversité alpha

Synchronisation

phénologique

Phénologie

Arbre-DEBOURREMENT

LEVEE DE

DIAPAUSE

LIBERATION

SPORES

Chênes

Arbre-insecte

Arbre-champignons

Arbres

Recherche de

gènes impliqués

dans le

débourrement

Diversité

génétique des

gènes candidats

Phénologie

Méthodologie

QTLs :

Scotti-Santiagne et al., 2004

Gènes candidats :

Derory et al., 2006

Génomique comparative

Patrons de diversité et

différenciation

Evaluation du Département EFPA

Nancy, 27-29 Novembre 2007

In

s

e

c

te

s

-C

h

a

m

p

ig

n

o

n

s

Recherche de

gènes impliqués

dans l’interaction

avec les arbres

gènes candidats

Interaction entre

arbres et insectes

ou champignons

Interaction

Interaction

gènes

gènes--gènes

gènes

Composition des

communautés

Composition des

communautés

Génétique des communautés

Génétique des communautés

Génétique des communautés

Génétique des communautés

différenciation

Tolérance à la sècheresse

Déterminisme physiologiques, génétique et moléculaire

de la résistance à la sécheresse chez le pin maritime

Ecophysiologie:

décomposition du caractère complexe

•Quels sont les composantes pertinentes de l’adaptation ?

•Peut-on les mesurer sur de grand effectifs ?

Echanges

gazeux-photosynthèse

Hydraulique

(potentiel hydrique de base, contenu en eau, consommation d’eau, potentiel osmotique)

Critère(s)

diagnostic du

potentiel adaptatif

Génétique quantitative

et des populations

•Variabilité des ces caractères ?

•Héritabilité ?

•Corrélations avec d’autres traits? G x E ?

•Différentiation phénotypique entre écotypes

et lien avec la diversité neutre et adaptative

. 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% -28.5 -28.0 -27.5 -27.0 -26.5 -26.0 -25.5 -25.0 -24.5 -24.0 -23.5 Half Diallel -26.21‰±0.61‰ N= 564 δδδδ13 C

Génétique moléculaire

•Nombre, localisation, effets des QTL ?

•Nature des QTL ?

- Coïncidence entre QTL et gènes candidats*

- Cartographie comparée

- Association entre variabilité nucléotidique

et phénotypique

Réseau d’ADNc

Réseau de protéines

*fonctionnels et expressionnels

Attendu sous

hypothèse

d’absence de

sélection

F

_ST

2 Outliers positifs

(< sélection diversifiante

entre populations)

3 Outliers négatifs

(< sélection

homogénéisante)

0,5

0,7

0,9

lp3-3

Tolérance à la sècheresse

Signatures de sélection au niveau moléculaire

Pin maritime – 10 populations – 13 GC de la résistance au stress hydrique

Approche multilocus basée sur la différenciation haplotypique (Beaumont & Nichols 1996)

Evaluation du Département EFPA

Nancy, 27-29 Novembre 2007

H

_S

-0,1

0,1

0,3

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

erd3

AGP4

GRP3

CCoAOMT

rd21

pp2c

Glucan

dhn-1

lp3-1

dhn-2

Applications : test d’ association en populations naturelles avec les

caractères de biomasse, d’efficience d’utilisation de l’eau …

si associations significatives

diagnostic et gestion de la diversité

de peuplements naturels et de populations d’amélioration,

Vers le clonage d’un QTL de résistance à la rouille chez le peuplier

Phénotype

Expression et régulation

des gènes

P

io

n

n

e

a

u

e

t

a

l.

1

9

9

8

rTrans

R

_US

Carte génétique

747 ind (cM)

rE21M18

Pop

E1M4

Perf

LRR

1250

1

Séquence (kb)

LG

(Alignement du 04/04/2007)

Carte physique

(Banque BAC)

Interactions

arbres / micro-organismes

24

à

71 %

de la variation

rr

_US

_US

P

io

n

n

e

a

u

e

t

a

l.

1

9

9

8

Collab. INRA AGPF, Biogeco, IaM, URGV

LRR

rLRR

E6M5

LG

Scaffold

3000

1600

1000

1

Gènes de

Populus trichocarpa

Populus NimbleGene oligochip 59,216 genes

Interactome

Identification des réseaux de gènes et signaux impliqués dans le

développement des mycorhizes agents pathogènes

Interactions

arbres / micro-organismes

Séquençage des génomes

(annotations ab initio & experte)

Evolution & Plasticité des Génomes

Transcriptomique

Populus + Laccaria

JGI SymbioChip

59,216 + 20,300 genes

Evaluation du Département EFPA

Nancy, 27-29 Novembre 2007

A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E

E N V I R O N N E M E N T

Gènes du symbiote

mycorhizien

Laccaria bicolor

Laccaria NimbleGene DNA oligochip

20,300 genes

Gènes de l’agent de rouille foliaire

Melampsora

Melampsora larici

larici--populina

populina

Transcriptomique

Réseaux de gènes & Gènes candidats

Analyse fonctionnelle

(complémentation levures,

inactivation, surexpression, microscopie)

Génomique populationnelle

Perspectives

pour la Biologie Intégrative au sein du département



Approche nouvelle, exploratoire, encore en construction



Génomique écologique : de l'inventaire de la diversité

des gènes à l'évolution des populations dans des

écosystèmes peu anthropisés => spécificité EFPA



Verrous méthodologiques :



Données haut débit => capacité d’analyse (bioinformatique).



Modélisation

Financements

Unités

Collaborations

AGPF

EEF

ECOGER

AIP séquençage

DIGENFOR

LORIA-INRIA

Laboratoire de Biologie des Ligneux et des Grandes Cultures UPRES EA 1207

Evaluation du Département EFPA

Nancy, 27-29 Novembre 2007

IaM

TREESNIPs

DIGENFOR

GenoQB

POPSEC

VIB Gand

INBO