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La génétique au service de l’amélioration du colza
Genetics at the service of rapeseed breeding
Paris, France
August 31, 2006

Spécial « Innov-Agri » du 5 au 7 septembre 2006

En 1994, l’INRA et Serasem(1) inscrivent au catalogue officiel français la première variété de colza hybride, Synergy. Cet hybride est la première application d’une quinzaine d’années de recherche pour mettre au point un système génétique d’obtention des hybrides. Les scientifiques de l’INRA ont réalisé récemment des avancées déterminantes pour perfectionner ce système, qui devrait permettre à l’avenir d’explorer complètement les potentialités des hybrides.

L’huile de colza est l’huile alimentaire la plus riche en acides gras essentiels (à la fois familles des oméga 3 et des oméga 6), dont l’intérêt nutritionnel est reconnu. L’extraction de l’huile fournit simultanément un sous-produit riche en protéines, le tourteau, utilisé en alimentation animale.
L’INRA a engagé dès sa création, en 1946, les premiers travaux français de génétique et de sélection sur le colza et a ainsi largement contribué à son développement. Quasiment absent du paysage agricole français en 1960, le colza occupe aujourd’hui plus de 1,3 millions d’hectares. L’INRA a établi dès le départ les bases de la sélection du colza alimentaire. Actuellement, la production s’oriente vers un développement des usages non alimentaires de l’huile de colza : production de biocarburant, de lubrifiant biodégradable pour les engins mécaniques, de fluidifiant pour le pétrole dans les oléoducs…. Le développement de ces filières dépendra de leur compétitivité. Pour obtenir des variétés à haut rendement, les recherches coordonnées des scientifiques de l’INRA et des sélectionneurs se concentrent depuis quelques années sur la production d’hybrides.

Lignées, hybrides, quels intérêts respectifs ?

Les lignées et les hybrides constituent 2 types variétaux (2) obtenus différemment.
Les lignées sont des plantes homozygotes : les 2 lots de chromosomes parentaux qui constituent leur génome possèdent des gènes identiques. Ces plantes engendrent elles-même par autofécondation des descendants homozygotes identiques.

Au contraire, les hybrides sont issus de croisements entre des parents assez éloignés génétiquement et possèdent par conséquent 2 lots de chromosomes ayant des gènes différents. Les hybrides sont plus difficiles à obtenir que les lignées car le colza est une plante qui s’autoféconde naturellement. Par contre, ils possèdent une propriété particulière connue sous le nom de « vigueur hybride ».
Les hybrides de colza représentent actuellement en France 30% du marché des semences certifiées, la plus grande partie de ce marché (70%) étant issue des lignées. En Allemagne au contraire, les hybrides représentent plus de 60% des semences utilisées. Il semble qu’en France, les avantages offerts par les hybrides ne compensaient pas jusqu’à présent les contraintes rencontrées  pour les obtenir. Mais cette situation pourrait changer prochainement grâce aux progrès conjoints des chercheurs et des sélectionneurs. En effet, les hybrides mis sur le marché depuis 2004-2005 possèdent des rendements de plus en plus compétitifs par rapport aux lignées.
Les scientifiques de l’INRA ont réalisé d’année en année des avancées majeures dans le perfectionnement progressif du système génétique permettant de produire les hybrides.

Le système génétique d’obtention des hybrides : une succession d’obstacles à surmonter

La première difficulté pour obtenir, à l’échelle industrielle, un croisement entre des variétés de colza différentes est d’éviter l’autofécondation. Dans ce but, les chercheurs de l’INRA ont développé dans les années 90 des lignées mâle stériles, dépourvues de pollen donc « obligées » de se croiser avec une autre lignée.
Pour y parvenir, ils ont décortiqué le mécanisme d’une stérilité mâle particulière existant naturellement chez certaines plantes de radis sauvage. Le gène responsable de cette stérilité est contenu dans le cytoplasme, et non dans le noyau des cellules, d’où son nom de stérilité mâle cytoplasmique (SMC). Les chercheurs ont d’abord obtenu, par croisement interspécifique entre un colza et un radis, des colzas mâles stériles possédant un génome de colza et un cytoplasme de radis. Mais le génome du colza ne fonctionne pas bien avec le cytoplasme de radis, si bien que ces plantes possédaient des anomalies (déficience en chlorophylle, fleurs sans nectar n’attirant pas les pollinisateurs). Les chercheurs de l’INRA, sous la direction de Georges Pelletier, ont alors eu l’idée de « rajouter » du cytoplasme de colza. C’est possible chez les plantes en utilisant la fusion de protoplastes (3). Les chercheurs de l’INRA ont obtenu ainsi des colzas ayant des chromosomes de colza et un cytoplasme mixte colza/radis contenant le gène originaire du radis conférant la stérilité mâle. Ce type de colza est à la base de la majorité des hybrides actuels cultivés en France  et d’un des brevets les plus exploités de l’INRA (brevet Ogu-INRA, WO9205251, 1990).

