Manuscrit De Thèse T. Lacombe 2012
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Montpellier SupAgro Centre International d’Etudes Supérieures en Sciences Agronomiques THESE présentée pour obtenir le grade de Docteur du Centre International d’Etudes Supérieures en Sciences Agronomiques Ecole Doctorale : Systèmes Intégrés en Biologie, Agronomie, Géosciences, Hydrosciences et Environnement Spécialité : Evolution, Ecologie, Ressources Génétiques et Paléontologie Contribution à l’étude de l’histoire évolutive de la vigne cultivée (Vitis vinifera L.) par l’analyse de la diversité génétique neutre et de gènes d’intérêt soutenue publiquement par Thierry LACOMBE le 18 décembre 2012 devant le jury composé de : Mme. Catherine BASTIEN, Directrice de Recherche, INRA Orléans Rapportrice Mme. Frédérique PELSY, Chargée de Recherche, INRA Colmar Rapportrice Mme. Maria MANZANARES-DAULEUX, Professeur AGROCAMPUS OUEST, Rennes Examinatrice M. Jean-Louis PHAM, Chargé de Recherche, IRD Montpellier Examinateur M. Michel PITRAT, Directeur de Recherche, INRA Avignon Président du jury M. Patrice THIS, Directeur de Recherche, INRA Montpellier Directeur de thèse M. Jean-Michel BOURSIQUOT, Maître de Conférences, Montpellier SUPAGRO co-Directeur de thèse M. Jean-Pierre PEROS, Chargé de Recherche, INRA Montpellier Invité Contribution à l’étude de l’histoire évolutive de la vigne cultivée (Vitis vinifera L.) par l’analyse de la diversité génétique neutre et de gènes d’intérêt Résumé : Vitis vinifera L. est l’une des premières espèces fruitières à avoir été domestiquées. Sous l’effet de la sélection humaine, cette espèce a suivi une évolution agro-morphologique conduisant à une importante diversité répartie en deux morphotypes principaux selon l’usage des raisins (cuve vs table). L’objectif de cette thèse a été de mieux comprendre la structuration et l’origine de la diversité génétique de la vigne domestique au travers de l’étude de marqueurs moléculaires neutres (nucléaires et chloroplastiques) et de gènes codant pour des caractères d’intérêt agronomique (couleur des baies et architecture des grappes). Une meilleure connaissance des ressources génétiques de la vigne est en effet nécessaire pour leur gestion optimisée et leur utilisation appropriée dans de nouveaux programmes d’amélioration. Une étude de parenté basée sur l’analyse de 20 microsatellites nucléaires a d’abord été menée sur 2344 cultivars de la collection INRA du Domaine de Vassal. Elle a permis de préciser l’ascendance directe de plus de 800 cultivars et de révéler les géniteurs clés. A l’aide de ces mêmes marqueurs, une étude de la structuration génétique du compartiment cultivé a ensuite mis en évidence quatre grands groupes de diversité reliés à l’usage des fruits, la géographie et l’histoire de la viticulture. Ces premiers résultats ont été utilisés pour constituer un échantillon de travail de 595 génotypes comprenant i) des cultivars (subsp. vinifera, syn. sativa) représentatifs de la diversité neutre et de catégories historiques préalablement définies et ii) des représentants du compartiment sauvage (subsp. sylvestris). Les résultats de l’étude de la diversité de l’ADN chloroplastique sont compatibles avec l’existence d’un centre primaire de domestication oriental et de centres secondaires répartis sur le pourtour méditerranéen. Le polymorphisme de séquence (SNP et INDEL) a ensuite été exploré pour trois gènes associés à des caractères d’intérêt agronomique. L’analyse de la diversité des gènes VvMybA1 et VvMybA3, associés à la couleur des baies, a permis de préciser l’histoire de ce trait et sa diversification sous l’effet de la sélection artificielle. L’analyse du polymorphisme du gène VvTFL1A, associé à l’architecture des grappes, a montré une structuration différente principalement en relation avec l’usage des fruits. L’ensemble des résultats a permis de mettre en évidence certaines variétés ou groupes de variétés occupant une position originale dans l’histoire de la vigne cultivée depuis sa domestication. Mots-clés : Vitis vinifera ; histoire évolutive ; diversité génétique neutre ; caractère d’intérêt agronomique ; polymorphisme de séquence INRA, UMR AGAP, Equipe Diversité et Adaptation de la Vigne et des Espèces Méditerranéennes 2, place Pierre Viala, F-34060 Montpellier cedex 1. Contribution to the study of grapevine (Vitis vinifera L.) evolutionary history through the analysis of genetic diversity of neutral markers and genes of interest Abstract: Vitis vinifera L. is one of the first fruit species ever domesticated. Under human selection, this species underwent a morphological and agronomical evolution leading to an extensive diversity and to two distinct morphotypes according to the use of grapes (wine vs. table). The objective of this PhD thesis was to better understand the structure and origin of