Analyse des déterminants génétiques contrôlant la production et la composition de la tige chez le sorgho (Sorghum bicolor [L.] Moench). Intégration des approches bi-et multi-parentales

Genetic determinism of stem biomass production and quality in sorghum (Sorghum bicolor [L.] Moench). Bi- and Multiparental genetic mapping strategies

• Auteur / Autrice : Korotimi Thera
• Direction : Dominique This
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences Agronomiques et Ecologie
• Date : Soutenance le 22/11/2017
• Etablissement(s) : Montpellier, SupAgro
• Ecole(s) doctorale(s) : GAIA (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Amélioration Génétique et Adaptation des Plantes/UMR AGAP Montpellier
• Jury : Président / Présidente : Mathilde Causse
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique This, Mathilde Causse, Gilles Charmet, Charles-Éric Durel, Matthieu Reymond
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gilles Charmet, Charles-Éric Durel

Mots clés

Mots clés libres

Sorghum bicolor

Double usage

Qtl

Composition biomasse

Photopériodisme

Bcnam

Sorghum bicolor

Dual-Purpose

Qtl

Biomass composition

Photoperiod

Back cross Nested Association Mapping design

Résumé

Le sorgho est une des espèces de céréales les plus importantes au niveau mondial en termes d’alimentation humaine et animale. En outre, de nouvelles voies de valorisations liées à son haut potentiel de production de biomasse émergent (énergie, biomatériaux) avec des possibilités d’applications aux niveaux des pays du Nord et du Sud. L’identification des facteurs génétiques contrôlant la variabilité de la production et de la qualité de la biomasse est un des vecteurs de développement de variétés adaptées aux différentes utilisations. Actuellement, seule une vision partielle de l’architecture génétique de la production et de la qualité de la biomasse est disponible, pénalisant l’efficacité des programmes de sélection. Les principales raisons qui peuvent être évoquées sont : l’utilisation quasi exclusive de populations à base génétique très étroite (population biparentales correspondant à des idéotypes peu divers) et un manque de compréhension des interactions existantes entre la qualité de la biomasse et la phénologie. Dans ce contexte, cette thèse s’est articulée autour de 3 objectifs : i) apporter une meilleure compréhension du déterminisme génétique de la durée du cycle « semis - floraison » et de la hauteur des plantes dans le contexte de variétés sensibles à la photopériode, lesquelles ont été relativement peu travaillées jusqu’à présent , ii) analyser les interactions entre la qualité de la biomasse, la croissance en hauteur, la durée du cycle et la sensibilité au photopériodisme et iii) affiner notre compréhension des mécanismes moléculaires impliqués dans la variation de la qualité de la biomasse. Pour mener à bien ces analyses, deux populations de cartographie biparentales, un panel de diversité correspondant aux 35 parents d’un schéma de croisement multiparental (Backcross Nested Association Mapping) ainsi que leurs descendances (29 populations totalisant environ 1200 BC1F4) ont été caractérisés en termes de croissance, de phénologie et de qualité de la biomasse. L’analyse du déterminisme génétique de la phénologie couplée à une approche de modélisation écophysiologique a permis la mise en évidence d’une région chromosomique contrôlant une large part de la variabilité de la photopériode critique. Le gène ELF3 pour lequel plusieurs évidences fonctionnelles ont été mises en évidence chez d’autres espèces, est un candidat potentiel pour expliquer cet effet. Outre une large convergence entre les zones détectées pour la phénologie au sein de cette thèse et les études précédentes, une forte instabilité des zones détectées en fonction des conditions environnementales (dates de semis, année) a été mise en évidence. L’analyse des relations entre la qualité de la biomasse, la croissance en hauteur, la précocité et la sensibilité à la photopériode a mis en évidence des effets important du nanisme et de la date de semis sur la composition des tiges et des relations entre ses composantes. En outre, des différences de réactions à la variabilité des dates des semis ont été observées en fonction de la sensibilité à la photopériode des génotypes considérés. Enfin, la caractérisation de la composition biochimique des tiges (teneur en cellulose, en hémicellulose et en lignine des parois) au sein des 29 populations BC1F4, a mis en évidence de nombreuses zones chromosomiques pour lesquelles des gènes potentiellement causatifs ont été proposés. Ces analyses ont permis d’alimenter un répertoire de régions chromosomiques contrôlant les caractères cibles de la sélection. Les potentialités de ces résultats et des populations développées (bi- et multiparentales) dans le contexte de la sélection ainsi que de la validation des gènes sous-jacents à ces zones sont discutées.

Sorghum ranks fifth in terms of grain production at the worldwide level. It contributes to food security in the developing countries and provides a significant share of the animal caloric intake. In addition sorghum is expected to contribute significantly to the emerging energy and biomaterial value chains. In this context, identification of the genetic factors controlling biomass production and quality is of crucial interest to develop varieties fitting the expectations of the different uses. Currently only a partial vision of the genetic architecture of biomass production and quality is available, hampering optimal breeding efficiencies. This can be explained by a limited use of the genetic diversity pool to dissect the genetic control of the traits of interest (mainly restricted to non-photoperiod sensitive varieties until now) and a limited understanding of the relationships between biomass production (largely driven by phenology variability) and quality. In this context, this PhD aimed at i) providing a better understanding of the genetic bases of flowering and height variabilities using photoperiod sensitive genetic material ii) disentangling the interactions between biomass quality, height, cycle duration and photoperiod sensitivity and iii) refining our understanding of the molecular mechanisms involved in the variation in biomass quality. To tackle these challenges, two biparental QTL mapping populations, a diversity panel including 35 parents of a Backcross Nested Association Mapping design and a subset of their progenies (29 populations encompassing a total of 1200 BC1F4) were characterized for their phenology, growth and biomass composition. The analysis of the genetic determinism of phenology coupled with an ecophysiological modeling approach, revealed a chromosomic region controlling a large part of the variability (60%) of critical photoperiod (a component of cycle duration). The gene ELF3, for which functional evidence of impact on photoperiod sensitivity is available in other species can be proposed as a functional driver of the variability induced by this region. Although a significant proportion of the genomic regions detected in this study have already been revealed in previous studies, several new regions have been discovered, underlying the interest of multiparental based designs. Phenology analyses over different sowing dates highlighted the complexity of the genetic determinism of this trait through the detection of genomic regions with variable effects. In depth analyses of biomass quality relationships with height, precocity and photoperiod sensitivity underlined strong dwarfism and sowing dates effects on the components of biomass quality and their relationships. In addition, different behaviors of photoperidiod sensitive and insensitive genotypes to delayed sowing dates have been observed. Finally, characterization of stem biochemical composition (cellulose, hemicellulose and lignin content of the cell walls) on the 29 BC1F4 populations, revealed numerous chromosomic regions with variable effects. Putative candidate genes from these regions of interest have been opposed. These analyses enriched a library of regions impacting the breeding targets linked to biomass production and quality. The potentials of these results and of the populations developed towards optimization of breeding efficiency and gene function validation have been discussed.