[PDF] Contribution à létude de lhistoire évolutive de la vigne cultivée (Vitis

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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 th e 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 de collaborations fructueuses, je la remercie sincèrement. Dans le bureau que

nous partageons quotidiennement, je tiens aussi à saluer leur délicatesse et leur bonne humeur.

Au sein de mon collectif de travail, aujourd'hui dénommé " AGAP/DAVEM/Vigne » et " Géno-Vigne », je remercie Laurent Audeguin, Roberto Bacilieri, Gilles Berger, Yves Bertrand, Philippe Chatelet (Grand Prix), Alexis Dereeper, Agnès Doligez, Marc Farnos, Loïc Le Cunff (Palme d'Or), Delphine Legrand, Gilbert Lop ez, Marie-Hélène Muller, Patrick Ortigosa, André Peyrière, Charles Romieu, Catherine Roux, Gautier Sarah, Christophe Séréno, Laurent

Torregrosa ainsi que les autres membres de l'équipe. Mes remerciements vont aussi à Julien Barbe

et à Pierre Bonnet, ainsi qu'aux stagiaires, thésards et post-doctorants du laboratoire qui m'ont

apporté un soutien sympathique et appréciable : Catherine Breton, Pierre Bourguet, Grégory Carrier, Vincent Delbos, Manuel Di Vecchi-Staraz, Aicha El Oualkadi, Lucie Fernandez, Alexandre Fournier-Level, Pilar Gago-Montaña, Cléa Houel, Vincent Maillol, Sonia Garcia- Muñoz, Amidou N'Diaye, Stéphane Nicolas, Alice Piacibello, Sandrine Picq, Leila Riahi, Yung Fen Wang. Et je souhaite courage et réussite à Ratthaphon Chatbanyong, Agota Fodor et Markus

Rienth pour la fin de leur thèse.

Aujourd'hui, sans conservatoires de vignes, pas de diversité variétale, ni phénotypes, ni

génotypes, ni chlorotypes, ni gènes, ni allèles, ni polymorphismes nucléotidiques, ni génomique,

ni sélection. Vision simpliste, certes, mais sans véritable contre-argument. La collection

ampélographique de Vassal-Montpellier n'est pas seulement l'outil de la présente étude, elle en est

aussi l'objet (complexe). A l'heure des incertitudes, mes pensées reconnaissantes vont à tous ceux

qui, hier comme aujourd'hui, ont contribué à enrichir et entretenir ce véritable trésor végétal ;

parmi eux, je tiens à remercier plus particulièrement Blaise Genna, Sandrine Lalet, Stéphanie

Pattier et Thierry Dessup.

Au-delà des équipes montpelliéraines, je remercie Aurélie Bérard, Louis Bordenave, Pauline

Guérin-Gere, Marie-Christine Le Paslier, Hélène Lucas, Nathalie Ollat, Erika Maul, Laurent Mayoux, Anna Schneider, Christophe Schneider et Olivier Yobregat. Mes remerciements vont enfin à mes amis et à ma famille, pour leur bienveillance, leur

patience et leur confiance. Proches ou lointains, ce sont eux qui m'ont donné l'envie et l'énergie

de faire cette course toute personnelle. Jour après jour, Cécile, Alice, Fanny et Mathieu m'ont

aidé, d'une si belle manière, à garder le cap sur l'essentiel. Myriam - surtout - m'a offert son

soutien inconditionnel. Sans elle rien n'aurait été possible et ce document, aussi imparfait soit-il,

n'aurait pas vu le jour. C'est à eux cinq que je dédie ce travail.

