Cours : Amélioration des Espèces Pérennes

Plan du cours :

Méthodes appliquées aux espèces pérennes

Études de cas détaillées

Les plantes pérennes sont des végétaux qui vivent plusieurs années (parfois plusieurs décennies ou siècles) et qui produisent des récoltes répétées au cours de leur vie. Cette catégorie comprend des espèces économiquement très importantes : arbres fruitiers (pommier, olivier, agrumes), cultures de plantation tropicales (caféier, cacaoyer, palmier à huile, hévéa), plantes fourragères (luzerne, trèfle), vignes, et arbres forestiers.

Particularités des espèces pérennes :

La longévité du cycle biologique représente le défi majeur : contrairement au blé ou au maïs qui sont évalués en quelques mois, un pommier ou un caféier nécessite 3 à 10 ans avant de produire sa première récolte significative. Cette longue phase juvénile ralentit considérablement les programmes de sélection (Flachowsky et al., 2009).

La grande taille et l'encombrement spatial posent des contraintes logistiques importantes. Un chêne adulte occupe 100 m², un palmier à huile 60 m², ce qui limite drastiquement le nombre d'individus évaluables (Grattapaglia & Resende, 2011). Comparé aux 10 000 plantes de blé qu'on peut cultiver sur 1000 m², on ne peut installer que 10 à 20 arbres fruitiers sur la même surface.

La reproduction souvent végétative complique l'application des méthodes classiques de sélection basées sur les croisements. Beaucoup d'espèces fruitières sont multipliées par greffage, bouturage ou marcottage depuis des siècles (Janick, 2005).

La forte hétérozygotie est fréquente chez les espèces pérennes allogames (auto-incompatibilité chez le pommier, dioécie chez le palmier dattier, allogamie chez la plupart des arbres forestiers). Cette hétérozygotie rend difficile la création de lignées pures (Hardner et al., 2012).

Enfin, l'interaction génotype × environnement est particulièrement marquée car les plantes subissent des conditions environnementales variables pendant de nombreuses années (McKeand et al., 2003).

 

3.1. Méthodes Appliquées

3.1.1. Sélection massale et amélioration clonale

A. Sélection massale traditionnelle

C'est historiquement la première méthode utilisée pour améliorer les espèces pérennes. Le principe est d'identifier dans une population naturelle ou cultivée les meilleurs individus selon des critères phénotypiques (rendement, qualité, vigueur, résistance) et de les multiplier (Namkoong et al., 1988).

Cette méthode a été appliquée pendant des millénaires sur les arbres fruitiers et la vigne. Les variétés anciennes comme 'Golden Delicious' (découverte en 1890 en Virginie), 'Carignan' (vigne médiévale) ou 'Cabernet Sauvignon' sont issues de sélections massales successives.

Les avantages sont la simplicité d'application et la préservation de la diversité génétique au sein de variétés populations. Les inconvénients majeurs sont la lenteur du progrès génétique (gain faible par génération), l'impossibilité de fixer des combinaisons de gènes favorables, et la confusion fréquente entre effets génétiques et effets environnementaux car on sélectionne souvent sur un seul individu sans répétitions.

B. Sélection clonale moderne

Cette approche systématise la sélection massale en utilisant des tests clonaux rigoureux (Libby, 1973). Le processus typique comporte plusieurs phases :

Phase 1 - Sélection phénotypique : Dans une population de base (forêt naturelle, plantation, descendance de croisement), on identifie et marque 500 à 2000 arbres candidats présentant des caractères supérieurs. Ces arbres sont appelés "arbres plus" en foresterie.

Phase 2 - Tests clonaux préliminaires : On multiplie végétativement chaque candidat (boutures, greffes, marcottage) pour obtenir 20 à 50 clones (ramets) par génotype. Ces clones sont plantés en plusieurs sites selon un dispositif expérimental avec répétitions et témoins. On évalue pendant 3 à 10 ans selon l'espèce.

Phase 3 - Sélection finale : On analyse statistiquement les données en estimant la valeur génétique vraie de chaque clone. Seuls les 5 à 20% meilleurs clones sont retenus. On élimine les candidats qui étaient bons uniquement grâce à leur environnement favorable d'origine.

