MESURE DES NIVEAUX DE DIVERSITE GENETIQUE DANS UN PROGRAMME DE GENERATION AVANCEE DE PINUS TAEDA L. A L'AIDE DE MARQUEURS MOLECULAIRES

par

Claire G. Williams et James L. Hamrick
Department of Forest Sciences
Texas A&M University, Etats-Unis

RESUME

L'utilisation dans des générations successives de populations d'amélioration à effectif réduit, sélectionnées sur la base de leurs caractères adaptatifs et sylvicoles, a soulevé quelques problèmes au sujet de la diversité génétique disponible. Des marqueurs moléculaires ont été utilisés pour mesurer la diversité génétique dans des peuplements naturels de Pinus taeda et dans des populations d'amélioration domestiquées pour répondre à deux questions: 1) Les individus d'élite sélectionnés en troisième génération sont-ils moins différenciés génétiquement que leurs parents de la première génération ou que les arbres des peuplements naturels? 2) La diversité génétique est-elle plus grande pour une stratégie d'amélioration en populations multiples par rapport à une stratégie d'amélioration hiérarchique, et semblable aux peuplements naturels?

La plus grande partie de la diversité allélique dans les peuplements naturels du pin taeda était présente dans les populations domestiquées. La variabilité génétique était concentrée de la même manière dans les sélections de troisième et première génération, indépendamment des progrès par génération. La subdivision de la population d'amélioration, de préférence associée à une stratégie d'amélioration en populations multiples a assuré l'équilibre entre le gain génétique et la flexibilité génétique à long terme. On examine brièvement les applications aux autres essences forestières.

INTRODUCTION

Parvenir à un équilibre entre gain génétique et diversité génétique est un objectif très valide des programmes d'amélioration des arbres de longue durée. Quelques programmes d'amélioration des arbres forestiers ont atteint le stade de la domestication où la perte de diversité génétique due à l'amélioration pose problème; mais la plupart ont entrepris moins de quatre cycles d'amélioration. La prévalence de populations d'amélioration à effectif plus réduit pourrait accélérer la perte de diversité génétique dans les populations domestiquées. Il est à prévoir que les populations à effectif plus réduit seront sujettes à la perte d'allèles en raison de la sélection, de la consanguinité accrue et de la dérive génétique.

Le pin taeda (Pinus taeda L.) est une essence pionnière monoïque, pollinisée par le vent, qui se régénère naturellement comme peuplements équiennes le long de la côte atlantique et dans les régions de piémont dans le sud des Etats-Unis. Elle appartient à la sous-section Australes, qui comprend le pin des Caraïbes (Pinus caribaea). Sa longévité et la dispersion lointaine des graines et du pollen prédisposent le pin taeda à des niveaux considérables de diversité génétique à l'intérieur des populations (Hamrick et al. 1992).

On subdivise les populations d'amélioration de génération avancée pour contrôler le taux de consanguinité, pouvoir sélectionner différents ensembles de caractères et donner la vedette à l'amélioration des meilleures sélections (par exemple, Williams et Hamrick 1995). Ces populations d'élite à effectif plus réduit isolées moyennant un contrôle du pédigree marquent manifestement un tournant par rapport aux populations naturelles à effectif important et à fécondation croisée avec dispersion lointaine du pollen et des graines. Les critères de diversité génétique devraient refléter ce changement dans l'effectif de population et le flux de gènes.

Les améliorateurs optant pour la subdivision doivent choisir entre deux solutions générales à la perte aléatoire d'allèles. La première solution est une approche hiérarchique où du matériel génétique non apparenté est périodiquement introduit dans une population d'élite. Elle est hiérarchique du fait que la population d'amélioration est subdivisée verticalement selon la valeur génétique du matériel. Des programmes hiérarchiques ont été définis collectivement comme stratégie de conservation génétique HOPE (Eriksson et al. 1994).

La deuxième solution consiste à subdiviser sur la base d'ascendants communs plutôt que sur celle de la valeur génétique. Une population d'amélioration peut être divisée en sous-populations qui représentent différentes sources ou plans de sélection. Une perte aléatoire d'allèles se produit dans chaque sous-population mais, en moyenne, les fréquences géniques restent assez constantes d'une génération à l'autre. Cela constitue la base des stratégies d'amélioration en populations multiples (MPBS) et de la division en sous-lignées en amélioration des arbres forestiers (Burdon et Namkoong 1983; Namkoong 1984; Eriksson et al. 1994; Cotterill 1984; Lowe et van Buijtenen 1986).

