Genetic determinants of tomato response to abiotic stresses
Architecture Génétique de la Réponse aux Stress Abiotiques chez la Tomate
Résumé
Plants can express different phenotypic responses when exposed to different environmental conditions. This ability, commonly described as phenotypic plasticity, has a very important impact on crop productivity and performance. Understanding the molecular basis of phenotypic plasticity is therefore a crucial issue for plant breeding in the coming years, particularly challenged by climate change predictions. The main objective of this thesis was to assess the impact of tomato (Solanum lycopersicum) response to water deficit, high temperature and salinity stresses at the phenotypic level,and to characterize the genetic architecture of phenotypic plasticity.To this end, a multi-parental (MAGIC) population, derived from the cross of eight parental lines wasevaluated in a multi-environment trial (MET) design including optimal culture conditions with adequate water irrigation and water deficit (WD), salinity stress (SS) and high temperature stress (HT) in France,Israel and Morocco. A total of 12 environments were tested, each environment being regarded as acombination of Treatment x Location x Year. Several phenotypic traits were measured in relation toplant vigor, fruit quality, phenology and yield component traits.Phenotypic analyses revealed significant genotype-environment (GxE) interactions for the majority oftraits assessed. These GxE interaction were subsequently decomposed through various parameters ofphenotypic plasticity by estimating the genotypic sensitivities of MAGIC lines to environmental variations. A linkage mapping analysis was performed using regression and mixed linear models,accounting for the haplotype probabilities of the inheritance of parental alleles, to identify the loci(QTL) involved in the variation of mean and phenotypic plasticity phenotypes. The study highlighted acomplex genetic architecture of phenotypic plasticity in tomato, which is predominantly (66% of QTLsof plasticity) controlled by loci different from those affecting the phenotypic means.We proposed several plasticity candidate genes that require further investigation for functionalvalidation and a clear understanding of their mode of action. In the agronomic context, the results presented in this study open interesting perspectives for the development of tomato varieties adaptedto abiotic stresses by presenting on the one hand, interesting genetic markers for marker-assisted orgenomic selection programs and, on the other hand, interesting genotypes to evaluate in future breeding programs.
Les plantes peuvent exprimer des réponses phénotypiques très variables en fonction des conditions environnementales auxquelles elles sont soumises. Cette aptitude généralement décrite sous le terme de plasticité phénotypique influence de manière très importante la productivité des espèces cultivées. La compréhension des bases moléculaires de la plasticité phénotypique est de ce fait un enjeu crucial pour l’amélioration variétale, notamment en raison des prédictions sur les changements climatiques. Cette thèse a pour objectif principal d’évaluer la réponse de la tomate (Solanum lycopersicum) aux stress hydrique, salin et thermique de caractériser l’architecture génétique de la plasticité phénotypique. Pour ce faire, une population multi-parentale (MAGIC) issue du croisement de huit lignées parentales a été évaluée dans un dispositif d’essais multi-environnement (MET) incluant des conditions optimales de culture avec une irrigation suffisante et des conditions de stress hydrique (WD), stress salin (SS) et stress thermique (HT) en France, en Israël et au Maroc. Au total 12 environnements ont été testés, chaque environnement constituant une combinaison de Traitement x Lieu géographique x Année. Plusieurs caractères phénotypiques ont été mesurés en lien avec la vigueur de la plante, la qualité du fruit, la phénologie et des traits liés au rendement. Les analyses phénotypiques ont révélé des interactions génotype-environnement (GxE) significatives pour la majorité des traits évalués. Ces interactions GxE ont par la suite été décomposées à travers différentes mesures de plasticité phénotypique en estimant la sensibilité génotypique des lignées MAGIC aux variations environnementales. Une analyse de cartographie de liaison a été réalisée en utilisant des modèles prenant en compte la probabilité haplotypique de l’origine parentale des allèles,pour identifier les locus contrôlant la variation des caractères quantitatifs (QTL) impliqués dans les variations de la moyenne et de la plasticité phénotypique. L’étude a mis en évidence la complexité de l’architecture génétique de la plasticité phénotypique chez la tomate, qui est en majorité (66% des QTLs de plasticité) contrôlée par des locus différents de ceux qui affectent la variation moyenne des traits. Nous avons pu proposer des gènes candidats de plasticité qui nécessitent des études plus approfondies pour leur validation et la compréhension de leur mode de fonctionnement. Dans le contexte agronomique, les résultats présentés dans cette étude ouvrent des perspectives intéressantes pour la création de variétés de tomate adaptées aux stress abiotiques en présentant d’une part des marqueurs génétiques intéressant pour les programmes de sélection assistée par marqueurs et d’autre part, des génotypes intéressants à évaluer dans de futurs programmes d’amélioration variétale.
Origine : Version validée par le jury (STAR)