Phase 4 - Multiplication et diffusion : Les meilleurs clones constituent une variété clonale (cultivar) ou un mélange clonal. Ils sont multipliés massivement pour la commercialisation.

Cette méthode est très efficace car elle permet de capturer l'ensemble de la valeur génétique additive et non-additive (hétérosis, épistasie) du génotype sélectionné (Namkoong et al., 1988). Le progrès génétique peut atteindre 15-30% par rapport à la population de base en une seule génération de sélection.

Les applications pratiques sont nombreuses : peupliers pour la papeterie (gains de croissance de 30-50%), eucalyptus pour la pâte à papier, café robusta, canne à sucre, pomme de terre, bananier. En France, plus de 90% des plantations de peupliers utilisent des variétés clonales sélectionnées (Bastien et al., 2000).

Les limites principales sont la vulnérabilité des monocultures clonales face aux maladies et ravageurs (tous les individus ont le même génotype), et l'impossibilité de créer de nouvelles combinaisons génétiques puisqu'on ne fait que multiplier des génotypes existants.

3.1.2. Sélection par hybridation et création de nouvelles variétés

A. Programmes de croisements contrôlés

Pour créer de nouvelles combinaisons génétiques, on réalise des croisements dirigés entre parents complémentaires, exactement comme pour les espèces annuelles, mais avec des contraintes temporelles bien plus lourdes (Bouvet et al., 2009).

Étapes du processus :

Choix des parents (année 0) : On sélectionne 10 à 50 géniteurs sur la base de leurs performances ou de leurs caractéristiques complémentaires. Par exemple, un pommier à gros fruits mais sensible à la tavelure croisé avec un pommier résistant à la tavelure mais à petits fruits.

Réalisation des croisements (année 1) : On effectue 50 à 500 croisements selon un plan diallèle complet ou partiel. Chez les arbres fruitiers, cela nécessite l'émasculation (ablation des étamines) puis la pollinisation contrôlée et l'ensachage des fleurs fécondées. C'est un travail minutieux et coûteux (Laurens, 1999).

Semis et élevage des plantules (années 2-3) : On sème les graines issues des croisements et on élève les jeunes plants en pépinière. Une famille de croisement compte typiquement 50 à 500 descendants. Pour un programme avec 100 croisements, cela représente 5000 à 50000 individus.

Phase juvénile et première sélection (années 3-8) : C'est la période critique. Les jeunes plants n'ont pas encore fleuri ni fructifié. On ne peut sélectionner que sur des caractères juvéniles : vigueur, port, résistance aux maladies du feuillage. On élimine 70-90% des plants selon ces critères. Les techniques d'induction précoce de la floraison peuvent réduire cette phase (Flachowsky et al., 2009).

Évaluation en phase productive (années 8-15) : Les individus conservés entrent enfin en production. On les évalue sur les caractères cibles : rendement, qualité des fruits, régularité de production, résistance aux stress. On continue à éliminer progressivement jusqu'à conserver 0,1 à 1% des descendants initiaux.

Tests multilocaux (années 15-20) : Les meilleurs candidats (10 à 50 génotypes) sont multipliés végétativement et testés dans différentes régions pendant 5 à 10 ans supplémentaires. On évalue leur stabilité et leur adaptation.

Inscription et commercialisation (années 20-25) : Finalement, 1 à 5 nouvelles variétés sont proposées pour inscription au catalogue officiel et commercialisation.

Bilan temporel : Créer une nouvelle variété de pommier, de caféier ou d'hévéa prend 20 à 30 ans, contre 8-12 ans pour le blé ou le maïs (Laurens, 1999; Bouharmont, 1994). C'est un investissement considérable qui explique pourquoi les programmes sont généralement conduits par des instituts publics ou de grandes entreprises.

B. Stratégies pour accélérer la sélection

Les sélectionneurs ont développé plusieurs approches pour réduire ces délais :

Réduction de la phase juvénile : Utilisation d'hormones (gibbérellines), greffage sur porte-greffes nanifiants, culture in vitro, conditions de jour long et de température contrôlée (Hanke et al., 2007). Ces techniques peuvent réduire la phase juvénile de 8 ans à 2-3 ans chez le pommier.