Prévisions relatives aux niveaux de diversité génétique dans la stratégie d'amélioration HOPE

HOPE se réfère au Système d'amélioration hiérarchique ouvert (Hierarchical Open-Ended Breeding System) conçu à l'Université de Guelph pour le maïs (Kannenberg 1984). Les programmes HOPE sont caractérisés par un compromis entre gain à court terme et maintien de la diversité génétique à long terme. Chaque programme est composé d'une hiérarchie de populations d'amélioration avec des niveaux de performance successivement plus élevés, culminant dans une population d'élite dans laquelle sont effectuées des sélections à utiliser en production commerciale.

Le niveau le plus bas de la hiérarchie HOPE est constitué par les “archives de conservation génétique”. Il s'agit d'une sous-population à faible coût pour la conservation des allèles qui sont présents dans les premières générations de l'amélioration des arbres. Le niveau suivant dans la hiérarchie est la souspopulation principale où des complexes de nouveaux gènes sont introduits dans les lignées élite. Le niveau le plus haut de la hiérarchie est une sous-population d'élite qui serait rapidement mise en cycles pour maximiser le gain génétique par unité de temps. Dans notre population HOPE, il n'y a que deux échelons: la population principale et les sous-populations d'élite. La solution HOPE à deux échelons devrait afficher des niveaux de diversité génétique inférieurs à ceux de la stratégie de populations multiples.

Prévisions relatives aux niveaux de diversité génétique à l'aide d'une stratégie d'amélioration en populations multiples (MPBS)

La stratégie d'amélioration en populations multiples (MPBS) associe les objectifs de gain à court terme, amélioration du matériel génétique et conservation génétique dans la même population d'amélioration (Namkoong, 1984; Barnes 1984; Eriksson et al. 1994). Les systèmes d'amélioration en populations multiples sont applicables aux essences pour lesquelles on dispose encore de nombreux allèles. Avec la MPBS, les petites sous-populations peuvent être établies à partir de différentes sources de semences et à l'intérieur de chaque population, des plans de sélection séparés sont utilisés. En pratique, un plan MPBS tend à avoir un continuum de sous-populations. Certaines sont sélectionnées pour divers objectifs de production tandis que d'autres sont des sous-populations ayant la même origine régionale ou le même objectif de production (Burdon et Namkoong 1983). La diversité des origines et des objectifs de sélection distingue l'amélioration de populations multiples des autres stratégies d'amélioration telles que les stratégies d'amélioration en noyau ou par sous-lignée. Cela contraste avec le modèle HOPE où les objectifs de gain à court terme d'amélioration du matériel génétique et de conservation génétique sont atteints avec des sous-populations séparées.

Origines des populations pour les programmes HOPE et MPBS

Tous les génotypes utilisés dans cette étude ont été échantillonnés sur la côte atlantique des Etats-Unis d'ouest en est de 32°N, 80°30'O à 38°N, 77°30'O. Pour les peuplements naturels, 48 arbres ont été sélectionnés au hasard, échantillonnés dans des peuplements naturels à Andrews, Caroline du Sud; Washington, Caroline du Nord et Windsor, Virginie. Les sélections de génération avancée ont été réparties dans deux différents programmes d'amélioration et de conservation avant les analyses par électrophorèse pour 19 loci d'isoenzymes. Des sélections de première, deuxième et troisième génération ont été incluses comme partie intégrante de deux stratégies d'amélioration et de conservation s'excluant l'une l'autre. La stratégie d'amélioration en populations multiples consistait en six sous-populations non apparentées (MPBS). La deuxième, une stratégie hiérarchique (HOPE), comprenait deux sous-populations, une population d'élite et une sous-population principale formée d'individus non apparentés sélectionnés sur la valeur de leur descendance. Il y avait recouvrement entre les options car certaines sélections dans la sous-population principale HOPE étaient aussi représentées dans plusieurs sous-populations de la MPBS.

RESULTATS ET DISCUSSION

La plus grande partie de la diversité génétique (mesurée par les isoenzymes) trouvée dans les peuplements naturels était encore présente dans les populations qui avaient fait l'objet d'une sélection, notamment dans les populations d'amélioration des stratégies MPBS et HOPE. Les sous-populations de troisième et première génération affichaient des niveaux de diversité génétique semblables pour les caractères moléculaires inclus dans l'étude et seulement une légère diminution de la diversité génétique pour ceux relatifs aux peuplements naturels. La plus grande partie de la diversité génétique existait encore à l'intérieur de chaque souspopulation et non entre les sous-populations, indépendamment des cycles de sélection et d'amélioration.