La deuxième difficulté à surmonter est d’obtenir des graines à partir de l’hybride car ce sont les graines qui fournissent de l’huile. En effet, l’hybride est lui-même au départ mâle stérile, puisqu’il contient dans son cytoplasme le gène de SMC. Il ne peut donc pas s’autoféconder et donner des graines. Les chercheurs de l’INRA, sous la direction de Michel Renard, ont résolu cette difficulté,  en créant par croisement une lignée de colza dite « restauratrice » contenant un gène nucléaire de radis qui annule l’effet du gène de SMC et restaure la fertilité. L’obtention d’une lignée restauratrice de fertilité possédant des qualités agronomiques telle qu’une teneur en glucosinolates réduite, a fait l’objet d’un dépôt de brevet (brevet R2000, EP03291677.7, 2003)
Pour obtenir un hybride fertile, il faut donc croiser une lignée maternelle mâle stérile (colza ayant dans son cytoplasme le gène de radis de la SMC) et une lignée paternelle restauratrice (colza fournissant le pollen, et ayant dans son génome le gène restaurateur de radis). On obtient ainsi un hybride fertile, dit « restauré ».

Un progrès majeur a été récemment accompli en identifiant le gène de restauration, ce qui permet maintenant de sélectionner à l’aide de marqueurs moléculaires les lignées restauratrices contenant ce gène.
Cette technologie est à la disposition des semenciers qui le désirent et devrait permettre un fort développement de la sélection d’hybrides de colza dans les 5 à 10 ans à venir.

(1) SERASEM est un G.I.E. de recherche et de sélection végétales.

(2) Variétés, lignées, hybrides : une variété est définie par ses propriétés agronomiques et technologiques originales et par sa structure génétique. Elle peut être en particulier une lignée, ou  un hybride.

(3) Fusion de protoplastes : les protoplastes, cellules végétales dépourvues de paroi, peuvent fusionner et régénérer une plante entière. Ici, il s’agit de fusionner un protoplaste de colza mâle stérile (à cytoplasme de radis) et un protoplaste de colza normal (à cytoplasme de colza).


Genetics at the service of rapeseed breeding
Special Edition for "Innov-Agri": September 5-7, 2006

In 1994, INRA and Serasem (1) registered the first hybrid rapeseed variety, Synergy, in the official French catalogue. This hybrid was the first application resulting from fifteen years of research on a genetic system to breed hybrids. INRA scientists have recently achieved crucial advances in perfecting this system, which should in the future enable complete exploration of the potential of hybrids.

Rapeseed oil is the edible oil which contains the highest levels of essential fatty acids (from the families of both omega 3 and omega 6) with acknowledged nutritional value.   Its extraction also supplies a protein-rich by-product, oilseed cake, which is used for animal feed.
As soon as it was set up on 1946, INRA initiated the first French studies on the genetics and breeding of rapeseed and thus made a major contribution to its development.  Almost absent from the French farming landscape in 1960, rapeseed crops now cover more than 1.3 million hectares.  From the start, INRA established the foundations for the breeding of edible rapeseed.  At present, research is turning towards the development of non-food uses for rapeseed oil: the production of biofuels, biodegradable machine oil, thinners for use in oil pipelines, etc.  Development of these sectors will depend on their competitiveness.  To breed high-yield varieties, research coordinated by INRA scientists and breeders has focused in recent years on the production of hybrids.

