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Génomique évolutive et gestion des populations (GE²pop)

Objectifs

Date de mise à jour : 13 février 2015

Nos recherches sont structurées autour de trois grandes thématiques.

1. L’étude de l’histoire évolutive des plantes cultivées et de leur génome

La domestication peut être vue comme un exemple d’adaptation des plantes à un nouvel environnement. Cette adaptation réussie a grandement affecté le phénotype des plantes et a laissé des traces dans le génome des plantes cultivées. Etudier la domestication et ses effets phénotypiques et génomiques en contrastant les ‘formes sauvages et cultivées d’une espèce peut alors nous permettre de décrire les mécanismes évolutifs mis en œuvre, quantifier les pressions de sélection auxquelles sont soumis les gènes au travers des phénotypes et mieux comprendre les réponses adaptatives des plantes. A l’échelle du génome, lorsque ces études peuvent être faites et coordonnées sur de nombreuses espèces, il devient possible de mettre en place une génomique comparative non plus seulement sur l’organisation structurale des génomes (synténie, polyploïdie) mais aussi sur les patrons de sélection qui s’exercent sur différentes catégories de gènes, de comprendre comment interagissent des mécanismes fins au niveau moléculaires (taux de mutation, conversion génique biaisée) avec des phénomènes exprimés au niveau des individus (sélection, régime de reproduction) ou populationnels (flux géniques, migrations, invasions, démographie). Ces questions ont été abordées dans le cadre du programme ARCAD (SP1 « Comparative genomics », http://www.arcad-project.org/). A l’échelle du phénotype, nous nous intéressons aux mécanismes qui sous-tendent les interactions entre génotypes, et en particulier au rôle de la sélection de parentèle lors de la domestication des plantes. Ce travail est développé dans l’optique de tester l’intérêt des mélanges variétaux chez des espèces classiquement cultivées en culture monogénotypique, comme le blé dur (Projet SECHELLES, financement BAP INRA).

2. La dynamique de la diversité dans les populations

La diversité génétique d’une population conditionne son potentiel adaptatif et dépend de nombreux paramètres tels que son mode de reproduction et sa taille démographique. Construire et gérer/piloter des populations à base large passe par la compréhension du rôle de ces paramètres et de leurs interactions avec la sélection. Dans cette optique, l’équipe s’appuie sur le suivi fin et la caractérisation génétique de différentes populations, spontanées ou artificielles : repousses et formes invasives de Tournesol (Helianthus annuus) pour étudier le rôle des flux de gènes, population de néo-domestication (NEODOM) issue de l’association de formes sauvages et primitives de blé dur (Triticum turgidum) pour étudier l’impact de l’autofécondation sur la réponse à la sélection (Projet EPO, financement BAP INRA) et suivi au cours du temps de populations naturelles de Medicago truncatula pour étudier la réponse des plantes autogames aux changements climatiques (Projet ARCAD SP2 « Crop adaptation to climate change », http://www.arcad-project.org/ ; Projet SelfAdapt, MP ACCAF INRA). Plus récemment, dans le cadre du programme ARCAD SP3 (http://www.arcad-project.org/), une étude des variétés de blé dur cultivées dans des agrosystèmes traditionnels a été entreprise (partenariat avec l’Institut Agronomique et Vétérinaire Hassan II, Maroc). L’objectif est de dégager les facteurs sociaux, biologiques et environnementaux façonnant cette diversité et de mieux comprendre comment les interactions entre contraintes naturelles et action de l’homme déterminent l’évolution de l’agro-biodiversité.

3. La réponse des plantes aux contraintes environnementales 

Au-delà de l’étude des mécanismes évolutifs et de leur impact à différentes échelles spatiales et temporelles, prédire la réponse adaptative d’une population à des variations environnementales suppose également de connaître l’architecture génétique des caractères. L’équipe utilise différentes approches pour identifier les bases génétiques des caractères adaptatifs. Une première approche (mise en œuvre sur Medicago truncatula dans le cadre du SP2 ARCAD), consiste à rechercher des associations spécifiques entre le génotype des plantes et les variables climatiques de leur site d’origine (coll. Univ. du Minnesota, Projet Medicago HapMap). Sur le blé dur, la démarche consiste à caractériser finement les milieux pour mieux comprendre  les interactions GxE et leur déclinaison QTLxE. Sur le maïs, les travaux portent sur une large collection de ressources génétiques incluant des populations subtropicales. L’objectif est d’identifier du matériel tolérant au déficit hydrique et d’identifier sur des populations issues de back-cross avancés, des QTL expliquant ce caractère adaptatif. Les travaux sont réalisés en liaison étroite avec le laboratoire d’Ecophysiologie des Plantes sous Stress Environnementaux (LEPSE).