Sélection assistée par marqueurs (SAM) : Les marqueurs moléculaires permettent de sélectionner dès le stade plantule sur des caractères qui ne s'expriment qu'à l'âge adulte. Par exemple, on peut identifier en pépinière les plants de pommier portant le gène Vf de résistance à la tavelure (Bus et al., 2011), ou les plants de vigne résistants au mildiou et à l'oïdium (Merdinoglu et al., 2018).

Sélection génomique : On prédit la valeur génétique des jeunes plants à partir de leur profil génétique complet (dizaines de milliers de marqueurs SNP) en utilisant des modèles statistiques entraînés sur des données historiques (Grattapaglia & Resende, 2011; Iwata et al., 2011). Cette approche est maintenant opérationnelle chez les arbres forestiers et commence à être utilisée en arboriculture fruitière.

3.1.3. Sélection récurrente et amélioration des populations

 

Principe général

La sélection récurrente adapte les concepts développés pour le maïs aux espèces pérennes allogames (Namkoong, 1979; Zobel & Talbert, 1984). L'objectif est d'améliorer progressivement une population tout en maintenant sa diversité génétique.

Schéma cyclique :

Cycle 1 - Population de base (C0) : On part d'une population naturelle ou d'une collection diverse comprenant quelques centaines à quelques milliers d'individus.

Évaluation : On plante les descendances de ces individus en tests de descendances. Pour chaque géniteur, on cultive 30 à 100 descendants issus de pollinisation libre ou de pollinisation contrôlée. On évalue pendant 5-10 ans.

Sélection : On calcule la valeur génétique additive de chaque géniteur basée sur les performances de ses descendants. On sélectionne les 10-30% meilleurs parents.

Inter-croisement : On croise les parents sélectionnés entre eux de manière contrôlée ou en verger à graines isolé pour créer la génération C1.

Cycle 2 : On répète le processus avec la population C1, et ainsi de suite.

Chaque cycle dure 8 à 15 ans selon l'espèce et apporte un gain génétique de 5 à 15% (Zobel & Talbert, 1984 ; Bouvet et al., 2009). Après 3-4 cycles (30-60 ans), le gain cumulé peut atteindre 50-80%.

Applications :

Cette stratégie est largement utilisée en amélioration forestière pour les pins, les épicéas, les eucalyptus et les peupliers (White et al., 2007). Elle est aussi employée pour certaines cultures pérennes tropicales comme le palmier à huile et le cacaoyer.

En France, l'INRAE conduit des programmes de sélection récurrente sur plusieurs essences forestières depuis les années 1970. Les pins maritimes améliorés plantés aujourd'hui sont issus de 2-3 cycles de sélection et produisent 20-30% de bois de plus que les populations non améliorées (Kremer et al., 2012).

Variantes modernes :

La sélection génomique permet maintenant de réduire drastiquement la durée des cycles en sélectionnant sur les génotypes plutôt que sur les phénotypes (Grattapaglia & Resende, 2011). On peut ainsi envisager des cycles de 3-5 ans au lieu de 10-15 ans.

3.1.4. Méthodes spécifiques selon le mode de reproduction

A. Espèces à reproduction exclusivement végétative

Certaines espèces cultivées ne se reproduisent plus sexuellement ou très rarement : bananiers (triploïdes stériles), certains agrumes (polyembryonie nucellaire), pomme de terre, canne à sucre, igname (Janick, 2005).

Pour ces espèces, la stratégie principale est la sélection clonale que nous avons vue précédemment. La création de diversité nouvelle nécessite :

Des croisements rares mais possibles : par exemple, chez le bananier, on peut exceptionnellement obtenir des graines viables après pollinisation de certains génotypes femelles fertiles (Ortiz & Vuylsteke, 1995).

Les mutations somatiques : les variations spontanées apparaissant sur un rameau (sport) peuvent être propagées. C'est ainsi qu'on a obtenu de nombreuses variétés de pommes (mutations de couleur), d'agrumes (mutations sans pépins comme la clémentine), et de chrysanthèmes (Janick, 2005).