Lines, hybrids: what is their respective importance?

Lines and hybrids constitute two types of variety (2) which are obtained differently.
Lines are homozygous plants: both groups of parental chromosomes making up their genome are endowed with identical genes.  These plants engender in turn (by self-fertilisation) identical homozygous progeny.
By contrast, hybrids are obtained by crossing parents that are relatively distant genetically and are thus endowed with two groups of chromosomes with different genes.  Hybrids are more difficult to breed than lines because rapeseed is a plant which naturally self-fertilises.  On the other hand, they possess the particular known trait called "hybrid vigour".  
At present in France, rapeseed hybrids make up 30% of the market of certified seed, the other 70% arising from lines.  By contrast, in Germany, hybrids account for more than 60% of the seed used.  It appears that in France, the advantages offered by hybrids did not until now compensate for the problems encountered in breeding them.  However, this situation could change in the near future thanks to the advances achieved by researchers and breeders.  Indeed, the hybrids put on the market since 2004-2005 exhibit increasingly competitive yields when compared with lines.
Every year, INRA scientists have achieved major advances in gradually perfecting the genetic system which enables the production of hybrids.

The genetic system for hybrid breeding: a succession of obstacles to be overcome

The first obstacle to breeding a cross of different rapeseed varieties at an industrial scale is to prevent self-fertilisation.  With this in mind, during the 1990s INRA researchers developed sterile male lines, devoid of pollen, which were thus "forced" to cross with another line.

To achieve this, they explored the mechanism underlying a particular type of male sterility which exists naturally in some wild radish plants.  The gene responsible for this sterility is found in the cytoplasm and not the nucleus of cells, hence its name: cytoplasmic male sterility (CMS).   Through inter-species crossings between  rapeseed and a radish, the researchers bred sterile male rapeseed endowed with a genome of rapeseed and a cytoplasm of radish.  However, the rapeseed genome did not function satisfactorily with the radish cytoplasm, so that these plants displayed abnormalities (chlorophyll deficiency, flowers without nectar which did not attract pollinators).  INRA researchers, under the leadership of Georges Pelletier, then had the idea of "adding" a rapeseed cytoplasm.  This was made possible in plants by applying protoplast fusion (3).  The researchers thus obtained rapeseed with rapeseed chromosomes and a mixed rapeseed/radish cytoplasm containing the original radish gene providing male sterility.  This type of rapeseed forms the basis for the majority of the hybrids cultivated in France at present, and constitutes one of the most widely exploited INRA patents (Ogu-INRA patent, WO9205251, 1990).

The second obstacle was to obtain grains from the hybrid, as it is the grains which provide oil.  Indeed, the hybrid is itself a sterile male, because it contains the CMS gene in its cytoplasm.  It cannot therefore self-fertilise and produce grains.  INRA researchers, led by Michel Renard, resolved this problem by creating (by crossing) a so-called "restorer" rapeseed line containing a nuclear radish gene which cancels out the effect of the CMS genes and restores fertility.  Breeding of a fertility restorer line endowed with agronomic qualities such as a low glucosinolate content, was the subject of a patent application (patent R2000, EP03291677.7, 2003).

To obtain a fertile hybrid, it is therefore necessary to cross a sterile male maternal line (rapeseed containing the radish CMS gene in its cytoplasm) and a restorer male line (rapeseed providing pollen, and containing the radish restorer gene in its genome).  A fertile, "restored" hybrid is thus obtained.
A major advance achieved recently was identification of the restorer gene, which will now make it possible to breed restorer lines containing this gene through the use of molecular markers.
This technology is available to seed producers who wish to use it and should enable considerable development in the breeding of rapeseed hybrids over the next 5 to 10 years.

(1) SERASEM is an Economic Interest Group for plant research and breeding.

(2) Varieties, lines, hybrids: a variety is defined by its novel agronomic and technological properties and its genetic structure.  It may be a line or a hybrid.

(3) Protoplast fusion: protoplasts, which are plant cells devoid of a wall, can fusion and regenerate an entire plant.  In this case, the aim was to fusion a sterile male rapeseed protoplast (with a radish cytoplasm) and a normal rapeseed protoplast (with a rapeseed cytoplasm).
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