Thèmes de recherche

Nos recherches cognitives et méthodologiques sont organisées autour de 3 axes principaux s’adressant chacun plus spécifiquement à une échelle d’étude (individus, populations, unités de gestion) mais intégrant tous, la notion d’environnement changeant.

Les principaux caractères étudiés concernent la formation du bois, la résistance aux agents pathogènes et la reproduction (sexuée/asexuée).

Ces 3 axes de recherches sont en interaction directe avec les missions de transfert et d’appui aux politiques publiques. Le pôle opérationnel “Ressources génétiques”, a pour vocation de gérer la conduite de programmes d’amélioration génétique sur 6 espèces d’intérêt (Douglas, Mélèzes, Pin sylvestre, Peuplier, Merisier, Frêne), et également de programmes de conservation de ressources génétiques inscrits dans la politique nationale pour plusieurs espèces.

Les recherches menées dans les 3 axes permettent d’introduire de nouveaux critères de sélection et d’adapter les étapes d’évaluation, sélection, recombinaison et déploiement des programmes d’amélioration gérés à l’Unité ou dans le cadre de partenariat. Elles permettent également de mieux comprendre les compromis entre les différentes fonctions et services liés à la diversité génétique des espèces forestières et ainsi d’accompagner les gestionnaires et décideurs dans leurs choix de gestion des ressources génétiques forestières. A l’inverse, les ressources génétiques originales gérées dans les programmes de conservation et d’amélioration génétique et les dispositifs expérimentaux dans lesquelles leurs performances sont évaluées offrent des supports d’étude précieux aux recherches menées dans les 3 axes.

Axe A : Comprendre la construction du phénotype pour des caractères complexes 

Le principal enjeu ici est, en restant à l’échelle de l’individu (combinaison unique de gènes et allèles pouvant être répliquée par multiplication végétative), d’aller plus loin dans la compréhension de la construction du phénotype pour des caractères complexes en alliant écologie, physiologie et génomique fonctionnelle. La dissection des caractères se fait aux niveaux phénotypique et moléculaire en s’attachant à une caractérisation plus fine des variations de l’environnement (température, disponibilité en eau, stress mécaniques, stress biotiques) afin d’identifier les covariables environnementales les plus pertinentes en prédiction. Les approches de dendroplasticité développées depuis longtemps dans l’Unité sont mobilisées pour mieux prendre en compte la diversité spatio-temporelle des environnements sur les réponses enregistrées dans le passé afin de mieux prédire les réponses à des environnements futurs. Au niveau moléculaire, de nouvelles technologies de transgénèse ou de techniques d’édition des génomes sont adaptées à nos modèles biologiques pour poursuivre la validation fonctionnelle de déterminants moléculaires présents dans les réseaux de gènes impliqués dans différents processus. Cinq priorités de recherche sont développées :

1. Étude des interactions moléculaires impliquées dans le fonctionnement du cambium et la xylogénèse
2. Utilisation de l’édition de génomes et de la transgénèse pour l’étude de l’élaboration du phénotype, lien entre plasticité moléculaire et plasticité phénotypique
3. Dissection de phénotypes complexes permettant d’identifier les caractères élémentaires les plus sensibles aux fluctuations de l’environnement au travers notamment de l’analyse de cinétiques à différentes échelles (journée, saison, année) ou d’approches histologiques
4. Développement d’indices de plasticité phénotypique reposant sur l’identification de covariables environnementales pertinentes
5. Etude des déterminants physiologiques et moléculaires de l’aptitude à l’embryogénèse et du développement embryonnaire dans un environnement changeant

Axe B. Analyser les réponses des populations naturelles et sous sélection artificielle

En passant à l’échelle des populations et en alliant biologie des organismes, analyse des polymorphismes moléculaires, génétique des populations, biologie prédictive et intégrative, les enjeux de l’axe B sont multiples. Pour des espèces à longue durée de génération, il s’agit d’identifier les parts respectives de la plasticité phénotypique et de l’adaptation, dans les réponses à court et long termes des populations d’arbres forestiers à des changements environnementaux. La sélection qu’elle soit naturelle ou artificielle s’exerçant sur les phénotypes, il convient de s’intéresser à des composantes de la variabilité phénotypique jusqu’ici négligées, comme les variances liées aux interactions Gène-Gène (GxG) et Génotype-Environnement (GxE) avant d’envisager l’utilisation des polymorphismes moléculaires en sélection ou en biologie de la conservation. Pour la même raison, la détection d’adaptations locales nécessite des approches multicaractères intégrant traits fonctionnels et traits complexes associées à la production quantitative et qualitative de bois afin de mieux prendre en compte les compromis entre fonctions dans différents environnements. Une autre composante du potentiel adaptatif des populations, le système de reproduction où interviennent les évènements de recombinaison génétique, peut être impacté par les changements climatiques et est étudié à travers l’analyse des qualités physiologiques et génétiques des graines. Six priorités de recherche sont développées :

