Recherches en g

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Recherches en génomique forestière et en
protection des arbres contre les maladies et les
insectes ravageurs

• Louis Bernier

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Axe 1 Génétique, biologie moléculaire et
physiologie

• Volet 1.1- Étude des génomes et transcriptomes
• (Bernier, Bousquet, Mackay, Tremblay)
• Volet 1.2- Physiologie et biologie moléculaire
  des arbres, plantes forestières et symbioses
  (Berninger, Desrochers, Khasa, Laliberté,
  Lapointe, Lechowicz, Margolis, Messier, Piché,
  Shipley, Tremblay)
• Volet 1.3- Micropropagation et embryogenèse
  somatique
• (Laliberté, Lapointe, Tremblay)
• Volet 1.4- Flux géniques et structures de
  populations des arbres, végétaux et leurs agents
  pathogènes et symbiotiques
• (Bernier, Bousquet, Dayanandan, Green, Khasa,
  Mackay, Piché)
• Volet 1.5- Moyens de lutte biologique contre les
  pathogènes et insectes ravageurs (Bauce, Bernier,
  Mauffette)

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Volet 1.1
Étude des génomes et transcriptomes
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Arborea La génomique pour la sélection de
variétés chez les épinettes (Genomics for
molecular breeding in spruces)
Institutions participantes
Répartition de l'équipe(plus de 50 personnes!)
Institutions Participants Université
Laval Co-dir J. Bousquet, J. MacKay P.
Rigault, N. Gélinas, R. Beauregard Gestionnaire
de projets P. Poulin Service canadien des forêts
(RNCan) N. Isabel, A. Séguin, J.
Beaulieu Agriculture et Agroalimentaire Canada
A. Bertrand, Y. Castonguay Min. des Ressources
Naturelles M. Perron et de la Faune
(Québec) University of Alberta J.
Cooke PAPRICAN L. Wallbacks University of
Georgia J. Dean
Projet financé par
Près de 15 de léquipe est située en Alberta!
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Objectifs du projet Arborea

• Mettre en évidence le contrôle génétique
  sous-jacent à laoûtement des bourgeons
  (indicateur de ladaptation et de la croissance)
  et aux caractéristiques du bois
• Intégrer différentes approches expérimentales de
  la génomique pour établir des liens entre les
  gènes (génotypes) et ces caractères complexes

• Connaissance du génome
• Inventaire des gènes actifs chez lépinette plus
  de 15,000 identifiés
• Répertoire des variations dans lADN des gènes
  des milliers de gènes ciblés
• Caractérisations fonctionnelles gènes
  régulateurs, protéines de réserve, métabolisme de
  larginine
• Ressources et méthodes développées pour lanalyse
  des épinettes
• Biopuces à ADN profils de lexpression, environ
  10, 000 gènes à la fois
• Méthodes pour déterminer le génotype sur des
  centaines de gènes en parallèle
• Base de données des gènes, leur fonction et
  variations www.ForestTreeDB.org ( avec U. of
  Minnesota)
• Laoûtement des bourgeons Génotype vs phénotype
• Approches expérimentales Étude dassociation (
  population darbres non-apparentées) et
  cartographie génétique (familles obtenues de
  croisements). Jeunes arbres répliqués.
• Comparaison de conditions naturelles et
  artificielles
• Analyse fine de la morphologie, du métabolisme et
  expression des gènes pendant laoutement
• Caractéristiques du bois - Génotype vs phénotype
• Approches expérimentales Étude dassociation.
  Test de descendances de 200 familles sur 3 sites.
  
• Densité et rigidité du bois, angle des
  microfibrils de la cellulose, contenu en lignine,
  celllulose, composés extractibles

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Aoûtement des bourgeons
Photopériode naturelle
Changements brusques de la photopériode
(1) Sous serres Valcartier, Quebec
(1) Outdoor Valcartier, Quebec
(3) Chambre de croissance U. Alberta, Edmonton
(2) Chambre de croissance AAFC, Québec
Études dassociation et cartographie de QTL,
génotypage
Expression génique, Biopuces
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Arborea II La génomique pour la sélection de
variétés chez les épinettes(Genomics for
molecular breeding in spruces)Découverte de
marqueurs de gènes indicatifs de ladaptation de
la productivité à partir dapproches intégrant la
génomique fonctionnelle et associative
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Volet 1.4
Flux géniques et structures de populations
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N. Isabel, P. Meirmans, M. Lamothe, P. Talbot,
G. Guigou, P. Périnet, D. Khasa, J. Bousquet
Vers une meilleure évaluation des risques
environnementaux liés à la dispersion de nouveaux
gènes dans lenvironnement
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• Inquiétudes soulevées par le manque de données
  sur les impacts environnementaux potentiels
  suivant le déploiement despèces exotiques ou
  dOGMs.