cultivated grapevine genetic diversity studying neutral (nuclear and chloroplastidial) molecular markers and genes encoding traits of agronomic interest (berry colour and bunch architecture). A better knowledge of grapevine genetic resources is indeed needed for their optimized management and appropriate use in new breeding programmes. A parentage study based on 20 nuclear microsatellites markers was first performed on 2344 cultivars held in the INRA “Domaine de Vassal” repository. This work allowed us to reveal the direct ascent of more than 800 cultivars and to uncover key genitors. Then, a study of the cultivated pool genetic structure was performed using the same markers. The four diversity groups found are related to use of fruits, geography and viticulture history. These first results were used to build a working sample of 595 genotypes that included i) cultivars (subsp. vinifera, syn. sativa) representative of both neutral markers diversity and previously defined historical categories and ii) representatives of the wild compartment (subsp. sylvestris). The results of chloroplastidial DNA diversity study are consistent with the existence of an eastern primary domestication centre with secondary centres distributed on the periphery of the Mediterranean sea. Sequence polymorphism (SNP and INDEL) was then explored in three genes associated with traits of agronomic interest. Diversity analysis of VvMybA1 and VvMybA3 genes associated with berry colour allowed us to better understand the diversification of this trait under artificial selection. Analysis of VvTFAL1A polymorphism, associated to bunch architecture, showed a different structuration mainly related to the use of fruits. All these results highlighted specific cultivars or groups of cultivars which hold an original position in the history of cultivated grapevine since its domestication. Keywords: Vitis vinifera; evolutionary history; neutral genetic diversity; traits of agronomic interest; sequence polymorphism INRA, UMR AGAP, Equipe Diversité et Adaptation de la Vigne et des Espèces Méditerranéennes 2, place Pierre Viala, F-34060 Montpellier cedex 1. Remerciements Nombreuses sont les personnes qui m'ont apporté leur aide directe ou indirecte durant ces trois années et je leur en suis redevable. Je mesure pleinement ma chance d'avoir pu mener à bien ce projet à leur côté et au sein de l’Institut National de la Recherche Agronomique. Je remercie tout d'abord les membres du jury de m'avoir fait l'honneur d'évaluer mon travail. Merci également à Stéphanie Mariette, Jacques David, Bouchaib Kadari, Jean-Louis Noyer et Yves Vigouroux pour leur participation aux comités de suivi de thèse et leurs conseils avisés, ainsi qu’à Martine Barraud. Mes remerciements vont naturellement à Patrice This, directeur de thèse, qui de longue date m'a incité à m’engager dans cette direction. Sans la confiance qu’il m’a témoignée au moment de l’inscription en thèse, je n’aurais peut-être pas sauté le pas. Il m'a aussi aidé à concevoir ce projet et à le mener à terme, en m’offrant l’autonomie et les moyens nécessaires à son déroulement, au sein de l'équipe dont il a la responsabilité. Je le remercie enfin pour le temps précieux qu'il a ensuite pu consacrer au suivi de mon travail. Jean-Michel Boursiquot m’a appris mon métier. Il a aussi assuré la co-direction de cette thèse avec constance et attention, continuant ainsi à me faire bénéficier de son expertise irremplaçable en matière d’ampélographie et, plus largement, de diversité génétique. Sa capacité de synthèse et l’acuité de ses raisonnements m’ont été très bénéfiques. De plus, son aide indirecte a été déterminante dans plusieurs dossiers étrangers à la thèse et auxquels il a fallu malgré tout faire face. Pour tout cela, je lui exprime aujourd’hui ma plus profonde reconnaissance. Dès le début du projet, Jean-Pierre Péros a assuré une part importante de l'encadrement scientifique de ce doctorat. Son aide fut cruciale, tant par sa qualité que par sa proximité. Il s’est notamment rendu disponible pour me guider dans les analyses de données et pour m’orienter dans la jungle logicielle. Ses conseils méthodologiques avisés et ses encouragements m’ont aussi aidé à surmonter quelques inévitables moments de doute. Pour cette implication sans faille, je tiens à lui exprimer ici ma sincère gratitude. Amandine Launay et Valérie Laucou ont produit la plupart des données moléculaires utilisées dans cette thèse. L’implication d’Amandine dans les travaux de séquençage, son sérieux et son dynamisme ont représenté une véritable chance pour la réalisation de mon projet et je lui adresse mes plus vifs remerciements. Valérie m’a toujours fait bénéficier de ses compétences en biologie moléculaire et a répondu avec efficacité à toutes mes sollicitations. Pour cela et pour les précédentes années