Les marqueurs moléculaires - FSNV

Les marqueurs moléculaires
Définition

Les marqueurs moléculaires sont un type de marqueur génétique composé de fragments
d'ADN qui servent de repères pour suivre la transmission d'un segment de chromosome d'une
génération à l'autre, les marqueurs moléculaires révèlent directement les modifications du
patrimoine génétique qu'ils se traduisent ou non par une modification phénotypique
(phénotype), physiologique ou biochimique. Ces marqueurs moléculaires sont donc des
indicateurs neutres de variabilité génétique qui permettent d’identifier le polymorphisme entre
famille, genres, espèces, variétés, populations et même entre individus… Ainsi, les marqueurs
moléculaires sont des outils très efficaces pour la phylogénie moléculaire puisqu’ils peuvent
établir des relations de parenté entre individus.

Les marqueurs génétiques renseignent sur le génotype d'un individu et ne sont pas modifiés
par l'environnement.

Ils peuvent être utilisés tout au long d'une expérimentation et sont observables à n'importe
quel stade de développement de la plante et sur n'importe quel organe (l'information génétique
de la plante est contenue en totalité dans toutes les cellules).

Par marqueur moléculaires on peut suivre et contrôler la présence du gène d’intérêt chez
  n’importe quel individu sans recours a l’observation phénotypique du caractère Un fragment
de Feuille suffit pour obtenir l’ADN nécessaire pour établir l’empreinte génétique d’une
plante. Ces marqueurs se trouvent à des endroits bien précis du génome. Ils sont utilisés pour
localiser un gène particulier ou vérifier si un individu a hérité d’une caractéristique
particulière d’un organisme parent. Les marqueurs moléculaires sont identifiables situés a des
emplacements spécifiques du génome, et associés à la transmission d’une caractéristique ou
d’un gène lié.

Utilité des marqueurs moléculaires

 Les marqueurs moléculaires servent à :

    La sélection assistée par marqueurs
    La compréhension et a la conservation des ressources génétiques
    Vérification du génotype.

 Les marqueurs génétiques sont toujours synonymes de locus marqueurs.
Un locus marqueur est un locus polymorphe qui renseigne sur le génotype de l'individu qui le
porte et/ou sur les génotypes des locus voisins. Les marqueurs génétiques sont par définition
des caractères héritables.
Les caractéristiques des marqueurs moléculaires

Les marqueurs moléculaires doivent réunir les caractéristiques idéales suivantes : être
des caractères mendéliens à hérédité simple; avoir plusieurs allèles ; être codominants; ne pas
avoir d'effet pléiotropique ni épistatique ; être dispersés le long du génome; ne pas être liés

entre eux ; être insensibles au milieu ; être stables à tous les stades du développement; ne pas
avoir d'effet sur la croissance ou la reproduction sexuée ; être Sélectivement neutres ; être
facilement observables et sans ambigüité.
Types de marqueurs
Il existe différents types de moléculaires
 RFLP : Polymorphisme de longueur de fragments de restriction
 AFLP : Polymorphisme de longueur des fragments amplifiés
 SSLP : Simple séquence length polymorphisme
 RAPD : Amplification aléatoire d’ADN polymorphe
 SNP : Polymorphisme nucléotidique
 SSCP : Polymorphisme de conformation des simples brins
 EST : Marqueur de séquence exprimé
 CNV : Variabilité du nombre de copies
 VNTR : Séquence répétée
 SSR : Simple séquence repeat ou polymorphisme de microsatellite
Les plus utilisés sont les marqueurs RFLP, RAPD, AFLP et