• Chez les arbres risque de contamination
  génomique des espèces indigènes par les espèces
  exotiques ou les gènes introduits via le flux
  génique par le pollen.

• Déterminer une alternative pour mesurer le flux
  génique potentiel entre les AGMs et les espèces
  indigènes, sans le recours aux plantations dAGMs
  sexuellement matures.

• Estimer le flux génique depuis les plantations
  matures despèces exotiques vers les espèces
  voisines indigènes situées en périphérie, à
  laide de marqueurs moléculaires.

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• Les taux dintrogression observés diffèrent
  dépendamment de lespèce "receveuse" et entre les
  sites. Par contre, ils sont peu variables dans le
  temps. Les sites forestiers sont faiblement
  affectés les arbres isolés en paysage agricole
  plus affectés.
• Quand Populus balsamifera est lespèce
  "receveuse", la majorité des hybrides
  correspondent à des croisements naturels entre P.
  balsamifera et P. deltoides.
• Lampleur des taux dintrogression spontanée
  trouvés pourrait affecter à très long terme la
  constitution génétique des populations locales
  des espèces indigènes sous la condition que les
  hybrides fortuits soient plus adaptés que les
  arbres indigènes.
• Les données obtenues pour P. balsamifera et P.
  deltoides seront intégrées dans un modèle de
  prédiction.

Khasa, D.P., P. Pollefeys, A. Navarro-Quezada, P.
Périnet and J. Bousquet. 2005. Molecular Ecology
Notes 5 920-923. Hamzeh, M., P. Périnet et S.
Dayanandan. 2006. J. of the Torrey Botanical
Society 133 519-527. Meirmans, P.G., M.
Lamothe and N. Isabel, 2007.). Submitted
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J. Bousquet, J. Beaulieu, J.P. Jaramillo-Correa,
J. Godbout, S. Gerardi, B. Cinget, M.
Deslauriers, S. Senneville
Atlas phylogéographique des conifères du Canada
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• La phylogéographie sintéresse à la distribution
  géographique des lignées ancestrales au sein
  dune espèce. Ces différentes lignées sont
  engendrées par des évènements historiques majeurs
  tels les grandes glaciations du Quaternaire.
• Les connaissances sur la diversité génétique
  dordre géographique de ces espèces savèrent
  indispensables pour la conservation appropriée
  des ressources génétiques. Lobjectif du projet
  est donc de constituer un atlas phylogéographique
  des conifères à large distribution canadienne.

• Chez la plupart des conifères, lADN
  mitochondrial est transmis maternellement par les
  graines uniquement, et non par le pollen comme
  pour lADN du noyau.
• Parce que les graines sont dispersées sur de plus
  courtes distances que le pollen, les structures
  géographiques représentatives des lignées
  ancestrales sont donc plus faciles à détecter
  dans lADN mitochondrial. Doù lemphase sur la
  recherche et la découverte de polymorphismes
  spécifiques au génome mitochondrial.

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• La structure phylogéographique a été déterminée
  pour quelques conifères à vaste distribution pin
  gris, épinette noire, pin tordu dans lOuest
  canadien. Le nombre de lignées ancestrales et
  leur étendue géographique ont pu être déterminés.
  
• Ces résultats ont permis didentifier des refuges
  glaciaires distincts près des côtes et au sud.
  Linlandsis mais aussi les chaînes de montagnes
  comme les Rocheuses, les Cascades et les
  Appalaches ont permis lisolement et la
  différenciation génétique des refuges.
• Les voies de recolonisation postglaciaire et les
  zones de rencontre des fronts de migration ne
  correspondent pas toujours dune espèce à
  lautre. Ainsi, pour le pin gris, le centre du
  Québec constitue une zone de rencontre
  génétiquement hétérogène alors que pour
  lépinette noire, cest la vallée du St-Laurent
  qui constitue une telle zone.
• Dautres espèces comme lépinette blanche, le
  sapin baumier, le mélèze laricin, le pin blanc,
  la pruche et lif sont présentement considérées.
• Publications dans Molecular Ecology.

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Volet 1.5
Raffiner les moyens de lutte contre les
champignons pathogènes et les insectes ravageurs,
en utilisant des approches moléculaires et
physiologiques.
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Équipe Yves Mauffette

• Écophysiologie des essences feuillues
• détermination de l'allocation du carbone, de la
  photosynthèse, des concentrations de produits
  toxiques et nutritifs du feuillage en fonction
  d'insectes phytophages.
• Dynamique de populations d'insectes défoliateurs
  présents dans les écosystèmes forestiers et leurs
  effets sur les plantes hôtes.

