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Le décryptage du génome du cacaoyer : une avancée majeure pour la compréhension de la biologie et l’amélioration de cette espèce

Décryptage du génome du cacaoyer
Un consortium international (ICGS : International Cocoa Genome Sequencing Consortium) coordonné par une équipe du Cirad à Montpellier (France) publie ce 26 décembre un article dans Nature Genetics sur le séquençage et les premières analyses détaillées du génome du cacaoyer, Theobroma cacao, cette plante à la source du chocolat.

3 Janvier 2011

Ces recherches sont le fruit d’une collaboration internationale impliquant une soixantaine de scientifiques issus de 6 pays différents :
- en France : plusieurs équipes du Cirad, le CEA/GENOSCOPE, plusieurs équipes de l’Inra (Clermont Ferrand, Toulouse Evry, CEA/CNG), le CNRS, les universités de Perpignan et d’Evry,
- aux USA : les universités de Penn State et d’Arizona ainsi que le Cold Spring Harbor Laboratory,
- à Trinidad et Tobago : le CRU de l’Université de West Indies,
- au Brésil : le CEPLAC,
- en Côte d’Ivoire : le CNRA,
- au Venezuela : l’IDEA.

C’est le génome d’une variété de cacaoyer Criollo collecté au Bélize, et qui pourrait être un descendant des premiers cacaoyers domestiqués par les Mayas il y a plus de 2000 ans qui a été séquencé. Cette variété est à l’origine d’un chocolat de la plus haute qualité classé parmi les chocolats fins. Les premiers résultats de ces analyses permettent une meilleure compréhension des gènes potentiellement impliqués dans les caractéristiques aromatiques du chocolat ou dans les mécanismes de résistance aux maladies du cacaoyer. Ils permettent aussi de retracer l’histoire évolutive du cacaoyer.

Ces travaux vont accélérer de façon drastique la connaissance du cacaoyer et son amélioration au bénéfice des petits producteurs des pays en voie de développement, permettant de créer plus efficacement de nouvelles variétés productives et résistantes aux maladies, tout en gardant les hautes qualités aromatiques de leur chocolat.
Les résultats détaillés sont publiés dans l’édition avancée en ligne de la revue Nature Genetics du 26 décembre 2010.

Le cacaoyer, premier arbre fruitier tropical de longue génération à avoir été séquencé

Le cacaoyer est un arbre fruitier qui revêt une importance économique particulière pour les pays tropicaux humides où il est cultivé. Ce sont ses graines qui après fermentation, séchage et torréfaction, sont utilisées pour fabriquer le chocolat. Souvent cultivé sous forêt et dans de petites plantations, il permet aussi de maintenir la biodiversité et de respecter l’environnement.

Le cacaoyer est le premier arbre fruitier tropical de longue génération à avoir été séquencé. La mise à disposition de sa séquence ouvre désormais un large champ d’études permettant de caractériser plus rapidement les gènes responsables de sa variabilité génétique naturelle, tant sur le plan de son adaptation aux conditions environnementales et de sa résistance aux maladies, que sur le plan des qualités aromatiques du chocolat.

L’accès à ces gènes permettra de connaître leur fonctionnement et leur variation au sein des ressources génétiques ou sous l’effet de facteurs environnementaux. Cela facilitera la création de variétés productives, résistantes aux maladies et produisant un cacao de haute qualité, permettant de développer une cacaoculture durable tout en réduisant l’utilisation de pesticides.

Le séquençage d’une variété de cacao fin, le Criollo

C’est une variété de Criollo, collectée dans de vieilles plantations du Bélize et issue de générations successives d’autofécondations survenues naturellement au cours de sa culture qui a été choisie pour le séquençage. Une combinaison de plusieurs techniques de séquençage, mises en œuvre par le Genoscope, l'université de Penn State et le Cold Spring Harbor Laboratory, a permis au Genoscope de produire une séquence assemblée de haute qualité. Après annotation des gènes par plusieurs équipes de l'Inra et du Cirad, l'existence de 28798 gènes codant pour des protéines a pu être mise en évidence, et parmi eux, 2053 apparaissent uniques au cacaoyer en comparaison avec plusieurs autres génomes de plante séquencés. 98% des gènes exprimés chez cette plante sont présents dans la séquence assemblée.