          EXEMPLE D’UTILISATION DE MARQUER MOLECULAIRE

Les marqueurs moléculaires comme outils de sélection

Les marqueurs moléculaires peuvent être utiles à différents stades de l’amélioration de
cultures fourragères. Ils peuvent être utilisés pour étudier en profondeur la ségrégation et la
liaison de gènes ainsi que l’origine de la transmission des caractères.
Utilisations possibles des marqueurs moléculaires héréditaires. Par exemple, il est
possible de retracer l’origine de gènes de résistance jusqu’aux géniteurs sauvages. Une fois
que des marqueurs liés à des gènes spécifiques ont été identifiés, ils peuvent être utilisés dans
les programmes d’amélioration pour augmenter la probabilité de sélectionner les individus,
d’une population ou d’une descendance d’un croisement, qui possèdent la meilleure
combinaison des propriétés désirées. Aussi, quand des marqueurs liés aux caractères ont été
identifiés, il est possible de localiser les gènes responsables sur une carte génétique et de
saturer la région génomique d’intérêt avec des marqueurs afin de cartographier finement les
gènes responsables de l’expression du caractère. Finalement, la localisation précise de gènes
permet l’étude de la relation entre allèles pour des gènes particuliers.
Les marqueurs moléculaires ont un potentiel d’utilisation dans les différents aspects de
l’amélioration des cultures fourragères. Les applications concernent : 1) l’étude de la diversité
génétique et la caractérisation des ressources génétiques, 2) la sélection assistée par
marqueurs moléculaires et 3) l’estimation de l’identité génétique du matériel de sélection et
des variétés
A l’heure actuelle, les marqueurs moléculaires confirment et renforcent les observations
phénotypiques mais, dans la plupart des cas, leur utilisation n’élimine pas le besoin de faire
des tests phénotypiques sur les plantes. Des marqueurs plus performants et moins chers, ainsi
que l’intégration de toutes les données disponibles, devraient permettre de les utiliser de
manière plus routinière dans les programmes de sélection .
Les marqueurs sont utilisés pour décrire la variabilité génétique et sa répartition au sein de
populations et d'espèces, ils servent aussi à préciser les mécanismes évolutifs des populations
qui rendent compte de cerce description. Le choix des marqueurs dépend de l'objectif précis
fixé et des moyens des utilisateurs
Les domaines d'app lication des marqueurs génétiques font apparaître des objectifs variés
pour lesquels des marqueurs sont préconisés. Cette analyse conduit à définir 9 applications du
marquage génétique qui diffèrent par la nature des marqueurs susceptible les d'apporter
l'information recherchée.

Marqueurs biochimiques est moléculaires au service de la sélection précoce des plantes

L'amélioration génétique commence par l'étape de la création de la variabilité. La sélection
de'génotypes supérieurs' est pratiquée au sein de cette variation. Les marqueurs biochimiques
et moléculaires peuvent être utilisés pour procéder à une sélection précoce et rapide du
matériel porteur du gène d'intérêt. En plus des protéines et des isoenzymes, les marqueurs
biochimiques et moléculaires utilisés en amélioration génétique des plantes sont de types
RFLP, RAPD,SSR (microsatellites), AFLP et d'autres marqueurs basés sur la PCR

Sélection assistée par marqueur SAM
Jusqu'à présent, le sélectionneur abordait la diversité génétique en ne tenant compte que des
caractères observables. Il est dorénavant possible, grâce à des techniques de biologie
moléculaire, de lire partiellement le génotype d'un individu, et d'étudier la diversité génétique
au niveau du génome. Aujourd’hui, avec le marquage moléculaire, de nouvelles perspectives
s'ouvrent pour le sélectionneur.

Applications
Grâce aux marqueurs génétiques, il devient possible :
- d'établir l'empreinte génétique d'un individu, c'est-à-dire de décrire et définir des individus et
des variétés en vue de leur inscription, de leur protection et de leur classification.
 - de mettre en évidence et suivre les gènes impliqués dans l'expression de caractères d'intérêt
Les caractères qui résultent de l’action de plusieurs gènes et sont dits 'quantitatifs'. C'est le cas
d'un rendement ou de la hauteur des individus .Ces caractères peuvent prendre toutes les
valeurs situées entre deux extrêmes. Les régions chromosomiques impliquées dans
l'apparition de ces caractères quantitatifs (QTL, de Quantitative Trait Loci) peuvent être
localisées sur une carte génétique à l’aide de méthodes statistiques. Elles sont repérées par
des marqueurs moléculaires. La mise en évidence de cette liaison est réalisée en étudiant la
correspondance dans la descendance d’un croisement entre les caractères phénotypiques
observés et la présence des marqueurs moléculaires associés. Lorsque les QTL sont identifiés,
le sélectionneur peut repérer les plantes intéressantes dans la descendance d’un croisement en
se basant uniquement sur la présence des marqueurs moléculaires proches des gènes
contrôlant les caractères recherchés.

Les questions posées:

- Comment identifier les régions du génome impliquées dans l’expression d’un caractère
(quantitatif ou qualitatif) ? ---> Par cartographie de QTL.

- Comment accéder au(x) gène(s) qui gouverne(nt) ces caractères ? ----> Par cartographie fine
de la région d’intérêt (clonage positionnel).

- Comment exploiter les résultats dans des schémas de sélection ? -----> Par le développement
de marqueurs utilisables dans la sélection assistée par marqueurs (MAS,' Marker Assisted
Selection').
 La Sélection Assisteé par Marqueurs ou MAS (Marker Assisted Selection) est basée sur la
possibilité de détecter la présence d’un gène ou d’un trait agronomique intéressant par la
recherche du marqueur qui lui est étroitement lié (linkage).

Les avantages liés à l’application des marqueurs moléculaires en sélection sont nombreux:

-La MAS est non destructive
- La MAS nécessite peu de tissu végétal
- La MAS n’est pas influencée par des facteurs environnementaux.