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Équipe Éric Bauce

• Développement dun outil de prévention
  (sylvicole) pour accroître la résistance
• Sélection de plants à résistance naturelle
  multiple et élucidation des mécanismes
  physiologiques et biochimiques en cause
• Adaptation locale des populations de ravageurs
• Biologie hivernale des insectes forestiers dans
  un contexte de changements climatiques

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Équipe Louis Bernier

• Diversité des espèces et dynamique des
  populations de champignons pathogènes (1.4)
• Étude des interactions arbre-pathogène (1.1)
• Développement dagents de lutte biologique

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Diversité des champignons pathogènes

• Champignons ophiostomatoïdes (bleuissement)
• Espèces associées aux scolytes de lécorce (M.-È.
  Beaulieu)
• Génétique des populations (P. Gagné, C. Morin)

Affiche 5
Collaborateurs C. Breuil (UBC), RC Hamelin
(SCF), GR Stanosz (UWisc)
20
Pourquoi étudier la diversité des champignons
pathogènes ?

• Associer la bonne espèce fongique à la bonne
  maladie
• Complexes despèces apparentées pathogènes vs
  saprophytes
• indigènes vs exotiques (quarantaine)
• Évaluer le degré de variabilité génétique au sein
  des espèces
• Plasticité des espèces pathogènes
• Reproduction sexuée vs asexuée
• Espèce indigène vs exotique
• Identifier les sources de variabilité (localité,
  hôte)
• Populations panmictiques vs fragmentées biotypes
• Guider les améliorateurs dans le choix des
  isolats fongiques à utiliser lors des tests de
  résistance (par ex., PEH au Québec)

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Étude des interactions arbre-pathogène

• Chancre septorien
• Bases physiologiques et moléculaires de la
  pathogénécité chez le S. musiva (V. Jacobi)

• Maladie hollandaise de lorme (MHO)
• Pathogénomique (M. Aoun, K. Plourde, J. Dufour,
  V. Jacobi)
• Caractérisation des transposons chez les
  Ophiostoma (G. Bouvet)

Collaborateurs CM Brasier (UK), WE Hintz (UVic),
N Feau (SCF),MJ Mottet (MRNF)
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Pourquoi étudier les interactions hôte-pathogène?

• Identifier les facteurs de pathogénécité et de
  fitness
• Modulation
• Évolution
• Cibles potentielles pour lutte contre les
  pathogènes
• Identifier des gènes de résistance susceptibles
  dêtre sélectionnés ou manipulés chez lhôte
• Accélérer la sélection de matériel résistant par
  les améliorateurs

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Travaux en cours sur la MHO
Ophiostoma novo-ulmi
Mycélium
Cellules levuriformes
Hylurgopinus rufipes Scolytus multistriatus
24
Inoculation de gaules dorme
25
Identification de gènes individuels modulant la
pathogénécité chez Ophiostoma novo-ulmi
1. AST27 mutant naturel
H327
AST27 -
80
a
60
40
Pathogénécité ( défoliaison)
b
20
0
Gène Pat1
Et-Touil et al. 1999
26
Identification à grande échelle de gènes modulant
linteraction entre lorme et O. novo-ulmi
Mycélium
Cellulesdorme
Extraction des ARN messagers et analyse des gènes
exprimés 72 h après linoculation dO. novo-ulmi
Aoun et al. Données non publiées
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Gènes exprimés lors de linteraction orme - O.
novo-ulmi

• 543 Étiquettes (EST) représentant 314 gènes
  différents

61
3
479
Gènes fongiques
Gènes de plante
Orphelins
Aoun et al. Données non publiées
28
Analyse de lexpression génique
Comparaison de macroarrays (96 gènes/membrane)
1 2 3 4 5 6 7 8 9
10 11 12 nc/pc
A Expression chez cals infectés
B Expression chez cals sains
Lorme dAmérique, bien que très sensible à la
MHO, possède des gènes R qui pourraient guider
les améliorateurs
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Lutte biologique contre le bleuissement de
laubier

• Obtention dune souche de Ceratocystis resinifera
  albinos (Kasper)
• Inoculation de Kasper pour contrer souches
  sauvages pigmentées

30
Et ça fonctionne ?
31
En guise de conclusion

• La génomique, un outil puissant pour
• Étudier le génome individuel ou cribler des
  populations entières
• Établir les liens entre des gènes et des
  caractères souvent complexes
• Étudier différents types dorganismes
• Accélérer le processus damélioration génétique
  traditionnelle

• La lutte biologique en foresterie, bien plus que
  le BT !
• De nombreux microorganismes présentent un
  potentiel intéressant
• Écueils à surmonter application à grande
  échelle, homologation, commercialisation.