L’élucidation de la stérilité mâle cytoplasmique

Georges Pelletier était le premier "laurier d'excellence de la recherche agronomique" de l’Inra en 2006. S'il devait désigner ses travaux les plus marquants, il commencerait par parler de la stérilité mâle cytoplasmique : "c’est un travail qui s’est échelonné sur plus de quinze ans, dans les années 80, semé d’embûches techniques. Mais quand on compare les idées de départ et celles que nous avons aujourd’hui, on a le sentiment d’une réelle progression dans la compréhension."

Protoplastes de tabac. © Inra, PELLETIER Georges
Par Pascale Mollier
Mis à jour le 15/04/2016
Publié le 08/06/2006

Obtenir des hybrides grâce à la stérilité mâle cytoplasmique

Au départ de ce travail se pose une question concrète : comment obtenir facilement des hybrides chez des plantes qui s’autofécondent ? - les hybrides sont issus de croisements entre des parents assez éloignés génétiquement et permettent une amélioration de la productivité – Un procédé classique consiste à utiliser des plantes "mâle stériles", dans lesquelles les étamines ne produisent pas de pollen viable, empêchant l’autofécondation. Ces individus mâle stériles n’apparaissent spontanément que chez certaines espèces de plantes, maïs ou radis par exemple. Ils proviennent plus souvent de l’association du cytoplasme d’une espèce avec le génome nucléaire d’une autre, suffisamment apparentée pour que cette association soit réalisable à partir de croisements sexués. Ils transmettent le caractère de stérilité mâle par leur cytoplasme cellulaire, qui, lors de la fécondation, provient, le plus souvent chez les plantes, comme chez les animaux, du gamète femelle.

Le caractère de stérilité mâle se trouve dans les mitochondries

À ce stade, Georges Pelletier initie des travaux pour comprendre dans quel compartiment du cytoplasme se trouve le caractère de stérilité. Celui-ci peut se trouver dans le génome des chloroplastes, dans le génome des mitochondries, ou être apporté par un virus, comme une maladie. Dans cet objectif, Georges Pelletier a l’idée de réaliser un croisement in vitro dans lequel les deux partenaires apportent leur cytoplasme. C’est possible chez les plantes en fusionnant des protoplastes, cellules dépourvues de paroi végétale et capables de régénérer des plantes entières. En fusionnant un protoplaste de tabac normal et un protoplaste de tabac mâle stérile, il obtient des plantes avec une morphologie intermédiaire : les fleurs sont anormales mais pas aussi atrophiées que chez le parent mâle stérile. Il y a donc eu un apport du cytoplasme normal qui s’est combiné avec le cytoplasme mâle stérile. Georges Pelletier et coll. ont montré que chez ces individus, seules les mitochondries ont subi un remaniement génétique. C’est donc dans le génome des mitochondries que se trouve le caractère de stérilité mâle cytoplasmique, résultat publié dans la revue Nature en 1979.

Des colzas mâle stériles

Georges Pelletier décide alors de démontrer la généralité de ce phénomène en réalisant les mêmes expériences chez une autre espèce. Il choisit le colza, pour lequel les sélectionneurs manquent de plantes mâle stériles efficaces. Les plantes alors disponibles, des colzas ayant un cytoplasme de radis mâle stérile, sont déficientes en chlorophylle car leur chloroplastes se développent mal. De plus, elles ont des fleurs tellement atrophiées qu’elles ne produisent pas de nectar et n’attirent pas les pollinisateurs. En effet, le génome de colza ne fonctionne pas bien avec le cytoplasme du radis. Georges Pelletier et son équipe. réalisent des fusions de protoplastes entre un colza à cytoplasme de radis et un colza normal. Comme pour le tabac, il obtient des plantes à la morphologie intermédiaire qui ont récupéré des chloroplastes fonctionnels et dont les fleurs sont nectarifères. Ces plantes ont conduit aux géniteurs de très nombreuses variétés de chou et de colza actuellement cultivées dans le monde.

Le gène de stérilité mâle identifié

À partir de ces plantes, un autre pas décisif va être franchi. Leur génome mitochondrial est une combinaison des génomes mitochondriaux de colza et de radis. Georges Pelletier élimine peu à peu la partie "radis", tout en conservant le caractère mâle stérile, par des fusions répétées avec des protoplastes de colza. Il découvre alors une plante instable, dont certaines fleurs sont mâle stériles et d’autres sont normales. Il compare les génomes mitochondriaux de ces deux fleurs et montre qu’ils ne différent que par un seul gène, inconnu jusqu’alors, identifiant ainsi, en première mondiale, le support moléculaire de la stérilité mâle cytoplasmique chez ces espèces.

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Biologie et amélioration des plantes
Centre(s) associé(s) :
Versailles-Grignon

Références

- Localisation du caractère de stérilité mâle cytoplasmique dans la mitochondrie :
Belliard G, Vedele F, Pelletier G. 1979. Mitochondrial recombination in cytoplasmic hybrids of Nicotiana by protoplast fusion. Nature 281, 401-403

- Obtention de colzas mâle stériles :
Pelletier G, Primard C, Vedele F, Chetrit P, Remy R, Rousselle P, Renard M.1983. Intergeneric cytoplasmic hybridization in Cruciferae by protoplast fusion. Mol Gen Genet. 191, 244-250

- Gène de la stérilité mâle cytoplasmique :
Bonhomme S., Budar F., Lancelin D., Small I., Defrance M-C., Pelletier G. 1992. Sequence and transcript analysis of the Nco2.5 Ogura-specific fragment correlated with cytoplasmic male sterility in Brassica cybrids. Mol Gen Genet. Nov 235 , 340-348