Genetic basis of hybrid vigour (heterosis) on maize (Zea mays L.) : QTL detection in a connected design and linkage disequilibrium based on fine mapping.

La vigueur hybride -ou hétérosis- est la supériorité d'un hybride par rapport au meilleur de ses parents. Ce phénomène majeur du monde vivant est étudié depuis plus de deux siècles. Il a permis des avancées importantes en amélioration des plantes, mais malgré sa large exploitation, de nombreuses questions restent ouvertes concernant ses bases génétiques. Une cartographie fine plus systématique des régions impliquées dans l'hétérosis représente aujourd'hui un enjeu majeur pour détecter les locus en cause avec la précision nécessaire pour une prédiction efficace. L'objectif de cette thèse était d'identifier les régions majeures impliquées dans le phénomène d'hétérosis chez le maïs par le biais de (i) une détection de QTL sur population multi-parentale et (ii) une approche de cartographie fine par génétique d'association. Pour la première approche, une extension du North Carolina III design a été utilisée : trois populations connectées de lignées recombinantes ont été développées puis croisées aux trois lignées parentales (appartenant à différents groupes hétérotiques majeurs) conduisant à 9 familles d'hybrides. Au total, 1289 hybrides ont été évalués dans quatre conditions expérimentales. Une détection de QTL a été réalisée sur les six familles d'hybrides provenant des croisements « consanguins » selon la méthode NCIII « classique » et pour l'ensemble du dispositif à l'aide d'un modèle multi-parental dans MCQTL. Une dizaine de QTL ont été mis en évidence pour chacun des caractères étudiés (rendement sec, hauteur de plante, humidité et précocité de floraison). La majorité des QTL détectés pour le rendement grain présentent des effets de superdominance avec peu de différences entre les génotypes hétérozygotes alors que pour l'humidité du grain le déterminisme semble plutôt additif. Les déterminismes de la date de floraison et la hauteur de plante présentent un comportement intermédiaire. Une proportion importante de QTL a été détectée près des régions centromériques, suggérant que le faible taux de recombinaison de ces régions favorise la détection de QTL liés en répulsion, conduisant à une superdominance apparente pour les caractères hétérotiques et de QTL liés en “coupling” renforçant l'effet additif apparent des autres caractères.Le second volet consistait à cartographier plus finement les zones impliquées dans le phénomène d'hétérosis par une approche de génétique d'association. Ce travail s'appuie sur 232 lignées historiques d'origines européennes et américaines complétées par 60 lignées récentes apportées par les actionnaires de Biogemma. Ces 292 lignées ont été croisées à trois lignées testeurs représentatifs de trois grands groupes hétérotiques. Les hybrides ainsi produits ont été évalués dans 5 lieux en 2009 et 2010. Le marquage génétique de la collection, réalisé pour l'ensemble du génome par deux puces illumina de 16 000 et 50 000 SNPs respectivement, a permis de caractériser la diversité génétique et le déséquilibre de liaison existant au sein de cette collection mais aussi d'évaluer l'effet de la structure et de l'apparentement dans les composantes d'aptitude générale et spécifique à la combinaison. Enfin, une approche de génétique d'association, conduite à l'aide de modèles développés spécifiquement, a permis de confirmer et affiner certaines zones impliquées dans le déterminisme de l'hétérosis et mises en évidence dans le premier volet de la thèse.Hybrid vigor, coined heterosis, is defined as the superiority of hybrid over the best of its parents. This major phenomenon has been studied for more than two centuries. Despite its wide exploitation, many questions remain open regarding its genetic bases. The comprehension and prediction of this phenomenon is then a major research issue. The goal of this thesis was the identification of major regions implied in this phenomenon in maize. To do so, two approaches were carried out: (i) a QTL detection in a multi-parental population and (ii) a fine mapping by association mapping in a hybrid panel of large diversity. For the first approach, we extended the North Carolina design III (NCIII) by using three populations of recombinant inbred lines derived from three parental lines belonging to different heterotic pools, crossed with each parental line to obtain 9 families of hybrids. A total of 1253 hybrids were evaluated in 4 environments. Quantitative trait loci (QTL) mapping was carried out on the six families obtained from crosses to parental lines following the “classical” NCIII method and with a multiparental connected model on the global design, adding the three families obtained from crosses to the non-parental line. Results of the QTL detection highlighted that most of the QTL detected for grain yield displayed apparent overdominance effects and limited differences between heterozygous genotypes, whereas for grain moisture predominance of additive effects was observed. For plant height and silking date results were intermediate. An important proportion of QTL detected were located close to the centromeres, suggesting that the lower recombination in these regions favors the detection of (i) linked QTL in repulsion phase, leading to apparent overdominance for heterotic traits and (ii) linked QTL in coupling phase, reinforcing apparent additive effects of linked QTL for the other traits.The second approach consisted in the fine mapping of regions implied in heterosis genetic architecture. This part of the thesis was based on a collection of 232 American and European historical lines, completed by a set of 60 inbred lines provided by the shareholder companies of Biogemma. These 292 lines were crossed with three testers belonging to the three elite sets and representing three complementary heterotic groups. The hybrid panel produced was evaluated in five locations in 2009 and 2010. The collection was genotyped at the genome scale with two Illumina arrays of respectively 16 000 and 50 000 SNPs. Genetic diversity and linkage disequilibrium were characterized. The effect of population structure and relatedness on the general and specific combining abilities of hybrids were evaluated. Finally, association mapping approach carried out with specifically developed models confirmed and refined some regions previously identified as implied in the genetic architecture of heterosis

Genetic architecture of European maize: multiparental QTL mapping and insights into heterosis

Genetic architecture of European maize: multiparental QTL mapping and insights into heterosis. 54. Maize Genetics Conferenc

Genetic architecture of European maize: multiparental QTL mapping and insights into heterosis

Genetic architecture of European maize: multiparental QTL mapping and insights into heterosis. Meeting of working Group Medicago sativ

Genetic architecture of European maize: multiparental QTL mapping and insights into heterosis

Genetic architecture of European maize: multiparental QTL mapping and insights into heterosis. Meeting of working Group Medicago sativ

Genetic control of yield and yield components in winter oilseed rape ([i]Brassica napus[/i] L.) grown under nitrogen limitation

International audienceDespite its high nitrogen absorption capacity, oilseed rape (OSR) has a low apparent nitrogen use efficiency (NUE), which makes its production highly dependent on nitrogen fertilization. Improving NUE in OSR is therefore a main target in breeding. The objectives of the present work were to determine the genomic regions (QTLs) associated with yield and to assess their stability under contrasted nitrogen nutrition regimes. One mapping population, AM, was tested in a French location for three growing seasons (2011, 2012 and 2013), under two nitrogen conditions (optimal and low). Eight yield-related traits were scored and nitrogen-responsive traits were calculated. A total of 104 QTLs were detected of which 28 controlled flowering time and 76 were related to yield and yield components. Very few genotype x nitrogen interactions were detected and the QTLs were highly stable between the nitrogen conditions. In contrast, only a few QTLs were stable across the years of the trial, suggesting a strong QTL x year interaction. Finally, eleven critical genomic regions that were stable across nitrogen conditions and/or trial years were identified. One particular region located on the A5 linkage group appears to be a promising candidate for marker assisted selection programs. The different strategies for OSR breeding using the QTLs found in the present study are discusse