La perte d'allèles dans les caractéristiques moléculaires examinées était limitée aux allèles de faible fréquence (q < 15 %). Il y avait également quelques allèles de faible fréquence (q < 15%) dans les populations sélectionnées qui n'étaient pas présents dans les peuplements naturels. Cela n'était pas surprenant du fait que les peuplements naturels étaient des échantillons locaux et non les parents des individus sélectionnés. Si plus de peuplements naturels avaient été échantillonnés dans la région, plus d'allèles à faible fréquence auraient été échantillonnés. Le niveau de diversité génétique à l'intérieur des trois peuplements naturels aurait pu être sous-représenté par rapport à la population sélectionnée. Cela pourrait bien être le cas pour les sélections originelles de première génération qui ont été échantillonnées dans des peuplements individuels, par exemple 34 sélections de première génération représentent 34 peuplements différents.

Diversité génétique dans les populations des stratégies MPBS et HOPE comparée à celle des peuplements naturels

Quand elles ont été mesurées par des marqueurs moléculaires, les populations d'amélioration globales comme celles des stratégies MPBS ou HOPE ont conservé plus de diversité génétique que la population d'élite (ELITE) seule. Avec la MPBS, la diversité génétique était élevée même s'il s'agissait d'une population d'amélioration à effectif plus réduit (allant de 15 à 100 % des sous-populations échantillonnées).

Dans la stratégie MPBS, les populations prises dans leur ensemble affichaient une diversité génétique au niveau des isoenzymes comparable à celle des peuplements naturels (Tableau 1) même si son effectif était inférieur (Ne_v = 5 à 22) à celui des peuplements naturels (Tableau 1). L'hétérozygotie moyenne prévue était plus basse pour la MPBS (Ne=0,180) que pour les peuplements naturels (He=0,213) mais les valeurs ne différaient pas sensiblement. Le nombre moyen d'allèles par locus (A) était le même; pour les loci polymorphes (Apoly), la MPBS avait un nombre comparable d'allèles par locus par rapport à la population naturelle. La population MPBS globale a saisi presque autant d'allèles au total (50) que l'échantillonnage dans trois peuplements naturels (52) (Tableau 1); le nombre de loci polymorphes est passé de 93 à 90 % par rapport aux peuplements naturels. L'option MPBS a affiché le niveau le plus élevé de diversité génétique pour un effectif de population donné.

L'option HOPE comprenait moins de sélections (N = 90) que l'option MPBS mais avait un effectif de population plus important (Ne_v = 40–41) (Tableau 1). Il y avait moins de loci polymorphes (85 %) et le nombre moyen d'allèles par locus était inférieur tant à celui de la MPBS qu'à celui des peuplements naturels (Tableau 1). La plus grande partie de la diversité génétique dans les peuplements naturels se trouvait encore dans HOPE. Toutefois, le nombre total d'allèles (47) était inférieur dans la stratégie HOPE.

Par ailleurs, on peut se demander s'il est nécessaire d'ajouter des sous-populations supplémentaires. Avec la MBPS, le danger réel pour un programme fondé sur une seule espèce résidait dans le fait d'ajouter un trop grand nombre de sous-populations. Il y avait une diversité génétique suffisante avec six sous-populations (ou moins). Des sous-populations supplémentaires prises dans la périphérie de l'aire de l'espèce n'augmenteront pas obligatoirement la diversité génétique de cette population de la MPBS à ce moment précis. L'incertitude de la production, l'adaptabilité à long terme et la demande de reboisement sont les critères qui justifiaient l'adjonction de sous-populations étant donné que les niveaux de diversité génétique étaient suffisamment élevés.

