Projet ANR-13-JSV6-0001 – SYBIOPOP : Une approche de biologie intégrative pour améliorer le peuplier en vue de sa valorisation en bio-raffinerie grâce à une meilleure compréhension de l'architecture génétique de la production et de la qualité de la biomasse lignocellulosique
Programme : JCJC - SVSE 6 - Génomique, génétique, bioinformatique et biologie systémique (JCJC SVSE 6)
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Monsieur Vincent SEGURA (Institut National de la Recherche Agronomique)
Partenaires : Institut national de la recherche agronomique
Montant : 307785.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 48 mois
Résumé : Comment améliorer le peuplier pour valoriser sa biomasse en bio-raffinerie ?Le peuplier est une ressource d'intérêt pour la valorisation de la biomasse lignocellulosique en bio-raffinerie. Toutefois les variétés actuellement disponibles n'ont pas été améliorées dans cet objectif. Il est donc crucial d'étudier la variabilité et les déterminismes génétiques des caractères affectant le rendement et la qualité de la biomasse.
Vers une meilleure compréhension de la production de biomasse chez le peuplier.Le projet Sybiopop ambitionne de mieux comprendre les facteurs moléculaires qui impactent la variabilité génétique de la production de biomasse chez le peuplier à la fois d'un point de vue qualitatif et quantitatif. Les études précédentes chez différentes espèces de peuplier ont rapporté un faible nombre d'associations à effet relativement faible comparativement à l'héritabilité moyenne à élevée des caractères liés à la production de biomasse soulignant leur complexité. Le projet Sybiopop propose d'adresser au moins en partie ces limites en se focalisant notamment sur les interactions épistatiques, les interactions entre gènes et environnement, et les variants alléliques rares ; et en utilisant l'expression des gènes comme des phénotypes intermédiaires entre les phénotypes mesurés à l'echelle de l'organisme et les polymorphismes nucléotidiques.
Une approche intégrée couplant informations génomique, transcriptomique et phénotypique.Une approche de biologie intégrative est mise en œuvre afin de combiner des informations génomique, transcriptomique et phénotypique dans une large collection d'individus issus de populations naturelles de peuplier noir couvrant l'aire de répartition de l'espèce en Europe de l'Ouest. Plus spécifiquement, les données génomiques et transcriptomiques sont conjointement produites par séquençage d'ARN de jeune xylème et cambium. En ce qui concerne les données phénotypiques, elles s'appuient d'une part sur des mesures de croissance pour la quantité de biomasse produite et d'autre part sur de la spectrométrie dans le proche infrarouge pour les caractères de qualité.
Résumé de la soumission : La biomasse lignocellulosique issue des taillis de courte rotation de peuplier est une ressource renouvelable d’intérêt pour la production de biocarburants de deuxième génération. Cependant, les variétés de peuplier actuellement disponibles ne sont pas issues d’une sélection selon ce critère et, afin d’optimiser l’ensemble du processus de conversion de la biomasse en sucres simples et fermentescibles (saccharification), les facteurs affectant la production de biomasse et ses propriétés chimiques nécessitent une étude approfondie. Au cours des dernières décennies, des efforts concernant les espèces ripariennes de peuplier ont été consacrés à l’évaluation de la variabilité génétique des caractères cibles pour une utilisation sous forme de bioénergie. En autre, plusieurs régions génomiques sous-jacentes à cette variabilité génétique (Quantitative Trait Loci – QTL) ont été cartographiées avec succès. Cependant, les intervalles de confiance associés à ces QTLs étaient trop larges, étant donné que la base de ces études était des croisements biparentaux, ce qui limite sérieusement leur utilisation pour la sélection assistée par marqueurs. Pour surmonter ces limitations, la génétique d’association –la détection des QTLs dans des populations complexes- représente une alternative évidente pour les espèces forestières, car elles présentent généralement une réduction rapide du déséquilibre de liaison (LD) avec la distance génomique. Récemment, les deux premières études de génétique d’association chez les espèces ripariennes de peuplier ont été effectuées pour des caractères de qualité de biomasse. Cependant, ces deux études ont permis de détecter un nombre relativement réduit d’associations significatives, dont la majorité explique une proportion réduite de la variation phénotypique. Plusieurs hypothèses peuvent expliquer ces résultats décevants, comme le manque d’exhaustivité dans l’échantillonnage de la diversité génétique et des polymorphismes existants, et l’existence de déterminismes sous-jacents complexes. Ce dernier point pourrait comporter des interactions gène – environnement et gène – gène, mais aussi des variants rares, circonstances qui n'ont pas été explicitement considérées dans ces deux premières études. On s'attaquant à ces obstacles, le projet proposé vise à mieux comprendre l’architecture génétique de la production de biomasse et de sa qualité comme caractères cibles pour une valorisation bioénergétique. Plus particulièrement, une approche de biologie intégrative incluant polymorphismes, donnés expressionnelles et phénotypes est proposée pour l’étude de populations naturelles de peuplier noir (Populus nigra) couvrant l’aire de distribution de l’espèce en Europe occidentale. En plus des connaissances fondamentales apportées sur les facteurs qui contrôlent la construction de la paroi cellulaire et ceux liés à la production de biomasse, le projet proposé ici aura comme objectif l’évaluation de la faisabilité de la prédiction du phénotype en partant de multiples sources d’information et qui pourraient intéresser les programmes d’amélioration génétique de l’espèce.
Résultats : Les premiers séquençages d'ARN effectués dans le cadre d'une expérimentation pilote sur un sous-échantillon de 24 arbres correspondant à 12 génotypes originaires de 6 populations ont permis d'identifier des groupes de gènes dont l'expression est corrélée à la production et/ou à la qualité de la biomasse chez le peuplier noir. Ces groupes de gènes sont enrichis en gènes candidats pour les voies de biosynthèse sous-jacentes mais inclus aussi de nouveaux candidats dont la fonction biologique reste à élucider. Afin de valider cette approche, des analyses d'expression ont été effectuées sur un échantillon indépendant pour quelques gènes candidats. Les résultats confirment les corrélations entre expression des gènes et phénotypes précédemment identifiées par séquençage, démontrant le potentiel de l'approche mise en œuvre dans le projet Sybiopop.
Perspectives : Les premiers résultats du projet sur une expérimentation pilote sont très prometteurs malgré un effectif limité (24 arbres correspondant à 12 génotypes originaires de 6 populations naturelles). Cette expérimentation a d'ores et déjà été étendue à nombre plus important d'arbres (480 arbres correspondant à 240 génotypes originaires de 10 populations naturelles) et devrait ainsi produire un jeu de données de qualité en vue d'identifier les mécanismes moléculaires qui contrôle la variabilité génétique pour la production de biomasse et ainsi fournir des outil pour l'amélioration du peuplier en vue d'une valorisation de sa biomasse en bio-raffinerie.
Publications et brevets : - Plomion C et al. 2015 Forest tree genomics: 10 achievements from the past 10 years and future prospects. Annals of Forest Science. Il s'agit d'un article d'opinion dans une revue à comité de lecture dont l'argumentaire de la partie sur la génétique d'association a été en partie argumenté selon la démarche du projet Sybiopop.
- Segura V et al. 2015 A systems biology approach for identifying candidate genes involved in the natural variability of biomass yield and chemical properties in black poplar. Il s'agit d'une communication au premier INUPRAG meeting ayant eu lieu à Nancy en Octobre 2015.