L'augmentation de la production agricole est au cœur de la réalisation de la sécurité alimentaire au 21st siècle. Un groupe de scientifiques relève ce défi en étudiant la ramification des pousses, l'un des principaux facteurs affectant le rendement. Ils ont simulé des essais de sélection avec sélection pour la ramification à l'aide de simulations informatiques de caractères contrôlés par les gènes. Ils ont découvert que la sélection pour la ramification est difficile en raison des interactions complexes entre les hormones et le saccharose qui contrôlent la ramification.

Malgré la connaissance détaillée des mécanismes moléculaires et physiologiques de la ramification, traduire ces découvertes en résultats de sélection reste un défi. L'examen du réseau gène-phénotype de traits complexes à l'aide d'une connaissance préalable des interactions biologiques peut démasquer les variations génétiques cachées et identifier les traits intermédiaires qui peuvent augmenter la précision de la sélection et l'efficacité de la sélection pour la ramification.

Dr Owen Powell, chercheur postdoctoral à la Queensland Alliance for Agriculture and Food Innovation à l'Université du Queensland et coauteurs développé un réseau gène-phénotype pour la ramification des pousses. À l'aide de ce modèle, ils ont étudié l'ampleur de la variation génétique cachée qui contrôle le caractère complexe de la ramification des pousses et ses implications pour le gain génétique au cours des cycles de sélection.

Le diagramme de gauche montre une portion de tige avec une seule feuille. A l'aisselle de la feuille se trouve un bourgeon. Dans le diagramme de droite, le bourgeon s'est allongé en une branche latérale.
Le diagramme de gauche montre une portion de tige avec une seule feuille. A l'aisselle de la feuille se trouve un bourgeon. Dans le diagramme de droite, le bourgeon s'est allongé en une branche latérale. Figure de l'Atlas numérique de la vie antique https://www.digitalatlasofancientlife.org/

La ramification des pousses dépend de l'excroissance des bourgeons axillaires qui se forment à l'aisselle des feuilles. Recherche précédente ont démontré que le temps d'excroissance des bourgeons axillaires était contrôlé par les niveaux d'hormones (auxine, cytokinines, strigolactones) et de saccharose à l'aide d'un modèle empirique de réseau de ramification des pousses. Les auteurs ont étendu ce modèle pour inclure des effets génétiques causaux dans le contrôle des taux d'hormones et de saccharose.

Un organigramme à trois niveaux horizontaux. Le niveau inférieur correspond aux loci génétiques causaux répertoriant 4 gènes pour chaque trait intermédiaire. Les flèches de ceux-ci pointent vers le niveau suivant, qui répertorie les traits intermédiaires qu'ils contrôlent. Ce sont : les strigolactones, l'auxine, le saccharose et les cytokinines. Une flèche latérale pointe de l'auxine vers les strigolactones. Une autre flèche latérale pointe du saccharose vers les cytokinines. Les strigolactones et les cytokinines sont les intégrateurs de signal pour l'excroissance des bourgeons, le trait cible sous sélection.
Tirer le gène de ramification au réseau de phénotype. Dix loci génétiques causaux et leurs interactions déterminent les niveaux de chacun des traits intermédiaires : strigolactones (SL), auxine (A), saccharose (Suc) et cytokinines (CK). À leur tour, les niveaux de ces traits intermédiaires (hormones, saccharose et intégrateur de signal), leurs interactions et l'erreur aléatoire déterminent le temps de croissance des bourgeons d'une plante individuelle.

Les auteurs ont exécuté in silico expériences de sélection pour déterminer si la vue en réseau de la ramification des pousses chez les plantes avait des implications sur la prédiction de la réponse à la sélection d'élevage. C'est fait et il y a eu plein de surprises ! La sélection du gène de ramification des pousses au réseau de phénotypes pour une croissance plus rapide des bourgeons a échoué. Powell explique : « nous nous attendions à voir diminuer les réponses à la sélection au fil du temps, pour finalement atteindre un plateau permanent. Au lieu de cela, nous avons vu une combinaison de plateaux temporaires et permanents, en particulier pour le saccharose. C'est une indication de la canalisation génétique, une propriété émergente des interactions complexes entre les composants du réseau gène-phénotype de ramification des pousses.

Trajectoires de sélection pour le réseau G2P de ramification des pousses pour une croissance plus rapide des bourgeons.

La canalisation génétique décrit un phénomène de la carte gène-phénotype lorsque le phénotype est résistant aux modifications génétiques, dans ce cas causées par la pression de sélection.

Pour examiner les moteurs des réponses inattendues à la sélection, ils ont ensuite examiné les schémas des niveaux d'hormones et de saccharose et la fréquence des allèles des populations au cours des cycles de sélection. "L'expression génétique non exprimée du saccharose peut s'expliquer par l'interaction complexe entre la signalisation du saccharose et de la strigolactone dans le réseau gène-phénotype. De multiples combinaisons génétiques de saccharose et de strigolactone produisent des valeurs similaires pour l'excroissance des bourgeons, ce qui donne des génotypes avec des combinaisons complètement différentes de niveaux de strigolactone et de saccharose produisant des valeurs similaires pour le temps d'excroissance des bourgeons », a poursuivi Powell.

Un diagramme expliquant la variation génétique cryptique du saccharose. Le diagramme a trois niveaux horizontaux. Le niveau inférieur montre des locus génétiques causaux ayant des interactions de signalisation complexes entre les traits intermédiaires de la signalisation du saccharose et de la strigolactone au deuxième niveau. Ces traits convergent vers le niveau supérieur, le trait cible de l'excroissance des bourgeons, indiquant que des combinaisons complètement différentes de niveaux de strigolactone et de saccharose produisent des valeurs similaires pour le temps d'excroissance des bourgeons.
Explication schématique de la canalisation génétique des réseaux de gènes à phénotypes. De multiples combinaisons génétiques de traits intermédiaires produisent des valeurs similaires pour le trait cible, provoquant l'accumulation de variations génétiques cryptiques qui ne sont pas accessibles par sélection.

On s'attend à ce que la canalisation génétique soit omniprésente dans d'autres traits complexes, tels que le rendement en grains, qui résultent d'interactions entre plusieurs gènes, traits, environnements et pratiques de gestion agronomique. Cela illustre la nécessité pour la sélection prédictive d'adopter une vision en réseau de traits complexes pour faire progresser notre compréhension de la réponse de sélection et de l'efficacité du développement de cultures résilientes pour les climats futurs.

LIRE L'ARTICLE:

Owen M Powell, François Barbier, Kai P Voss-Fels, Christine Beveridge, Mark Cooper, Enquêtes sur les propriétés émergentes des réseaux gène-phénotype à travers les cycles de sélection : Une étude de cas sur la ramification des pousses chez les plantes, in silico Plants, 2022 ;, diac006, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac006