Recombination is a natural mechanism common to all organisms that reproduce sexually: plants, fungi or animals. The chromosome mix determines the genetic diversity of species. The plant breeding practised for the past ten thousand years, which consists in crossing two plants chosen for their complementary worthwhile characters, centres on that mechanism. For instance, to obtain a new tomato variety that is both tasty and pest- or disease-resistant, breeders cross and breed, via successive recombinations, plants that have the genes involved in taste and resistance. However, this is a lengthy process, as very few recombinations occur during reproduction. On average, there are just one to three genetic material crossover points between the chromosomes for every cross. It is therefore impossible to combine six worthwhile genes in a single generation, which is a major obstacle to crop improvement. So what is it that limits the number of recombinations?

To find out, researchers from INRA identified and studied the genes involved in controlling recombination in a model plant, Arabidopsis thaliana . They discovered that one gene, RECQ4, is particularly effective at preventing crossing-over. To the extent that inactivating it doubles to quadruples recombination frequency! What happens with crops? This is what the researchers in a consortium involving INRA and CIRAD set out to determine, by examining three agriculturally valuable species: pea, tomato and rice. And they succeeded. By "switching off" RECQ4, they trebled, on average, the number of crossovers, resulting in greater chromosome shuffling, hence increased diversity, with each generation. This will be a boon for future plant breeding operations at CIRAD and INRA.

Delphine Mieulet from CIRAD was awarded a French Academy of Agriculture silver medal for this work.

Reference

Delphine Mieulet , Gregoire Aubert, Cecile Bres, Anthony Klein, Gaëtan Droc, Emilie Vieille, Celine Rond-Coissieux, Myriam Sanchez, Marion Dalmais, Jean-Philippe Mauxion, Christophe Rothan, Emmanuel Guiderdoni and Raphael Mercier, Unleashing meiotic crossovers in crops, Nature Plants
doi: https://doi.org/10.1101/343509

 La recombinaison est un mécanisme naturel commun à tous les organismes qui pratiquent la reproduction sexuée, qu'il s'agisse des végétaux, des champignons ou des animaux. C'est ce mélange des chromosomes qui est à l'origine de la diversité génétique au sein des espèces. L'amélioration des plantes, telle qu'elle est pratiquée depuis dix mille ans, et qui consiste à croiser deux plantes choisies pour leur caractères intéressants et complémentaires afin de les réunir dans une seule, repose essentiellement sur ce mécanisme. Ainsi, pour obtenir une nouvelle variété de tomate à la fois savoureuse et résistante à un bioagresseur, on va s'efforcer de croiser et sélectionner, via les recombinaisons successives, des tomates qui possèdent les gènes impliqués dans le goût et la résistance. Mais ce processus prend beaucoup de temps, car le nombre de recombinaisons qui s'opèrent lors de la reproduction est faible. En moyenne, il ne se crée qu'un à trois points d'échanges de matériel génétique, ou crossing-over, entre les chromosomes par croisement. Pour cette raison, il est impossible par exemple, de combiner six gènes d'intérêt en une seule génération, ce qui constitue un frein important à l'amélioration des variétés. Mais qu'est-ce qui limite ce nombre d'événements de combinaisons ?

Pour le comprendre, les chercheurs de l’Inra ont identifié et étudié chez la plante modèle Arabidopsis thaliana , les gènes impliqués dans le contrôle du niveau de recombinaison. Et ils ont découvert que l'un d'eux, RECQ4, exerce une action anti crossing-over particulièrement élevée. Au point qu'en le rendant non fonctionnel, on multiplie de deux à quatre fois la fréquence des recombinaisons ! Mais qu'en est-il sur des plantes cultivées ? C'est ce qu'ont évalué les chercheurs, au sein d'un consortium associant l'Inra et le Cirad, en examinant trois espèces d'intérêt agronomique, le pois, la tomate et le riz. Et c'est un succès. En "éteignant" le gène RECQ4, ils ont multiplié en moyenne par trois le nombre de crossing-over, avec pour conséquence un brassage plus important des chromosomes et donc une augmentation de la diversité, pour chaque génération. Une aubaine pour les futurs programmes d'amélioration des plantes du Cirad et de l'Inra.

Pour ce travail, Delphine Mieulet du Cirad a reçu la médaille d'argent de l'académie de l'agriculture le 26 septembre.

 

Référence

Delphine Mieulet , Gregoire Aubert, Cecile Bres, Anthony Klein, Gaëtan Droc, Emilie Vieille, Celine Rond-Coissieux, Myriam Sanchez, Marion Dalmais, Jean-Philippe Mauxion, Christophe Rothan, Emmanuel Guiderdoni and Raphael Mercier, Unleashing meiotic crossovers in crops, Nature Plants.
doi: https://doi.org/10.1101/343509