Table des matières

1 Introduction ........................................................................

...................1

1.1 La vigne domestique ........................................................................

................................... 1

1.1.1 L'espèce Vitis vinifera L. ........................................................................

...................... 1

1.1.1.1 Position systématique ........................................................................

........................... 1

1.1.1.2 Données biologiques ........................................................................

............................. 4

1.1.1.3 Données génomiques ........................................................................

............................. 5

1.1.2 Lambrusques et domestication ........................................................................

......... 6

1.1.2.1 Typologie ........................................................................

............................................. 6

1.1.2.2 Répartition et écologie ........................................................................

........................... 7

1.1.2.3 Diversité des lambrusques autochtones ........................................................................

.. 8

1.1.2.4 Domestication ........................................................................

.................................... 10

1.1.3 Les cépages ........................................................................

......................................... 13

1.1.3.1 Généralités ........................................................................

........................................ 13

1.1.3.2 Diffusion et amélioration : quelques jalons historiques ................................................. 15

1.1.3.3 Diversité phénotypique ........................................................................

....................... 18

1.1.3.4 Diversité génétique ........................................................................

............................. 20

1.2 Objectifs de la thèse ........................................................................

.................................. 22

1.2.1 Problématique scientifique ........................................................................

.............. 22

1.2.2 Outils moléculaires........................................................................

............................ 23

1.2.3 Questions de recherche ........................................................................

.................... 25

1.2.4 Hypothèses de travail ........................................................................

....................... 26 2 Etude multicritère pour la constitution de l"échantillon de travail ... 27

2.1 Provenance du matériel végétal ........................................................................

............... 27

2.2 Echantillonnage des lambrusques ........................................................................

........... 28

2.2.1 Critères géographiques ........................................................................

..................... 28

2.2.2 Critères phénotypiques ........................................................................

..................... 29

2.2.3 Critères moléculaires ........................................................................

......................... 29

2.2.4 Bilan du sous-échantillon de lambrusques ............................................................ 30

2.3 Echantillonnage des cépages........................................................................

.................... 31

2.3.1 Critères géographiques ........................................................................

..................... 31 2.3.2

Critères phénotypiques ........................................................................

..................... 32

2.3.3 Critères moléculaires ........................................................................

......................... 32

2.3.3.1 Génotypage des accessions de la collection de Vassal .................................................... 32

2.3.3.2 Structuration de la diversité des cépages ....................................................................... 34

2.3.4 Critères historiques ........................................................................

........................... 38

2.3.4.1 Dates d"obtention ........................................................................

............................... 38

2.3.4.2 Degré d"amélioration ........................................................................

.......................... 39

2.3.4.3 Généalogie ........................................................................

......................................... 39

2.3.5 Bilan du sous-échantillon de cépages ..................................................................... 40

2.4 Choix des espèces de Vitis hors-groupes ....................................................................... 41

2.5 Description et valorisation de l'échantillon constitué .................................................. 41

3

Différenciation des groupes de diversité

à l'aide de marqueurs moléculaires neutres ............................................. 44

3.1 Etude des microsatellites chloroplastiques .................................................................... 44

3.1.1 Introduction ........................................................................

....................................... 44

3.1.2 Méthodes ........................................................................

............................................ 45

3.1.3 Résultats et discussion ........................................................................

...................... 45

3.2 Etude complémentaire des microsatellites nucléaires .................................................. 48

3.2.1 Méthodes ........................................................................

............................................ 48

3.2.2 Résultats et discussion ........................................................................

...................... 49

3.2.2.1 Différentiation globale des groupes historiques ............................................................. 49

3.2.2.2 Différenciation globale des groupes de diversité neutre ................................................... 50

3.2.2.3 Différentiation de séries historiques pour trois groupes neutres particuliers .................... 51

3.3 Conclusion ........................................................................

.................................................. 52 4 Etude du polymorphisme de séquence de gènes d'intérêt ............... 54

4.1 Introduction ........................................................................

............................................... 54

4.1.1 Gènes VvMybA ........................................................................

................................. 54

4.1.2 Gène VvTFL1A ........................................................................

................................ 55

4.2 Matériel et méthodes ........................................................................

................................. 56 4.2.

