Une approche de biologie intégrative pour améliorer le peuplier en vue de sa valorisation en bio-raffinerie grâce à une meilleure compréhension de l'architecture génétique de la production et de la qualité de la biomasse lignocellulosique – SYBIOPOP

Une approche de biologie intégrative est mise en œuvre afin de combiner des informations génomique, transcriptomique et phénotypique dans une large collection d'individus issus de populations naturelles de peuplier noir couvrant l'aire de répartition de l'espèce en Europe de l'Ouest. Plus spécifiquement, les données génomiques et transcriptomiques sont conjointement produites par séquençage d'ARN de jeune xylème et cambium. En ce qui concerne les données phénotypiques, elles s'appuient d'une part sur des mesures de croissance pour la quantité de biomasse produite et d'autre part sur de la spectrométrie dans le proche infrarouge pour les caractères de qualité.

Les premiers séquençages d'ARN effectués dans le cadre d'une expérimentation pilote sur un sous-échantillon de 24 arbres correspondant à 12 génotypes originaires de 6 populations ont permis d'identifier des groupes de gènes dont l'expression est corrélée à la production et/ou à la qualité de la biomasse chez le peuplier noir. Ces groupes de gènes sont enrichis en gènes candidats pour les voies de biosynthèse sous-jacentes mais inclus aussi de nouveaux candidats dont la fonction biologique reste à élucider. Afin de valider cette approche, des analyses d'expression ont été effectuées sur un échantillon indépendant pour quelques gènes candidats. Les résultats confirment les corrélations entre expression des gènes et phénotypes précédemment identifiées par séquençage, démontrant le potentiel de l'approche mise en œuvre dans le projet Sybiopop.
L'analyse bioinformatique des séquences de l'expérimentation pilote a permis de détecter et de génotyper avec succès plus de 200 000 SNP chez les 12 génotypes. Ces polymorphismes sont distribués sur l'ensemble du génome du peuplier noir.

Les premiers résultats du projet sur une expérimentation pilote sont très prometteurs malgré un effectif limité (24 arbres correspondant à 12 génotypes originaires de 6 populations naturelles). Cette expérimentation a d'ores et déjà été étendue à nombre plus important d'arbres (480 arbres correspondant à 240 génotypes originaires de 10 populations naturelles) et devrait ainsi produire un jeu de données de qualité en vue d'identifier les mécanismes moléculaires qui contrôle la variabilité génétique pour la production de biomasse et ainsi fournir des outil pour l'amélioration du peuplier en vue d'une valorisation de sa biomasse en bio-raffinerie.

- Plomion C et al. (2016) Forest tree genomics: 10 achievements from the past 10 years and future prospects. Annals of Forest Science 73: 77-103.
- Segura V et al. (2015) A systems biology approach for identifying candidate genes involved in the natural variability of biomass yield and chemical properties in black poplar. Presented at first INUPRAG Meeting, Nancy, FRA (2015-10-06 ; 2015-10-08).
- Segura V et al. (2016) A systems biology approach for identifying candidate genes involved in the natural variability of biomass yield and chemical properties in black poplar. Presented at IUFRO Genomics and Forest Tree Genetics, Arcachon, FRA (2016-05-30 ; 2016-06-03).
- Gebreselassie MN et al. (2016) Development of Near-infrared (NIR) spectroscopy calibrations for the genetic analysis of wood properties in natural populations of Populus nigra. Presented at IUFRO Genomics and Forest Tree Genetics, Arcachon, FRA (2016-05-30 ; 2016-06-03).
- Rogier O et al. (2016) Nucleotide diversity of Populus nigra transcriptomes. Presented at IUFRO Genomics and Forest Tree Genetics, Arcachon, FRA (2016-05-30 ; 2016-06-03).

La biomasse lignocellulosique issue des taillis de courte rotation de peuplier est une ressource renouvelable d’intérêt pour la production de biocarburants de deuxième génération. Cependant, les variétés de peuplier actuellement disponibles ne sont pas issues d’une sélection selon ce critère et, afin d’optimiser l’ensemble du processus de conversion de la biomasse en sucres simples et fermentescibles (saccharification), les facteurs affectant la production de biomasse et ses propriétés chimiques nécessitent une étude approfondie. Au cours des dernières décennies, des efforts concernant les espèces ripariennes de peuplier ont été consacrés à l’évaluation de la variabilité génétique des caractères cibles pour une utilisation sous forme de bioénergie. En autre, plusieurs régions génomiques sous-jacentes à cette variabilité génétique (Quantitative Trait Loci – QTL) ont été cartographiées avec succès. Cependant, les intervalles de confiance associés à ces QTLs étaient trop larges, étant donné que la base de ces études était des croisements biparentaux, ce qui limite sérieusement leur utilisation pour la sélection assistée par marqueurs. Pour surmonter ces limitations, la génétique d’association –la détection des QTLs dans des populations complexes- représente une alternative évidente pour les espèces forestières, car elles présentent généralement une réduction rapide du déséquilibre de liaison (LD) avec la distance génomique. Récemment, les deux premières études de génétique d’association chez les espèces ripariennes de peuplier ont été effectuées pour des caractères de qualité de biomasse. Cependant, ces deux études ont permis de détecter un nombre relativement réduit d’associations significatives, dont la majorité explique une proportion réduite de la variation phénotypique. Plusieurs hypothèses peuvent expliquer ces résultats décevants, comme le manque d’exhaustivité dans l’échantillonnage de la diversité génétique et des polymorphismes existants, et l’existence de déterminismes sous-jacents complexes. Ce dernier point pourrait comporter des interactions gène – environnement et gène – gène, mais aussi des variants rares, circonstances qui n'ont pas été explicitement considérées dans ces deux premières études. On s'attaquant à ces obstacles, le projet proposé vise à mieux comprendre l’architecture génétique de la production de biomasse et de sa qualité comme caractères cibles pour une valorisation bioénergétique. Plus particulièrement, une approche de biologie intégrative incluant polymorphismes, donnés expressionnelles et phénotypes est proposée pour l’étude de populations naturelles de peuplier noir (Populus nigra) couvrant l’aire de distribution de l’espèce en Europe occidentale. En plus des connaissances fondamentales apportées sur les facteurs qui contrôlent la construction de la paroi cellulaire et ceux liés à la production de biomasse, le projet proposé ici aura comme objectif l’évaluation de la faisabilité de la prédiction du phénotype en partant de multiples sources d’information et qui pourraient intéresser les programmes d’amélioration génétique de l’espèce.