Les hybridations somatiques : fusion de protoplastes en laboratoire pour créer des hybrides sans passer par la reproduction sexuée. Cette technique reste expérimentale (Grosser & Gmitter, 2011).

Les mutations induites : irradiation gamma ou mutagènes chimiques pour créer de la variabilité. Cette approche a donné quelques variétés commerciales de bananiers et d'agrumes (Jankowicz-Cieslak & Till, 2015).

B. Espèces autogames pérennes

Certaines espèces pérennes sont autogames comme le caféier arabica (Coffea arabica), l'avocatier dans certaines conditions, ou certaines légumineuses fourragères (Carvalho, 1988).

Pour ces espèces, on peut appliquer une sélection généalogique similaire à celle du blé, mais avec des cycles beaucoup plus longs. Un programme typique sur le caféier arabica :

Croisements entre variétés (année 0)

F1 et F2 (années 1-4)

Sélection en F3-F4 (années 5-10)

Essais comparatifs F5-F6 (années 11-20)

Tests multilocaux (années 21-30)

Nouvelle variété après 30 ans

La sélection clonale peut être couplée à l'hybridation : on croise, on sélectionne les meilleurs individus F1 ou F2 hétérozygotes, et on les multiplie végétativement par bouturage ou somatique embryogenèse pour éviter la ségrégation (Bertrand et al., 2011).

C. Espèces allogames pérennes

C'est le cas le plus fréquent : pommier, poirier, cerisier (auto-incompatibilité), vigne, palmier dattier (dioécie), la plupart des arbres forestiers (Hardner et al., 2012).

Les stratégies varient selon les objectifs :

Pour exploitation en variétés clonales : On croise, on sélectionne les meilleurs hybrides F1 hétérozygotes, et on les multiplie végétativement. C'est la stratégie standard pour les fruits à pépins, à noyau, la vigne (Laurens, 1999).

Pour amélioration de populations forestières : On utilise la sélection récurrente comme décrit précédemment, avec diffusion sous forme de vergers à graines améliorés (White et al., 2007).

Pour hybrides F1 commerciaux : Dans quelques cas, on peut créer et commercialiser des hybrides F1 issus du croisement de deux lignées, comme chez certains eucalyptus (Bouvet et al., 2009). La production de semences nécessite alors de maintenir les lignées parentales et de réaliser les croisements chaque année, ce qui est coûteux.

3.2. Études de Cas

Cas 1 : Amélioration du pommier (Malus domestica)

Contexte et importance

Le pommier est l'arbre fruitier tempéré le plus important économiquement avec une production mondiale de 95 millions de tonnes (FAOSTAT, 2022). C'est une espèce allogame stricte à cause de son système d'auto-incompatibilité gamétophytique : un pommier ne peut pas se féconder lui-même (Broothaerts, 2003).

Caractéristiques biologiques contraignantes

La longue phase juvénile est le principal défi : un semis de pommier met naturellement 5 à 12 ans avant sa première fructification (Flachowsky et al., 2009). La grande taille des arbres (3-5 m sans taille) et leur encombrement (15-25 m² par arbre) limitent la taille des populations évaluables. L'hétérozygotie est extrême : le génome du pommier est hautement hétérozygote avec environ 1 SNP tous les 100 paires de bases (Velasco et al., 2010). Enfin, l'évaluation nécessite plusieurs années car le rendement, la qualité et la régularité de production ne peuvent être jugés qu'après 3-5 ans de fructification.

Historique de l'amélioration

Les variétés anciennes (avant 1900) sont issues de sélections massales empiriques dans des populations de semis ou de découvertes fortuites : 'Reinette du Mans' (1540), 'Court-Pendu Gris' (1613), 'Golden Delicious' (1890), 'Granny Smith' (1868). Ces variétés ont souvent plusieurs siècles d'existence (Janick, 2005).

L'amélioration scientifique moderne a débuté vers 1920-1950 avec des programmes structurés en Europe et aux États-Unis (Laurens, 1999). Les objectifs ont évolué : d'abord la qualité gustative et la conservation, puis la résistance aux maladies (à partir de 1950), et maintenant l'adaptation au changement climatique et la réduction des intrants.