La thèse selon laquelle ces sous-populations de MPBS ont une diversité génétique “suffisante” doit être interprétée à la lumière de deux hypothèses. Premièrement, nous avons supposé que des allèles marqueurs rares (fréquence génique ou q < 10 %) ne sont pas importants pour le gain génétique ou l'adaptabilité à long terme. Le coeur du problème de la conservation des forêts réside dans l'importance de ces allèles marqueurs rares et il y a discordance d'opinions sur ce point. Certains estiment que les allèles rares ne contribuent guère à la valeur adaptative globale, qu'ils se produisent en grande partie comme des mutations défavorables et peuvent être les résidus d'une évolution (Lindgren et Gregorius 1976; Brown 1989). D'autres par contre jugent que la perte d'allèles rares peut compromettre la flexibilité à long terme nécessaire pour résister aux parasites et répondre aux changements climatiques et aux objectifs de domestication dans l'avenir. De même, ces pertes pourraient indiquer une perte d'allèles dans les loci intervenant dans l'adaptabilité à court terme, ou pour des caractères importants au plan économique non pris en considération dans un programme donné.

Tableau 1. Estimations de la diversité génétique pour l'option MPBS et pour l'option HOPE pour Pinus taeda L. La MPBS se réfère à une stratégie d'amélioration en populations multiples, HOPE à une stratégie d'amélioration pyramidale et Elite est une population d'amélioration de d'élite de troisième génération gérée visant à obtenir un gain génétique à court terme. Hétérozygotie moyenne prévue (H), pourcentage de loci polymorphes (% P), nombre d'allèles par locus (A) et nombre d'allèles par loci polymorphes (Apoly). “Gen” indique le niveau de génération de la sous-population; les programmes d'amélioration du pin taeda n'ont jamais utilisé de générations se chevauchant (données tirées de Williams et al. 1995).

Deuxièmement, les estimations de la diversité génétique ne s'appliquent qu'à la population d'amélioration. La diversité génétique dans les populations d'amélioration se traduit en une diversité génétique suffisante dans les activités de reboisement (par exemple les vergers à graines ou les plantations forestières) seulement si les sélections de chaque sous-population sont représentées en parties égales dans les vergers à graines et les plantations. Cela représente un premier pas vers la mesure de la diversité génétique dans les populations d'arbres forestiers domestiquées. L'étape suivante consiste à déterminer si les marqueurs sélectionnés au hasard représentent la diversité génétique du génome de P. taeda d'une manière qui influe sur le succès ou l'échec de l'amélioration des arbres.

Diversité génétique pour les sélections de populations d'élite de troisième génération

Des sélections d'élite de troisième génération présentaient les mêmes niveaux de diversité génétique que d'autres populations sélectionnées, indépendamment des différences entre générations. Les sélections d'élites de troisième génération ont affiché une diminution de la diversité génétique par rapport aux peuplements naturels dans les marqueurs enzymatiques considérés, mais cela n'était pas statistiquement détectable (Tableau 1). La sous-population d'élite a moins de diversité génétique aussi bien que les populations MPBS ou que les populations HOPE prises dans leur ensemble (Tableau 1) et a enregistré une perte plus importante d'allèles. La sous-population d'élite seule comptait au total 41 allèles contre 50 pour MPBS, 47 pour HOPE et 52 pour la population naturelle. La répartition d'allèles rares s'est décalée vers le haut dans la population de troisième génération sélectionnée; la perte d'allèles semblait plus élevée dans la fourchette 0,01 (Figure 1).

Dans cette étude, la méthode d'échantillonnage génétique était plus importante que le nombre de générations de domestication. Aucune tendance n'était liée aux générations. Par exemple, les souspopulations NCS et SCS étaient composées toutes deux de sélections de première génération mais SCS n'avait que 68 % de loci polymorphes contre 84 % loci polymorphes pour NCS (Tableau 1). Les valeurs pour SCS et NCS se chevauchaient pour la population de troisième génération (Tableau 1).

Figure 1. Répartition d'allèles rares pour des sélections de populations naturelles de pin taeda et des sélections d'élite de troisième génération (données tirées de Williams et al. 1995)

Application à d'autres essences forestières

Les conifères à aire de répartition étendue présentent généralement peu de différences entre populations en ce qui concerne les marqueurs moléculaires (Hamrick et al. 1992; Millar and Libby 1992). La plupart des allèles sont communs à toutes les populations et peu sont localisés ou rares. Il faudra relativement peu de sélections pour représenter de manière adéquate la variation allélique dans les marqueurs moléculaires au niveau des espèces. Ces résultats pourront être en gros appliqués à d'autres essences forestières comme les eucalyptus, certains conifères et peupliers qui ont la même structure de variation allélique (par exemple, Prober et Brown 1994) et si la série initiale de sélections représentent un échantillon à base large.

REFERENCES

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Ressources Génétiques Forestières N^o 23. FAO, Rome (1996)
Manuscrit reçu en avril 1995