Genetic control of biennial bearing in apple

par Baptiste Guitton

Thèse de doctorat en Biologie fonctionnelle des plantes

Sous la direction de Evelyne Costes.

Soutenue le 19-12-2011

à Montpellier, SupAgro , dans le cadre de Systèmes Intégrés en Biologie, Agronomie, Géosciences, Hydrosciences, Environnement (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2015) , en partenariat avec AGAP - Amélioration Génétique et Adaptation des Plantes (laboratoire) .

Le jury était composé de Evelyne Costes, Fabrice Foucher, Christian Jay-Allemand, David Chagné.

Les rapporteurs étaient Viola Hanke, Marco Bink.

  • Titre traduit

    Étude des déterminismes génétiques de l'alternance de production chez le pommier


  • Résumé

    L'alternance de production est définie comme la charge en fruit d'un arbre irrégulière sur plusieurs années consécutives. La principale hypothèse en soulignant l'alternance est que la charge en fruits d'une année en cours inhibe la formation de fleurs pour l'année suivante. Ce phénomène génère d'importants problèmes agronomiques pour les espèces fruitières comme le pommier, en réduisant la production de fruits au cours des années 'OFF' et la qualité des fruits au cours des années 'ON', tout en augmentant les coûts de gestion des vergers, en particulier pour l'éclaircissage des fruits. Une stratégie pour atténuer l'alternance est de développer de nouvelles variétés avec une production régulière. Les principaux objectifs de ma thèse étaient: (i) d'améliorer les stratégies de phénotypage et les méthodes pour caractériser l'alternance de production, (ii) de disséquer le contrôle génétique de l'alternance de production en utilisant une descendance de pommier en ségrégation et d'identifier les principales régions génétiques responsables de la variation du caractère, et (iii) d'étudier les processus physiologiques sous-jacents à l'alternance de production. J'ai combiné des méthodes comme la modélisation, la génétique quantitative, la détection de Quantitative Trait Loci (QTL) et de gènes candidats ainsi que la cartographie et l'expression de gènes.Mon étude a utilisé une population de pommier ségrégation obtenue à partir d'un croisement entre des parents contrastés pour les caractéristiques architecturales et de floraison (‘Starkrimson' x 'Granny Smith'). Le phénotypage de la population pour l'alternance de production a été réalisée à l'échelle d'arbres entiers, en observant les occurrences de floraison pendant six années consécutives, et à l'échelle locale, en observant la succession de méristèmes floraux vs végétative en position terminale de rameaux. De ces données, de nouveaux modèles ont été développés afin de quantifier l'alternance de la production, en tenant compte de la croissance ontogénétique de la production et la présence / absence de floraison entre les années successives le long des pousses courtes. Ceci nous a conduits à proposer de nouveaux descripteurs de la tendance d'un génotype à l'alternance de production dans les premiers stades de développement des arbres et ouvre des possibilités pour une évaluation plus rapide et plus précoce de ce caractère dans les programmes de sélection de fruits à pépins.Pour identifier les régions génomiques impliquées dans l'alternance, une détection de QTL a été réalisée sur la base des données phénotypiques et des valeurs de BLUP obtenues à partir des modèles. J'ai démontré que la régularité de la production est sous contrôle polygénique. J'ai extrait une liste de gènes qui sont présents au sein de ces QTL en utilisant la séquence du génome du pommier. Les principaux gènes candidats identifiés sont liés aux gibbérellines, aux auxines, et à la floraison. J'ai étudié l'expression des gènes candidats co-localisant avec des QTLs par PCR quantitative en utilisant les méristèmes prélevés sur les arbres portant une forte charge en fruits vs une faible charge. Une analyse microarray m'a permis d'obtenir un aperçu global des processus biologiques et de l'expression des gènes qui sont modulés dans le méristème lorsque des fruits sont présents. Certains gènes liés à la floraison, au développement du méristème, aux gibbérellines et aux auxines ont montré un profil d'expression affectée par la présence de fruits.Mes résultats fournissent des éclaircissements sur le contrôle physiologique et génétique de ce caractère complexe qui est l'alternance et ouvrent la perspective d'inclure la régularité de production dans les schémas de sélection de pommier et d'autres espèces fruitières


  • Résumé

    Biennial bearing is defined as the irregular crop load of a tree over consecutive years. The main assumption underlining biennial bearing is that the fruit load of a given year inhibits flower formation for the following year. This phenomenon generates major agronomic problems for fruit species such as apple, by reducing fruit production during ‘OFF' years and fruit quality during ‘ON' years, while increasing orchard management costs, especially for fruit thinning. A strategy to attenuate biennial bearing is to develop new varieties with regular production. The main objectives of my project were (i) to improve phenotyping strategy and methodology for biennial bearing characterisation, (ii) to dissect the genetic control of biennial bearing using an apple segregating progeny and to identify key genetic regions responsible for the trait variation, and (iii) to investigate physiological processes underlying biennial bearing. I combined methodologies such as modelling, quantitative genetics, candidate gene and Quantitative Trait Loci (QTL) mapping and gene expression.My study used an apple segregating population issued from a cross between contrasting parents for architectural and flowering features (‘Starkrimson' x ‘Granny Smith'). Phenotyping of the population for biennial bearing was achieved at whole tree scale by observing flowering occurrence for six consecutive years, and at local scale, by observing the succession of floral vs. vegetative meristems in terminal position of shoots. From this data, new models were constructed to quantify the alternation of production, taking into account the ontogenetic increasing trend of production and the presence/absence of flowering between successive years along short shoots. This led us to propose new descriptors of the tendency of a genotype to biennial bearing in the early stages of tree development and opens possibilities for a faster and earlier evaluation of this character in pipfruit breeding programmes and for orchard management.To identify genomic regions involved in biennial bearing, a QTL detection was performed on the basis of phenotypic data and BLUP values obtained from the models. I demonstrated that the regularity of production is under polygenic control. I mined a list of genes that are present within these QTLs using the apple genome sequence. The main candidate genes identified are related to gibberellins, auxins, and flowering.I investigated the expression of candidate genes co-locating with QTLs by quantitative PCR using meristems collected on trees bearing heavy fruit load vs. light crop. A microarray analysis enabled me to obtain a global overview of biological processes and gene expression that are modulated in the meristem when fruits are present. Some genes related to flowering, meristem development, gibberellins and auxins showed an expression profile affected by the presence of fruit.My results provide elucidation on the physiological and genetic control of the complex trait that is biennial bearing and open up the perspective of including regular bearing in breeding schemes for apple and other fruit species.

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