Ce type de sélection est particulièrement avantageux lorsque le caractère étudié est difficile de
détection, coûteux à évaluer ou influencé par les conditions climatiques ou édaphiques. Avec
la SAM, le sélectionneur peux anticiper la résolution de problèmes liés à l'adaptation des
plantes à de nouvelles contraintes, comme l'amélioration des plantes pour la résistance aux
maladies dans des régions où le pathogène n’existe pas encore.

De même, la MAS présente un grand intérêt dans les programmes d’introgressiondestinés à

modifier de manière ciblée un matériel génétique existant, en remplaçant un segment
chromosomique initial par un segment porteur de caractéristiques favorables provenant d’un
autre matériel. Cette approche suppose de croiser deux lignées, l’une considérée comme
le parent donneur (géniteur), l’autre comme le parent receveur (parent récurrent), puis
d’éliminer progressivement par rétro-croisements successifs (back-cross) le génome du
parent donneur, tout en conservant de façon ciblée le segment (gène) d’intérêt.

Le rétrocroisement (back-cross) est une méthode d'amélioration pratiquée par les
sélectionneurs. Son principe est d'éliminer (vider) progressivement tous les gènes d'un
géniteur donné comme un géniteur de résistance (parent donneur), sauf celui qui confère la
résistance à une maladie déterminée. Ceci est réalisé par des recroisements successifs de celui
ci avec une variété de bonne valeur agronomique (= parent récurrent = parent receveur).
Au cours des recroisements, les gènes du parent récurrent 'remplissent' le géniteur où leur
proportion augmente de 50% (première hybridation) à 75% (= 50 + 50/2) (premier
recroisement), 87,5% (= 50 + 75/2) (deuxième), 93,75% (troisième), 96,875% (quatrième
recroisement) ,...

de façon à obtenir une résistance multigénique, potentiellement plus stable car difficile à
contourner par le pathogène. Le phénotype seul ne permet pas de différencier les individus
cumulant deux ou plusieurs résistances de ceux qui n’en possèdent qu’une, rendant le recours
aux marqueurs indispensable.
En plus des avantages, la MAS présente des limites dont:

- La MAS n'est compétitive en termes de coût et de temps par rapport aux méthodes de
sélection traditionnelles, lorsque le phénotype peut être déterminé facilement (hauteurs des
plantes, précocité, résistance à certaines maladies...)

- La MAS est inefficace pour la sélection de caractères agronomiques à déterminisme
génétique complexe (comme le rendement, par exemple), gouvernés par un grand nombre de
gènes ou de QTL qui interagissent et dont la plupart sont encore inconnus.

Les marqueurs moléculaires ont un potentiel d’utilisation extrêmement large et important en
amélioration des plantes, et des cultures fourragères en particulier.
Les marqueurs moléculaires sont complémentaires des tests morphologiques de distinction et
fournissent des éléments pour l’évaluation des essentielles dérivations concernant les
applications des marqueurs moléculaires dans les programmes d’amélioration.3 trois
principaux champs d’application peuvent être identifiés : (i) l’analyse de la diversité
génétique et la caractérisation des ressources génétiques, (ii) l’identification de marqueurs
ADN liés aux caractères en vue de la sélection assistée,(iii) l’identification et la protection des
variétés.
 Le chemin menant à l’utilisation en sélection des marqueurs liés à un caractère peut être
divisé en plusieurs phases.
Premièrement, les marqueurs associés au caractère étudié sont identifiés soit dans des
populations adaptées, soit dans des populations non structurées. Dans ce processus, des
connaissances sont acquises concernant la contribution des différentes régions génomiques
impliquées
(G), les effets de l’environnement sur l’expression des caractères
(E) et l’interaction G x E. Quand une liaison relativement étroite entre le marqueur et le
caractère est établie, une sélection visant ce marqueur peut remplacer l’évaluation
phénotypique. La sélection assistée par marqueurs devient intéressante lorsque le phénotypage
en amélioration traditionnelle est coûteux, laborieux et dépendant des conditions

