Montpellier SupAgro THESE Pour obtenir le grade de DOCTEUR EN SCIENCES DE MONTPELLIER SupAgro Discipline : Biologie Intégrative des Plantes Ecole Doctorale : SIBAGHE Préparée au CIRAD – Département BIOS / UMR DAP / Equipe SRG Présentée et soutenue publiquement par Daniel Foncéka Le 10 décembre 2010 Titre : Elargissement de la base génétique de l’arachide cultivée (Arachis hypogaea) : Applications pour la construction de populations, l’identification de QTL et l’amélioration de l’espèce cultivée JURY A. CHARRIER Professeur émérite, Montpellier SupAgro Président G. CHARMET Directeur de recherche, INRA Examinateur L. GRIVET Directeur de recherche, Syngenta Rapporteur F. HOSPITAL Directeur de recherche, INRA Rapporteur B. COURTOIS Chercheur, CIRAD Directeur de Thèse J.-F. RAMI Chercheur, CIRAD Co-encadrant RESUME L’arachide (Arachis hypogaea L.) est une plante allotétraploïde (2n = 4x = 40) issue d’un événement récent d’hybridation entre deux espèces sauvages suivi d’un doublement spontané des chromosomes. La variabilité génétique existant dans le compartiment cultivé est faible. Les espèces diploïdes sauvages apparentées à l’arachide cultivée représentent un important réservoir d’allèles nouveaux utilisables pour élargir le pool génique du cultigène. L’objectif général de cette thèse est d’augmenter les marges de progression en amélioration de l’arachide par recours aux ressources génétiques sauvages. Nous avons développé une population BC1F1 à partir du croisement entre Fleur11 et un amphidiploïde synthétique (A. ipaensis x A. duranensis)x4 qui associe les génomes des plus probables progéniteurs sauvages de l’espèce cultivée. Nous avons d’abord construit une carte génétique comprenant 298 loci positionnés sur 21 groupes de liaison avec une taille totale de 1843.7 cM. Nous avons ensuite conduit une analyse AB-QTL pour plusieurs caractères impliqués dans la productivité, l’adaptation et la domestication de l’arachide. Au total, nous avons cartographié 95 QTL. Pour plusieurs QTL, les effets positifs sont associés aux allèles provenant des espèces sauvages. Nous avons aussi identifié trois régions du génome qui portent des empreintes de la domestication. Nous avons enfin développé une population de 122 lignées d’introgression à l’aide d’une stratégie de sélection assistée par marqueurs. L’ensemble des groupes de liaison sont couverts avec des fragments chevauchants, issus des donneurs sauvages, d’une taille moyenne de 39.2 cM et chaque lignée comprend en moyenne 1.2 fragments. Nous avons par ailleurs discuté l’utilisation de cette collection de lignées d’introgression pour des applications de sélection et de génétique. Nos résultats ouvrent de nouvelles perspectives pour l’amélioration de l’arachide par croisement avec les espèces sauvages apparentées. Mots-clés : Arachis hypogaea, cartographie de QTL, domestication, ressources génétiques sauvages, polyploïdes, tolérance à la sécheresse, amélioration. ABSTRACT Peanut (Arachis hypogaea L.) is considered to be an allotetraploid (2n = 4x = 40) originated from a single hybridization event between two wild diploids followed by spontaneous chromosomes duplication. Cultivated peanut harbours a limited genetic diversity. Peanut wild relatives represent an important source of novel alleles that could be used to broaden the gene pool of the cultigen. The general objective of this work is to enhance the rate of progress in peanut breeding using wild species resources. We developed a BC1F1 population from the cross between Fleur11 and a synthetic amphidiploid (A. ipaensis x A. duranensis)x4 that combines the genomes of the most probable wild progenitors of the cultigen. We first developed a SSR based genetic map of 298 loci on 21 linkage groups, spanning a total map distance of 1843.7 cM. We then conducted a detailed AB-QTL analysis for several traits involved in peanut productivity and adaptation as well as in the domestication syndrome. We mapped a total of 95 QTLs. About half of the QTL positive effects were associated with alleles of the wild parents. We identified three genomic regions which bear footprints of domestication. We finally developed, through a marker assisted backcross strategy, an exotic introgression library of 122 lines. This population, which has in average 1.2 fragments per line, allows covering all linkage groups with overlapping wild donor fragments of 39.2 cM length in average. The utilization of the exotic introgression lines library for breeding and genetics is discussed. Our findings open new avenues for peanut improvement using wild relatives. Keywords: Arachis hypogaea, QTL mapping, domestication, wild relatives, polyploid, drought tolerance, breeding. 