La caractérisation des gènes gouvernant la croissance et l'adaptation est prioritaire afin d'identifier plus rapidement le potentiel des sources de graines d'épinette noire qui seront utilisées dans les programmes d'amélioration et pour assister à délimiter les lignes directrices de la conservation des ressources génétiques de cette espèce.
L'objectif : identifier et séquencer des centaines de gènes candidats pour la croissance et l'adaptation chez l'épinette noire, et en identifier les variations au niveau de l'ADN. Évaluer l'association entre ces variations et les caractéristiques des arbres, ainsi que celles du climat. Comparer l'expression de ces gènes entre les tissus et entre des individus génétiquement distincts.
La détection des variations entre les gènes candidats s'est faite en utilisant les arbres d'un test de 30 provenances d'épinette noire établi sur deux sites, un en Beauce, et l'autre à la Forêt Montmorency, caractérisée par un climat plus rigoureux. Des mesures de hauteur et des mesures d'aoûtement pluriannuelles ont permis de classer les arbres pour délimiter ceux aux caractéristiques extrêmes. La recherche des variations génétiques de type SNP ("single nucleotide polymorphism") a été effectuée par le séquençage de l'ADN des groupes d'individus aux caractéristiques extrêmes: arbres de croissance rapide versus lente, et arbres d'aoûtement précoce versus tardif. Dans un premier temps, le séquençage de quelques centaines de gènes candidats avec la technique Sanger a permis d'identifier une quarantaine de SNPs en ségrégation entre les groupes extrêmes.
Récemment, avec les progrès du séquençage à haut débit, on a pu découvrir 1400 SNPs de haute qualité à partir d'un lot de 3800 gènes. Même s'ils n'ont pu être testés, ce grand lot de SNPs constitue une réserve de marqueurs génétiques pour les projets futurs. Une étude d'association impliquant les SNPs en ségrégation identifiés ci-haut et une autre de relations avec les facteurs climatiques ont été complétées dans le cadre du projet de doctorat de M. Julien Prunier, financé par le FQRNT.
La première étude a été conduite afin d'identifier les SNPs directement associés à la croissance en hauteur et/ou à l'aoûtement des arbres. En plus des SNPs en ségrégation, d'autres SNPs reliés significativement à la variation climatique au Québec ont été considérés pour un total de 52 SNPs candidats. Des SNPs témoins ont également été considérés. Ces SNPs ont été génotypés par la méthode Sequenom sur l'ADN des 1500 arbres des deux tests décrits ci-haut. Un total de 34 SNPs sont ressortis avec des associations significatives (q<0,10): 22 SNPs associés à l'aoûtement, 18 SNPs associés à la hauteur, et 6 SNPs associés aux deux traits. Le pourcentage de variation expliquée (PVE) était faible pour chacun de ces SNPs, indiquant que le contrôle génétique de la croissance et de l'adaptation est le résultat des effets additifs et d'interaction d'un grand nombre de gènes répartis sur le génome. Le PVE était plus élevé pour les arbres établis à la Forêt Montmorency, suggérant que les conditions climatiques plus rigoureuses font mieux ressortir les différences phénotypiques d'origine génétique chez l'épinette noire.
Par ailleurs, le testage de ces SNPs a été mené sur plusieurs centaines d'individus élites représentatifs des quatre zones d'amélioration de l'épinette noire délimitées par le MRNF. Trois marqueurs sont ressortis comme étant très significativement associés à la croissance en hauteur, toutes régions confondues.
La deuxième étude de la thèse de M. Prunier a été effectuée en génotypant les mêmes SNPs sur un ensemble pancanadien de populations, soit 593 arbres représentatifs de 41 populations d'épinette noire de l'Alaska à Terre-Neuve et pour lesquelles différentes données climatiques ont été rassemblées. L'analyse de la structure des populations avec les SNPs témoins a permis d'identifier une super-structure transcontinentale formée de trois groupes: une lignée à l'ouest de la Saskatchewan avec 12 populations, une à l'est du Manitoba avec 21 populations, alors que les 7 populations du centre formaient une population mixte des deux autres.
Les deux lignées majeures correspondent aux descendants de refuges glaciaires génétiquement et géographiquement distincts et le groupe du centre correspond à une zone de contact. Suite aux analyses statistiques, 23 SNPs étaient significativement corrélés avec la variation climatique, soit en relation avec la température et/ou avec les précipitations, deux facteurs aux effets souvent interconnectés au niveau physiologique.
Enfin, une étude plus fondamentale a été entreprise sur le profil d'expression des gènes porteurs de SNPs diagnostiques dans le cadre du projet de maîtrise de M. Guillaume Tessier, également financé par le FQRNT. Le premier objectif était de déterminer dans quels tissus s'expriment les différents gènes porteurs de 24 des SNPs significatifs en tests d'association. L'expression s'est avérée positive dans les neuf tissus analysés, avec de grandes différences de niveau entre les tissus pour 20 gènes. Les profils d'expression ont par la suite été étudiés parmi les différentes classes génotypiques pour mieux mesurer l'effet des SNPs sur l'expression.
Pour ce faire, un total de 143 arbres représentatifs de la variabilité génotypique pour ces SNPs ont été identifiés par génotypage à partir d'une collection de 1800 plants d'épinette noire rassemblés par nos collaborateurs du MRNF et provenant de six pépinières couvrant diverses régions du Québec. Des différences significatives d'expression ont été observées parmi les classes génotypiques pour trois de ces gènes, démontrant un lien direct entre la variabilité génétique détectée et l'expression. Avec les données de croissance et d'aoûtement mesurées à intervalle régulier durant la saison de croissance, des corrélations ont été observées avec les classes génotypiques pour trois de ces gènes dont un du groupe précédent, démontrant un lien direct entre les variations de l'ADN, l'expression des gènes et des caractères reliés à l'adaptation.
Les marqueurs génétiques découverts grâce à ce projet permettront de poursuivre l'identification des individus porteurs d'allèles favorables afin de préserver l'adaptation des variétés d'épinette noire à haut rendement et d'accélérer les opérations en vue du déploiement de variétés adaptées à un environnement en mutation. Ils serviront également à mieux délimiter la variabilité génétique d'origine géographique liée à l'adaptation au climat pour les fins de conservation. La recherche de SNPs par des méthodes à grande échelle couvrant un nombre important de gènes est venue augmenter notre banque de marqueurs disponibles et permettra d'autres avancées, tant au niveau de la génomique que pour la sélection d‘allèles favorables permettant la prédiction précoce du potentiel phénotypique. Des approches de prédiction des phénotypes par une approche multi-marqueurs couvrant densément le génome est maintenant envisageable et sera directement déployée sur des populations d'amélioration de seconde génération d'épinette noire du MRNF.
Main researcher: Jean Bousquet, Université Laval
Original title: Sélection assistée par la génomique pour l'amélioration génétique de l'épinette noire face aux changements climatiques
