Bases génétiques des variations pour la structure histologique des tiges de luzerne (Madicago sativa L.) - INRAE - Institut national de recherche pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement Access content directly
Theses Year : 2002

Analysis of the genetic bases of histological structures in lucerne stems (Medicago sativa L.)

Bases génétiques des variations pour la structure histologique des tiges de luzerne (Madicago sativa L.)

Abstract

Stems are the essential constitutive elements of the lucerne canopy, and the aerial part which limits forage digestibility. During growth, tissues developp to confer stem rigidity and to allow water transport. Tissues proportion may play a determinant role in their degradability. The aim of this thesis is to determine the genetic bases of histological structures of lucerne stems and the link between histological structures and digestibility of the stems. Two genotypes contrasted in digestibility werre used to quantify with image analysis histological structures along the stem characterised for its morphology. NDF and lignin contents were also determined. The evolution pattern of these traits were observed from the apex to the bottom part of the stem. Genetic varaibility was assessed among and within-cultivars. Six cultivars were evaluated for the among-cultivars variation and 10 genotypes within two cultivars for the within-cultivar variation. The effect of AFLP and SSR molecular markers on histological, morphological and enzymatic solubility of the stem was estimated in a F1 tetraploïd population obtained from a cross between 2 plants chosen in 2 different cultivars. Genetic correlations between all these traits were calculated. The analysis along the stem showed that stem height play an important role in the variation of histological traits, evolving in the same pattern for both genotypes. The increase in NDF and lignin contents in the bottom part of the stem is accompanied by the onset of cambium which is reponsible for the development of new cell layers in secondary tissues (secondary xylem). Few or no genetic variation was found among-cultivars,and the within-cultivar variation was significant and higher for most of the traits. Genetic variation was also found in the F1 population and was the largest one. Molecular markers was significantly associated with the variation of all traits. These markers explained from 6.5 % of the variation of the proportion of pith parenchyma to 40 % of the stem height. Some of the genomic regions were associated with more than one trait. Markers were associated on the same linkage group for the stem height, and the leaf to stem ratio, but also for the stem height and their enzymatic solubility, the proportion of the cortex and the xylem cell wall surface density. Moreover the analysis of the correlations showed a negativ relationship between xylem proportion, xylem cell wall thickness, xylem cell wall surface density and enzymatic solubility of the stems. Enzymatic solubility of the stems was also positively correlated to the proportion of the non lignified tissues. Map saturation and the availability of a QTL software specific to autotetraploid species would permit to consider the improvement of forage digestibility thanks to markers assisted selection. A possible way to improve digestibility would to decrease xylm proportion in the stem by introducing QTLs responsible for the decrease of this trait, and the decrease of xylem cell wall thickness without reducing stem rigidity.
Les tiges constituent l'élément fondamental du peuplement de luzerne et la partie aérienne limitant la digestibilité. Au cours de la croissance les tissus de soutien et de transport d'eau se mettent en place dans la tige. La proportion de ces tissus et des éléments constitutifs pourrait jouer un rôle déterminant dans leur dégradabilité. L'objectif de la thèse est de déterminer les bases génétiques des variations de la structure histologique des tiges de luzerne et d'établir la relation avec la digestibilité des tiges. Sur deux génotypes contrastés en digestibilité, différents caractères histologiques ont été quantifiés par analyse d'images, les teneurs en parois et en lignine mesurées et leur profil d'évolution observé le long de tiges caractérisées pour leur morphologie. La variabilité génétique pour ces caractères histologiques a été recherchée au sein et à l'intérieur de cultivars choisis pour leur différence de digestibilité. Enfin, la recherche de marqueurs associés à la variation de ces caractères a été initiée grâce au marquage d'une population F1 autotétraploïde issue du croisement entre deux plantes hétérozygotes. Les corrélations génétiques entre les différents caractères ont été calculées. L'analyse le long des tiges montre que la hauteur joue un rôle primordial dans la variation des caractères, et qu'ils évoluent similairement quel que soit le génotype. L'augmentation des teneurs en parois et en lignine en bas des tiges est associée à la mise en place du cambium responsable du développement de nouvelles assises cellulaires dont les parois se lignifient (xylème secondaire). Peu ou pas de variabilité entre cultivars mais une forte variabilité intra cultivar pour tous les caractères mesurés ont été mises en évidence. Une variabilité génétique importante au sein de la population F1 a permis de rechercher des marqueurs associés aux caractères histologiques, morphologiques et à la solubilité enzymatique des tiges. Cette étude a mis en évidence des marqueurs significativement associés à tous les caractères, expliquant de 6,5 % de la variation observée pour la proportion de parenchyme médullaire dans la tige à 40 % pour la hauteur des tiges. Nous avons également pu mettre en évidence des colocalisations entre la hauteur des tiges et le rapport feuilles/tiges, entre la hauteur des tiges, leur solubilité enzymatique, et la proportion d'écorce et la densité surfacique des parois du xylème. D'autre part l'analyse des corrélations a montré une relation négative entre la proportion de xylème, l'épaisseur et la densité surfacique des parois cellulaires du xylème, et la solubilité enzymatique des tiges; et une relation positive entre la solubilité enzymatique et la proportion des tissus non lignifiés. Cette thèse a montré qu'il est possible de sélectionner des luzernes de meilleure digestibilité en retenant comme critère de sélection des caractères liés à la proportion des différents tissus des tiges, et de rechercher des QTLs impliqués dans leur variation chez une espèce autotétraploïde. La saturation des cartes et la disponibilité d'un logiciel permettant de localiser des QTLs chez les espèces autotétraploïdes pourraient permettre d'envisager d'améliorer la digestibilité du fourrage grâce à la sélection assistée par marqueur. Une voie possible pour améliorer la digestibilité du fourrage serait de diminuer les proportions de xylème en introgressant les QTLs responsables de la diminution de ce caractère, et de l'épaisseur de ses parois en prenant garde à ne pas affecter la rigidité des tiges.

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Cite

F. Guines. Bases génétiques des variations pour la structure histologique des tiges de luzerne (Madicago sativa L.). Sciences du Vivant [q-bio]. Ecole Nationale Supérieure Agronomique, 2002. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02831558⟩
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