2 REMERCIEMENTS Ah ! Nous y voilà ! Je commençais à ne plus y croire… Des études pifométriques ont montré que les remerciements sont très certainement la rubrique de la thèse la plus « widely consulted ». Alors or-ga-ni-sons nous ! Une structuration en chapitres s’impose. Chapitre I. Les officiels Mes remerciements s’adressent aux institutions CIRAD, GCP et CERAAS pour avoir créé les conditions financière et d’accueil nécessaires à la réalisation de ces travaux de thèse. Je voudrais remercier tout particulièrement Jean-François Rami et Jean-Christophe Glaszmann pour avoir su mobiliser les ressources financières durant ces trois années de thèse et Ousmane Ndoye pour avoir facilité mon accueil au CERAAS et au CNRA de Bambey durant mes séjours au Sénégal. J’aimerais aussi remercier chaleureusement ma directrice de thèse, Brigitte Courtois, pour sa rigueur et ses encouragements, Jean-François Rami, pour son encadrement de proximité, et les membres de mon comité de thèse : Mathilde Causse, Mathias Lorieux, David Bertioli, Nourollah Ahmadi, Angélique D’Hont et Delphine Luquet pour leurs conseils avisés. Mes remerciements vont aussi à l’endroit des scientifiques émérites (c’est fayot, je sais !) qui ont bien voulu participer à mon Jury de thèse : André Charrier, Gilles Charmet, Frédéric Hospital, Laurent Grivet, Brigitte Courtois et Jean-François Rami (encore lui ! et ce n’est pas fini, il s’est investi il sera remercié…). Mes remerciements s’adressent aussi à tous les chercheurs de l’équipe SRG. Chapitre II. Les collègues et amis I. 1 Du CIRAD et du CERAAS Si le doctorat était un diplôme communautaire, je l’aurai partagé volontiers avec Tossim, Ronan, Hélène, Elodie et Fabien car sans leur disponibilité et leur professionnalisme je ne serai très certainement pas arrivé au bout de cette thèse. Cependant, la thèse étant une production d’UN esprit, l’aboutissement d’UN travail de recherche, UN exercice académique validé par l’obtention d’UN grade universitaire… (lu dans le guide pour la rédaction et la présentation des thèses), je ne peux donc pas en partager la sanction avec vous. Je me contenterai de vous remercier. Je voudrais aussi remercier mes collègues doctorants d’hier, Sophie, Julie et d’aujourd’hui, Julien, avec qui j’ai partagé, en plus d’un bureau, mes réflexions prospectives et souvenirs d’Ancien, problèmes de papiers et visions politiques… Merci à Claire Billot (source inépuisable d’info pratiques et d’astuces) et à David Pot (Grand Emprunteur devant l’éternel !) pour leur présence et les moments de rigolade (et il y en a eu !) durant ces trois années. J’adresse aussi mes remerciements à Aida pour sa générosité, son hospitalité et sa joie de vivre, à Mbaye Ndoye Sall, Issa Faye et aux compagnons doctorants du Ceraas : Roger (roi du agouti fumé), Ambroise (ambassadeur du kédjénou), Sali, Patrice, Eric, que la bière soit avec vous ! Un grand merci à la famille Muller sise à « Angueule Meule » Thiès. Merci à Angel (pourquoi pas nous ?), à Céline (rdv dans 10 ans !), Cécile (non je ne joue pas dans Dr House !), Mr Mournet (directeur sportif rugby touch), à Jean-Baptiste (lo mougn mou diekh !), Caroline (je ne sais pas quoi dire), Delphine (tu tiens le bon bout), Olivier et Cyril (vive St Malo et la polyploïdie), Mumu, Giang, Camille, Ablanvi… 3 I. 2 D’ici et d’ailleurs Merci à toute la bande de joyeux lurons avec qui j’ai passé de supers moments à Montpellier : Baptiste Adam, Hélène Vergne, Grogro Barnaud, Adeline Bottalico, Eric Mirouz, Marie Lacombe, Jean-François Pak, Lai Ting Rami, Patrick Berthouly, Anne Heuret…et au sponsor officiel de nos fêtes : la brasserie des Garrigues (elle est quand même bonne hein !) Chapitre III. Les familles J’aimerais dire un grand merci à mes parents qui ont toujours pensé que je ferai de longues études. Ils me disaient : « tu me feras de grandes études mon fils ». J’en étais pas particulièrement persuadé, je ne sais pas non plus d’où ils tenaient ces infos et cette confiance en moi, mais ça a dû très certainement me motiver à toujours donner le meilleur de moi- même. J’aimerais aussi remercier mes frères Loulou, Yvon et Jean-Michel pour leur soutien sans faille (en ouolof ça se dit « dem ba diekh ») en toute circonstance, mes sœurs, mes beaux-frères, mes neveux et nièces (je vous passe les prénoms parce que « famille africaine là c’est beaucoup dé ! ») et enfin tonton Dief (un oncle d’emprunt). Un grand merci à ma belle famille Dominique, Rosalie, Aymeric et Marie pour leur soutien. Chapitre IV. Les saugrenus Merci aux génies créateurs Ramiesque et Danielesque, pour avoir conçu le polyapplicateur®, structure en PVC plate et percée d’orifices régulièrement répartis, permettant de plonger simultanément 38 tubes eppendorf (2 ml) dans un récipient d’azote liquide et de les disposer (toujours avec la même simultanéité !) dans un bloc pour vibro-broyeur MM301 sans se brûler les doigts ! Merci au feuilleton politico-judiciaire Woerth-Bettencourt qui a permis de combler, par l’abondance de ses rebondissements, toutes mes périodes de panne d’inspiration. Chapitre V. Les hors-catégories J’aimerais enfin dire un immense merci à ma femme Aurélie qui m’a toujours soutenu dans toutes mes entreprises, mais particulièrement pendant ces trois années de thèse. Tu as su supporter et gérer mes absences, mes périodes stress, mes angoisses, trouver les mots justes pour me motiver dans les moments de doute.