1 Matériel végétal ........................................................................

.................................. 56

4.2.2 Séquençages ........................................................................

....................................... 56 4.2.3 Validation et traitement des polymorphismes de séquence ................................ 57

4.2.4 Structuration de la diversité et représentations graphiques................................. 58

4.3 Résultats ........................................................................

...................................................... 58

4.3.1 Séquençages, polymorphismes et diversité nucléotidique ................................... 58

4.3.2 Structuration de la diversité du gène VvMybA1 ................................................... 59

4.3.2.1 Polymorphisme de séquence ........................................................................

................. 59

4.3.2.2 Dendrogramme ........................................................................

.................................. 61

4.3.2.3 Réseaux d"haplotypes ........................................................................

......................... 63

4.3.3 Structuration de la diversité du gène VvMybA3 ................................................... 64

4.3.3.1 Polymorphisme de séquence ........................................................................

................. 64

4.3.3.2 Dendrogramme ........................................................................

.................................. 64

4.3.3.3 Réseau d"haplotypes ........................................................................

........................... 65

4.3.4 Structuration de la diversité du gène VvTFL1A .................................................. 66

4.3.4.1 Polymorphisme de séquence ........................................................................

................. 66

4.3.4.2 Dendrogramme ........................................................................

.................................. 67

4.3.4.3 Réseau d"haplotypes ........................................................................

........................... 68

4.4 Discussion ........................................................................

.................................................. 69 5 Conclusions et perspectives ............................................................... 72

Références bibliographiques

Annexes

Liste des figures

Figure 1.1. Réseau d'haplotypes chloroplastiques des espèces de Vitis basé sur des substitutions et des INDEL. Figure 1.2. Schéma de la position taxinomique de l'espèce Vitis vinifera L. Figure 1.3. Comparaison du génome de la vigne avec ceux d'autres espèces de plantes cultivées. Figure 1.4. Classification des différents types de lambrusques. Figure 1.5. Aire de répartition de la vigne sauvage Vitis vinifera subsp. sylvestris. Figure 1.6. Différences morphologiques entre la vigne cultivée (subsp. sativa) et la vigne sauvage (subsp. sylvestris). Figure 1.7. Schéma des différents niveaux de classification chez Vitis vinifera subsp. sativa. Figure 1.8. Diffusion de la vigne cultivée depuis la domestication jusqu'à la fin de l'Antiquité. Figure 1.9. Les deux principaux morphotypes de grappes : raisin de table et raisin de cuve. Figure 1.10. Représentation des classes de caractères morphologiques sur le résultat d'une AFC réalisée sur un fichier de 5226 accessions de

V. vinifera.

Figure 1.11. Analyse de regroupement de 500 variétés de vigne cultivée réalisée à l'aide de 25

variables morphométriques.

Figure 1.12. Structuration de la diversité de V. vinifera selon l'étude de Aradhya et al. (2003).

Figure 1.13. Deux exemples de groupes de filiation centrés sur le ‘Merlot' et le ‘Sangiovese'.

Figure 1.14. Succession théorique des groupes historiques de cépages Figure 2.1. Schéma physique simplifié de la base de données relationnelle de travail. Figure 2.2. Origines géographiques des cépages conservés dans la collection INRA du

Domaine de Vassal.

Figure 2.3. Origines géographiques des 380 lambrusques conservées dans la collection

INRA du Domaine de Vassal.

Figure 2.4. AFC réalisée avec les données de 20 marqueurs microsatellites nucléaires sur

2344 variétés de vignes cultivées et 224 accessions de lambrusques.

Figure 2.5. AFC réalisée avec les données de 20 marqueurs microsatellites nucléaires sur

224 accessions de lambrusques.

Figure 2.6. Détermination du nombre optimal de groupes de diversité suite à l'analyse avec le logiciel

STRUCTURE.

Figure 2.7. Regroupement hiérarchique réalisé selon la méthode de Ward sur les données

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