environnementales, ou quand le caractère est influencé par différentes composantes
génétiques dont la détection individuelle est laborieuse. Les marqueurs offrent aussi la
possibilité de sélectionner un caractère à un stade précédant le moment où il est exprimé dans
la plante. Dans les programmes d’introgression, la sélection assistée par marqueurs permet un
gain significatif en termes de nombre de générations nécessaires pour réduire le génotype
donneur à un minimum dans la lignée introgressée. Elle permet aussi l’introgression de
segments de chromosome plus petits. La sélection assistée par marqueurs rend aussi possible
l’accumulation d’allèles bénéfiques multiples
Applications
1. Etude de la diversité génétique et caractérisation des ressources génétiques
Les méthodes classiques d’estimation de la variabilité génétique ou de la parenté de groupes
de plantes se basent sur des caractéristiques morphologiques. Les marqueurs ADN évitent
nombre de complications dues aux effets environnementaux agissant sur les caractères en
regardant directement la variation existant au niveau de l’ADN. Les marqueurs ADN sont
donc très utiles pour l’examen et la sélection de ressources génétiques dans les programmes
de sélection. Cependant, il est important de réaliser que, dans la plupart des cas, l’utilisation
de marqueurs ADN n’élimine pas complètement le besoin de faire des tests phénotypiques sur
les plantes.
--La transgénèse est également envisagée comme outil d’amélioration de plantes pour
lesquelles les techniques classiques de sélection végétale utilisant la reproduction sexuée sont
moins performantes, en particulier celles avec un très grand intervalle de génération, qui rend
l’amélioration classique très lente (arbres fruitiers ou forestiers). Elle peut aussi représenter
une technique alternative 1 pour les plantes propagées par multiplication végétative 2, qui ont
une structure génétique complexe. Le champ des possibles ouvert par la transgénèse, décrit
dans les nombreux, rapports écrits sur les OGM est large mais la gamme des plantes
génétiquement modifiées aujourd’hui cultivées est toujours aussi restreinte. Les raisons d’une
telle limitation du champ d’application sont pour partie techniques. La transgénèse est
aujourd’hui essentiellement opérationnelle pour des caractères commandés de façon assez
simple, comme le sont la résistance à certains ravageurs ou la tolérance aux herbicides ; elle
ne l’est pas pour des caractères commandés par des voies métaboliques complexes, comme la
résistance à la sécheresse et à la salinité, dont les mécanismes ne sont encore que très
partiellement compris. La transgénèse ne pourra intervenir, dans ce cas, qu’en aval d’un effort
de recherche fondamentale. La transgénèse s’est également d’abord développée chez les
dicotylédones (tabac, tomates, pommes de terre, etc.), seules plantes sur lesquelles le vecteur
bactérien Agrobacterium classiquement employé à l’époque était efficace ; la transgénèse
pour les monocotylédones (céréales) est apparue plus tardivement. La régénération de
plantes à partir d’une cellule transformée, est quant à elle variable d’une espèce à l’autre (et
même au sein d’une espèce), et sa mise au point nécessite dans chaque cas un investissement
de recherche pour développer, de façon exploratoire, un système efficace de culture in vitro.
On peut en effet cultiver des cellules prélevées sur un bourgeon, les modifier par recherches
en culture in vitro des protoplastes, une technique utilisée en sélection.
La Sélection Assistée par Marqueurs (S.A.M)
C’est une stratégie qui améliore l’efficacité des processus de sélection
(progrès génétique par unité de temps) pour la création de variétés hautement performante
Par l’utilisation des marqueurs moléculaires, qui permettent l’étiquetage de régions
chromosomiques favorables à l’expression de caractères d’intérêt,
la sélection assistée par marqueurs rend possible la construction des meilleures combinaisons
de gènes.
Deux étapes principales :

_ Identification des régions d’ADN impliquées dans l’expression des caractères complexes
(rendement, précocité de maturation) : analyse des corrélations marqueurs-caractères.
_ Recombinaison des individus les plus complémentaires pour l’accumulation de ces régions
favorables
Les conversions assistées par marqueurs
Certains caractères monogéniques présentent un intérêt majeur pour l’amélioration des
variétés et leur réussite commerciale sur le marché résistance à des maladies, qualité d’huile,
transgénèse (ex : Maïs Bt).Une fois identifiés, ces gènes portés par une plante appelée
donneuse, peuvent être transmis par croisement à toute autre plante receveuse.
Dans un deuxième temps, une succession de rétrocroisements (Back cross) avec le parent
receveur est réalisée afin d’éliminer les portions d’ADN provenant du donneur à l’exception
du gène d’intérêt. L’efficacité de ce processus est améliorée par l’utilisation de marqueurs
moléculaires bien répartis sur le génome (marqueurs cartographiés).
Notion de totipotence
Toute cellule végétale, quelle que soit le degré de sa spécialisation, tant qu'elle est vivante et
possède un noyau est capable de donner une plante entière. La totipotence cellulaire chez les
végétaux est donc la capacité des cellules végétales somatiques (spécialisées) à se différencier
(revenir à l'état méristématique) et se différencier de nouveau pour
reconstituer une plante entière. Ce phénomène n'existe pas chez les cellules animales. Ces
dernières peuvent être cultivées indéfiniment in vitro, mais sans jamais reconstituer un animal
entier

Inconvenients   pour une espece annuel Temps Lourdeur de gestion Aleatoire

          Comparison techniques classique et biotechnologies