1. Étude de la place des effets d’interaction Gène-Gène (GxG) dans l’architecture génétique de caractères liés à la formation du bois et à ses propriétés physico-chimiques. L’inférence de réseaux de gènes repose sur l’analyse de données d’expression RNA-seq sur un panel de génotypes de peuplier noir structurés en populations.
2. Combiner analyses de liaison (QTL) et génétique d’association à l’échelle du génome (GWAS) et prendre en compte les interactions GxE pour approfondir nos connaissances sur l’architecture génétique de caractères complexes et valider des régions génomiques candidates sur le modèle biologique peuplier.
3. Exploration de l’intérêt de variants de l’ADN autres que les SNP tels que les variants structuraux ou les marques épigénétiques en partenariat avec des expertises présentes en dehors de l’unité.
4. Analyse comparée de l’architecture génétique de traits d’intérêt économique et de traits fonctionnels (matrices de variances–covariances G) dans différentes populations naturelles et d'amélioration, observées dans un ou plusieurs environnements. 
5. Étude de la variabilité et du déterminisme génétique des patrons de plasticité phénotypique au sein de populations naturelles ou d’amélioration. Investigation des liens entre plasticité phénotypique et valeur sélective (fitness).
6. Étude des effets de l’environnement sur l’évolution démographique de populations naturelles et sur le régime de reproduction en vergers à graines.

Axe C. Optimiser la gestion durable de la diversité génétique dans les populations naturelles et d’amélioration

Le passage à l’échelle d’unités de gestion (unités conservatoires in et ex-situ, populations d’amélioration, populations de production telles que les vergers à graines ou les planches de semis en pépinière permettant le déploiement des variétés améliorées) pose plusieurs questions. Tout d’abord, celle de la gestion de compromis biologiques entre niveau de gains génétiques multi-caractères (croissance, reproduction, résistance, résilience), maintien de la diversité génétique, prédiction des performances en situation d’incertitude sur les conditions environnementales. Nous souhaitons également lui ajouter la question d’optimisation des moyens engagés en prédiction (phénotypage/génotypage), lors des opérations de recombinaison génétique pour valoriser une nouvelle diversité génétique ou encore pour la diffusion du progrès génétique.  La diversité des modèles biologiques et des contextes économiques étudiés nous conduit à développer des approches génériques et à combiner simulations et études de cas concrets. Les développements méthodologiques associés concernent la prise en compte explicite en prédiction et sélection de toutes les informations génomiques d’intérêt et de la plasticité phénotypique. Six priorités de recherche sont développées :

1. Préserver les options futures par une conservation dynamique et de nouveaux échantillonnages adaptés de ressources génétiques forestières d’intérêt ou menacées. L’urgence imposée par la situation sanitaire sur le frêne, nous amène dès aujourd’hui à identifier des stratégies privilégiant réactivité et pragmatisme.
2. Intégrer informations phénotypiques et génomiques (à terme plusieurs ‘-omics ‘) pour une meilleure gestion génétique des populations d'amélioration. Il s’agit avant tout de démontrer l’efficacité d’une sélection génomique pour le peuplier alliant augmentation de la précision et de l’intensité de sélection, raccourcissement du cycle de sélection, contrôle de l’apparentement et gestion à long terme des polymorphismes d’intérêt.
3. Recombiner des pools génétiques différenciés pour générer de la diversité génétique, améliorer l’adaptation des arbres à leur milieu et maximiser les propriétés d’intérêt économique. Cette question s’adresse plus particulièrement à l’hybridation interspécifique, qui permet chez le mélèze de valoriser des complémentarités entre génomes, des effets d’hétérosis et une plus grande homéostase ou adaptation à des conditions environnementales extrêmes.
4. Intégrer dans la sélection de nouveaux prédicteurs fonctionnels et prendre en compte de façon explicite la plasticité phénotypique.
5. Réduire les coûts des opérations d'évaluation, de sélection et de recombinaison des programmes d'amélioration en adaptant les plans d’expérience, en bénéficiant d’analyses spatiales plus performantes ou de reconstruction de parenté, en pratiquant une sélection phénotypique juvénile intensive et en développant des approches participatives avec différents acteurs de la filière forêt-bois ou d’agroforesterie.
6. Adapter les structures de production à la diffusion raisonnée d’un matériel associant performances et diversité génétique.