Programme moderne d'amélioration

L'INRAE Angers conduit depuis 1960 un programme majeur d'amélioration du pommier (Laurens, 1999; Laurens et al., 2010). Voici le schéma type :

Phase 1 - Croisements (année 0-1) : Chaque année, 80 à 150 croisements sont réalisés entre février et avril pendant la floraison. Les parents sont choisis pour leur complémentarité. Un parent peut apporter la résistance à la tavelure (gène Vf ou Rvi6), un autre la qualité gustative, un troisième la texture croquante. On produit 10 000 à 20 000 graines hybrides par an.

Phase 2 - Stratification et semis (année 1-2) : Les graines nécessitent une période de froid (stratification, 90-120 jours à 4°C) pour lever la dormance. On sème ensuite en serre ou pépinière. Le taux de germination est de 30-70%. On obtient 5 000 à 15 000 jeunes plants.

Phase 3 - Sélection génotypique précoce (année 2) : Dès le stade plantule (3-6 mois), on prélève une feuille sur chaque plant pour analyse moléculaire. On génotype pour les gènes majeurs d'intérêt : résistance à la tavelure (Rvi6, Rvi4, Rvi2), résistance à l'oïdium (Pl-1, Pl-2), résistance au feu bactérien (FB_MR5), chair ferme (Md-ACS1), faible brunissement (Md-PPO) (Bus et al., 2011; Chagné et al., 2012). On élimine immédiatement 50-70% des plants ne possédant pas les gènes requis. Cette étape fait économiser 5-8 ans et des hectares de plantation.

Phase 4 - Plantation au champ (année 2-3) : Les 3 000 à 7 000 plants sélectionnés génétiquement sont plantés en verger d'évaluation haute densité (1-2 m entre arbres, 3 m entre rangs). Pour accélérer la mise à fruit, on utilise des porte-greffes très nanifiants (M9, M27) et parfois un greffage d'entre-greffe (interstems) (Webster, 2002).

Phase 5 - Première évaluation phénotypique (année 5-8) : Les premiers fruits apparaissent vers la 3ème à 5ème année. On évalue chaque individu sur 30 à 50 critères : précocité de floraison, sensibilité au gel, vigueur, sensibilité à la tavelure sur feuilles et fruits (observation au champ sans traitement), sensibilité à l'oïdium, au feu bactérien si pression de la maladie, calibre du fruit, coloration, texture, croquant (pénétrométrie), fermeté, jutosité, teneur en sucres (°Brix), acidité (pH, acides malique), profil aromatique, comportement post-récolte (conservation 1-6 mois en chambre froide). On élimine 80-90% des individus. On conserve 300 à 700 candidats prometteurs.

Phase 6 - Évaluation approfondie (année 8-12) : Les meilleurs candidats sont multipliés par greffage (10-20 arbres par génotype) et plantés en parcelles d'évaluation avec répétitions et témoins commerciaux ('Golden', 'Gala', 'Fuji'). On évalue pendant 4-5 années de fructification : rendement (kg/arbre, kg/m² projeté), régularité de production (alternance), qualité des fruits avec analyses détaillées (25 fruits/arbre/répétition), résistance aux bioagresseurs en conditions naturelles, comportement post-récolte (conservation jusqu'à 9 mois), comportement technologique (transformation en jus, compote). On réduit à 20-50 candidats élites.

Phase 7 - Tests multilocaux (année 12-18) : Les élites sont multipliées (50-200 arbres par génotype) et testées dans 5-10 stations en France et à l'étranger, représentant différents climats et conditions de culture. On évalue l'adaptation, la stabilité des performances, le comportement en vergers commerciaux. Les tests durent 5-7 ans. On identifie 3-10 candidats pour inscription.

Phase 8 - Protection et diffusion (année 18-25) : Les nouveaux cultivars sont protégés par un Certificat d'Obtention Végétale (COV) ou par brevet selon les pays. La multiplication des plants et la diffusion commerciale commencent. L'évaluation continue auprès des arboriculteurs et des consommateurs.

Bilan : 20 à 25 ans de la graine à la commercialisation (Laurens, 1999).

