PARTIE 4 - LES ENJEUX PLANETAIRES CONTEMPORAINS : LA PLANTE DOMESTIQUEE

CHAPITRE 11 - LA PLANTE DOMESTIQUEE: EXEMPLE DU MAÏS

Au cours des siècles, l’homme a sélectionné chez les plantes sauvages des caractéristiques génétiques qui lui étaient favorables, créant ainsi une forme de biodiversité propres aux plantes cultivées. Des techniques basées sur la génétique et sur leur physiologie permettent aujourd’hui encore d’améliorer les plantes cultivées.

Problématique : Comment une plante sauvage peut-elle être domestiquée par l’homme?

Comment l’homme a-r-il produit le maïs cultivé que nous connaissons actuellement?

LES DECOUVERTES ARCHEOLOGIQUES

Au début du XXe siècle, un botaniste, le Russe Nicolaï Ivanovich Vavilov, parcourt le monde à la recherche de plantes cultivables utiles. Au cours de ses voyages, il comprend que la zone d'origine d'une plante est probablement celle où poussent le plus grand nombre de variétés de celle-ci. En suivant ce raisonnement, il situe en particulier l'origine du maïs en Mésoamérique (du Mexique au Costa-Rica). Après Vavilov, plusieurs botanistes américains s'intéressent à l'origine du maïs, et certains émettent l'hypothèse que son ancêtre sauvage est la Téosinte, une plante fourragère qui pousse notamment au Mexique et au Guatemala.

Dans les années 2000, Dolores Piperno et Kent Flannery identifient des échantillons fossiles de Maïs dont les caractéristiques sont assez variables. Ces échantillons sont datés de -6000 à - 4250 ans. Leurs caractéristiques montrent que l’homme a participé à la modification de ces plantes en recherchant les variétés présentant les épis les plus grands et les plus fournis.


A gauche, la photographie montre 3 échantillons sous différents angles. L’échantillon a est plus ancien que b, lui-même plus ancien que c. A droite, une carte présentant l’emplacement du site.

COMPARAISON MAÏS TEOSINTE

Données morphoanatomiques sur le maïs

Données morphoanatomiques sur la téosinte

Video mais et téosinte

LES CARACTERISTIQUES GENETIQUES A L'ORIGINE DE LA DOMESTICATION

Un nombre réduit de gènes majeurs sont impliqués dans la domestication

Les différences dans la morphologie de la plante, dans celle des inflorescences femelles et des semences entre le maïs cultivé et la téosinte sont très nettes, ce qui a fait supposer que le passage d’une forme à l’autre au cours de la domestication a fait intervenir des mutations de nombreux gènes. Au début des années 70, Beadle a testé cette idée en exploitant le fait que les hybrides entre maïs et téosinte sont fertiles ; il a examiné 50000 plantes F2 résultant d’un croisement entre hybrides. Il a constaté que la fréquence de réapparition de maïs et de téosinte de type parental chez ces plantes de seconde génération était approximativement de 1 pour 500. Il a confronté ces résultats avec des prévisions théoriques. En admettant que les maïs et les téosintes sont de lignée pure pour les caractères envisagés et que les gènes en jeu sont situés sur des chromosomes différents, il a pu déterminer le nombre de gènes pouvant expliquer le passage de la téosinte au maïs. Comment a-t-il fait ? Combien de gènes pourraient être impliqués ? Durant les 20 dernières années, les spécialistes, notamment l’équipe de Doebley, ont recherché la nature des innovations génétiques en cause, confirmant l’idée que des mutations affectant un petit nombre de gènes étaient à l’origine des caractères de la domestication. Ce sont ces recherches qui peuvent servir de support pour l’étude d’un exemple sur la diversification des êtres vivants.

Maîs mutant

Un plant de téosinte sans cupule

Les semences de téosinte sont entièrement enfermées dans une cupule dure alors que les grains des maïs cultivés sont nus. Le passage d’un type de semence à l’autre a été une étape critique dans le processus de domestication, en donnant un accès direct à la semence sans avoir à briser la coque. A la suite de croisements entre téosinte et maïs (obtention d’hybrides croisés avec des téosintes, pendant trois générations), les chercheurs ont réussi à obtenir des pieds de téosinte qui présentent des fruits sans cupule. Il s’agit d’un des caractères qui a été sélectionné lors de la domestication. En effet, l’absence de cupule rend le fruit moins dur et plus facile à moudre. Les analyses génétiques montrent que ce caractère est déterminé par un seul gène. La cartographie génétique a permis d’identifier que ce gène est TGA1.

Les figures montrent : a : un épi de maïs ; b : un épi de téosinte ; c : un épi dun pied de téosinte ayant le gène Tga1 de maïs ; d : un gros plan sur une semence de téosinte ; e : un gros plan sur une semence d’un pied de téosinte ayant le gène Tga1 de maïs. Ces photos sont extraites de l’article : Wang, H., T. Nussbaum-Wagler, B. Li, Q. Zhao, Y. Vigouroux, M. Faller, K. Bomblies, L. Lukens, and J. Doebley. 2005. The origin of the naked grains of maize. Nature 436: 714-719.

Le gène TGA1

le gène Tga1, présent chez la téosinte et le maïs est responsable de l’architecture des enveloppes du grain. Chacune de ces plantes présente un allèle différent de ce gène à l’état homozygote : l’allèle tga1 est présent en double exemplaire chez la téosinte alors que le maïs possède l’allèle Tga1 en double exemplaire. L’allèle Tga1 induit une taille plus faible de glume et s’avère moins favorable que tga1 en milieu naturel car moins protecteur des grains contre les parasites. Des expériences de croisement de téosinte présentant une mutation de l’allèle tga1 (produisant une séquence nucléotidique proche de celle de l’allèle Tga1) avec des maïs actuels donnent naissance à des formes d’épis intermédiaires se rapprochant de ceux datant de 5300 ans découverts au Mexique.

AMELIORATION DES PLANTES

Amélioration des plantes par la sélection massale

Amélioration des plantes par la sélection généalogique : l’obtention de lignée

Dès la fin du 19èmesiècle, l’hybridation et la sélection généalogique permettent d’obtenir de nouvelles variétés qui sont des lignées pures (voir document p264 TS – BORDAS). Chez le maïs, plante allogame, ces techniques ne sont pas performantes car les lignées pures sont peu productives (effet dépressif de la consanguinité). Durant la première moitié du 20èmesiècle se développe, aux USA, la création de variétés hybrides F1, une technique qui se répandra en France à partir des années 1950. Actuellement, les maïs cultivés sont dans leur grande majorité des hybrides.
L’obtention des hybrides F1 repose sur les principes suivants (voir document p265 TS – BORDAS) :
- Création de lignées pures qui servent de parents aux futurs hybrides par autofécondations successives, pour fixer les caractères d’intérêt (au départ, on sélectionne des plantes des "variétés populations" ayant des caractères intéressants) ; à cause de la consanguinité, les individus de ces lignées pures sont peu vigoureux.
- Croisement entre lignées pures aux propriétés complémentaires de façon à obtenir des hybrides F1, puis sélection des hybrides F1 les plus intéressants parmi ceux obtenus.
Les hybrides F1 bénéficient de ce qu’on appelle la vigueur hybride : croissance plus importante, épis plus gros à grains plus nombreux tout en combinant les caractères recherchés des deux lignées (du moins les caractères dominants). Le sélectionneur recherche parmi les lignées parentales celles qui donnent les meilleurs hybrides lorsqu’elles sont croisées. Les hybrides F1 ont le même génotype et constituent donc une variété homogène.