4. Missions collectives et développements méthodologiques

L’équipe est également impliquée dans des missions collectives, notamment à travers la gestion des ressources génétiques et le développement d’outils méthodologiques d’analyse de la diversité moléculaire et phénotypique.

a. Gestion de la diversité

La conservation et la gestion des ressources génétiques pour les espèces cultivées sont une mission des instituts de recherche. L’équipe assure, dans ce cadre, trois missions principales : i) la gestion, la conservation et la diffusion des ressources génétiques, ii) la caractérisation de la diversité conservée et iii) la création de matériel innovant qui puisse répondre aux besoins des utilisateurs (prospections, création de lignées recombinantes Rils, croisements spécifiques, populations à base large). Pour Medicago truncatula, l’équipe gère plus de 8000 accessions (http://www1.montpellier.inra.fr/BRC-MTR/). Ces matériels sont utilisés pour les programmes de recherche de l'unité et de ses partenaires. Ils sont aussi largement diffusés à l’ensemble de la communauté scientifique nationale et internationale. Pour le blé dur et le maïs, l'équipe appuie les missions de conservation et de gestion engagées des centres de ressources biologiques et apporte son expertise pour le choix et la caractérisation des accessions en fonction des caractères cibles des partenaires.

b. Développements méthodologiques/technologiques

L’Atelier de Marquage Moléculaire (AMM) assure l’obtention des données moléculaires pour les projets de l’équipe mais assure également des fonctions d'expertise et de veille technologique pour l’ensemble de l’UMR. Au cours des 5 dernières années, les travaux de l’AMM ont été très fortement structurés autour du projet ARCAD notamment à travers la mise au point d’une méthode de séquençage basé sur l’ARN et le développement de banque d’ADN.

En nous basant sur  la spectrométrie proche infrarouge, nous avons développé des méthodes non invasives et non destructives permettant de générer des bio-indicateurs de la teneur en azote ou de la masse surfacique de tissus foliaires (Roumet et al., 2011 ; Ecarnot et al, 2013). En complément, une approche par imagerie hyperspectrale a été mise en œuvre à l’échelle du couvert. Cette technique permet de révéler les hétérogénéités spatiales. L’équipe a été à la base de l’élaboration d’une plateforme expérimentale de phénotypage en  plein champ (projet « DiaPhen »), centré sur l’expérimentation en conditions de stress hydrique et thermique, sur l’UE de Mauguio. A l’échelle européenne, nous sommes partenaires du projet EPPN (European Plant Phenotyping Network, http://www.plant-phenotyping-network.eu/).

L’équipe s’implique également dans le développement de logiciels dédiées notamment : à l’alignement de séquences (MACSE, http://bioweb.supagro.inra.fr/macse/), l’inférences de phylogénie (superTriplets, http://www.supertriplets.univ-montp2.fr/), la prédiction d’événement de duplications/transferts de gènes (mowgli, http://www.atgc-montpellier.fr/Mowgli/), la prise en compte de l’allo-polyploïdie dans le traitement de données NGS (homeoSplitter, http://bioweb.supagro.inra.fr/homeoSplitter) ou l’utilisation d’ontologies en recherche d’information (OBIRS, http://www.ontotoolkit.mines-ales.fr/ObirsClient/). Nous participons aussi à la constitution de base de données (http://bioweb.ensam.inra.fr/multicrop/, http://www.orthomam.univ-montp2.fr/).  

c. Implication dans la formation 

L’équipe est très fortement impliquée dans la formation à travers :

(1) l’enseignement : forte implication à travers les trois enseignants-chercheurs de Montpellier SuAgro qui sont membres de l’équipe mais aussi l’implication des chercheurs dans des enseignements à Montpellier SupAgro et l’Université Montpellier II. Les disciplines enseignées couvrent : la génétique formelle, la génétique quantitative, la génétique des populations, l’amélioration des plantes, la biologie de la conservation, la biologie évolutive, la dynamique des populations

(2) la formation par la recherche via l’accueil d’étudiants.  

L’équipe est très impliquée dans la formation supérieure : (1) par la recherche : depuis le niveau L3 jusqu’au doctorat et (2) pour la recherche : La présence de trois enseignants-chercheurs (2 Pr et 1 EC) de Montpellier Supagro permet à Ge2pop d’être sollicitée pour participer à la formation des élèves ingénieurs dans différents modules et d’accueillir des stagiaires (y compris ERASMUS) dans les domaines des ressources génétiques et de la génétique des plantes. Ces enseignants conçoivent et co-organisent plusieurs modules de formation dans les domaines de la génétique quantitative, l’analyse et la valorisation de la diversité des plantes cultivées, la bio-informatique ou de la phylogénie. Ils sont notamment très impliqués dans l’option (spécialisation) APIMET de 3ème année de Montpellier Supagro et le parcours SEPMET du master d’école (3A) qui y est adossé. L’équipe participe à d’autres formations, notamment intervient dans le parcours BEE (Biologie évolutive et Ecologie) du master EBE de Montpellier et à l’IUT de Perpignan. En moyenne, les chercheurs (non enseignants) de l’équipe participent à des enseignements (entre 5 et 20 h. par an) dans les domaines de la biologie de la conservation, la gestion de la diversité, la génétique des populations, la génétique quantitative, la biologie évolutive et l’amélioration des plantes.

Date de mise à jour : 13 février 2015

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