Innovations technologiques récentes

Le séquençage du génome du pommier (2010) a révolutionné l'amélioration en permettant le développement de puces SNP haute densité (20K, 480K SNP) pour la sélection génomique (Velasco et al., 2010; Kumar et al., 2012). On peut maintenant prédire dès le stade plantule le potentiel gustatif, la texture, ou la capacité de conservation d'un fruit qui n'apparaîtra que 5 ans plus tard.

La réduction de la phase juvénile est maintenant opérationnelle : greffage sur M27 ultra-nanifiant, surexpression du gène BpMADS4 qui induit la floraison en 1-2 ans (Flachowsky et al., 2009), culture sous photopériode longue et température contrôlée. Ces techniques peuvent réduire la phase juvénile de 8 ans à 18 mois.

L'édition génomique CRISPR-Cas9 permet de modifier précisément des gènes pour créer de nouvelles variétés. Par exemple, inactivation du gène PPO (polyphénol oxydase) pour empêcher le brunissement de la chair, ou modification des gènes de résistance pour élargir le spectre (Jia & Wang, 2020). La réglementation européenne actuelle classe ces variétés comme OGM, contrairement aux États-Unis.

Résultats et variétés issues de programmes

Le programme INRAE a créé plus de 30 variétés commerciales dont plusieurs succès majeurs (Laurens et al., 2010) : 'Ariane' (1995, résistante tavelure, bonne conservation), 'Antarès' (2005, résistante tavelure), 'Candine' (1994, variété club), 'Story' (2010, résistance tavelure + oïdium), 'Natyra' (2015, résistances multiples), 'Juliet' (2020, résistances multiples + qualité gustative exceptionnelle).

Les variétés résistantes à la tavelure représentent maintenant 15% des plantations en France et permettent de réduire de 80-100% les traitements fongicides contre cette maladie (Le Cam et al., 2012).

Cas 2 : Amélioration du palmier à huile (Elaeis guineensis)

Contexte et importance économique

Le palmier à huile est la culture oléagineuse la plus productive au monde : 3-6 tonnes d'huile par hectare, contre 0,5-0,8 t/ha pour le colza ou le soja (Corley & Tinker, 2016). L'huile de palme représente 35% de la production mondiale d'huiles végétales avec 75 millions de tonnes en 2020 (USDA, 2021). C'est une culture économiquement cruciale pour la Malaisie, l'Indonésie, et plusieurs pays africains.

Biologie et contraintes d'amélioration

Le palmier à huile est une monocotylédone dioïque (pieds mâles et pieds femelles séparés) à reproduction sexuée, mais le sexe ne peut être déterminé qu'à la première floraison, vers 3-4 ans après plantation (Corley & Tinker, 2016). C'est une espèce pérenne de très longue durée : durée économique d'une plantation = 25-30 ans, durée de vie totale > 100 ans.

La taille est imposante : un palmier adulte mesure 15-20 m de haut avec une couronne de feuilles de 8-10 m de diamètre. Densité de plantation = 140-180 palmiers/ha, soit 60-70 m² par individu. La phase juvénile dure 3-4 ans avant la première floraison et 5-6 ans avant la pleine production, ce qui ralentit considérablement l'évaluation (Corley & Tinker, 2016).

La production est continue : un palmier produit 1-2 régimes de fruits par mois toute l'année pendant 25-30 ans. L'évaluation du rendement nécessite donc un suivi sur plusieurs années. Le poids d'un régime varie de 10 à 30 kg, nécessitant une logistique lourde pour les mesures.

Origine et sélection historique

Le palmier à huile est originaire d'Afrique de l'Ouest. Les premières plantations industrielles datent de 1910 en Asie du Sud-Est (Indonésie, Malaisie) avec du matériel issu de 4 palmiers introduits d'Afrique en 1848 (goulot d'étranglement génétique important) (Barcelos et al., 2015).

L'amélioration scientifique a démarré vers 1920-1930 en Afrique (Congo belge, Côte d'Ivoire) et en Malaisie avec la création des premiers centres de recherche. Les premiers critères de sélection étaient le rendement en huile et le type de fruit .