Vers une meilleure compréhension des qualités du chocolat

Les qualités du chocolat résultent d’un processus complexe qui fait intervenir plusieurs classes de composés biochimiques. Parmi eux, les polyphénols tiennent un rôle important, et sont décrits aussi comme bénéfiques pour la santé humaine et la protection du système cardiovasculaire. Les fèves de cacaoyer ont un taux de polyphénols (proanthocyanidin) élevé. 96 gènes intervenant dans la biosynthèse de ces composés ont été identifiés dans la séquence du génome du cacaoyer, avec une des familles de gènes, surreprésentée chez le cacaoyer par rapport aux autres espèces. Cette famille de gènes (dihydroflavonol-4-reductase (DFR)) a un rôle clé dans la biosynthèse de certains précurseurs de proanthocyanin qui peuvent constituer jusqu’à 8% du poids sec des fèves de cacao, faisant de cette espèce l’une des sources les plus riches de ces phytonutriments.

L’analyse des gènes intervenant dans la biosynthèse du beurre de cacao qui constitue environ 50% du poids sec des fèves, et des terpènes, composés à l’origine de nombreuses flaveurs aromatiques, a révélé là aussi l’extension de familles particulières de gènes qui pourraient avoir un rôle clé pour donner au chocolat ses propriétés technologiques et aromatiques bien connues. C’est par exemple le cas du gène qui synthétise le linalol et qui est représenté par 7 copies dans le génome du cacaoyer Criollo. Le linalol est un des constituants majeurs des arômes d’autres plantes aromatiques et entre dans la composition de nombreuses huiles essentielles.

Donner au cacaoyer une résistance durable

Les maladies fongiques ont un impact majeur sur la production du cacaoyer, et sont globalement responsables de près de 30% de perte des récoltes. La recherche de variétés cumulant plusieurs sources de résistance d’origine différente, et capables de donner au cacaoyer une résistance durable aux maladies est un des premiers objectifs de sélection de tous les programmes d’amélioration du cacaoyer. L’analyse détaillée de 2 des plus importantes familles de gènes de résistance connues dans le monde végétal (NBS-LRR et LRR-RLK) a été réalisée à partir de cette première séquence du génome du cacaoyer. Elle a révélé respectivement 296 et 253 gènes appartenant à ces 2 classes de gènes. L’ensemble de ces gènes ont pu être localisés sur le génome et comparés aux régions chromosomiques déjà identifiées comme porteuses de sources de résistance. Des gènes « candidats », potentiellement impliqués dans les mécanismes de résistance du cacaoyer à la maladie du balai de sorcière, ou à la pourriture brune des cabosses due au Phytophthora, ont d’ores et déjà été identifiés et feront prochainement l’objet d’études plus approfondies pour valider leur implication dans ces résistances.

Une panoplie d’outils de diagnostic à la disposition du sélectionneur

Avec cette séquence de référence, il devient possible de rechercher des marqueurs génétiques (portion de séquence d’ADN qui peut être variable selon les variétés de cacaoyer) dans chaque région d’intérêt du génome. Il est également possible de les utiliser pour diriger et contrôler par « sélection assistée par marqueurs » l’accumulation de régions porteuses de gènes favorables dans de nouvelles variétés (pour accumuler plusieurs sources de gènes de résistance par exemple). Les marqueurs ciblés dans des gènes d’intérêt peuvent devenir de bons marqueurs « diagnostiques » pour cribler des collections de ressources génétiques porteuses de gènes d’intérêt et utilisables dans les programmes de sélection.

Un nouveau regard sur l’évolution du cacaoyer et sa paléohistoire

L’analyse comparée du génome du cacaoyer avec ceux d’autres espèces végétales séquencées telles que vigne, peuplier, arabette, soja et papaye, a révélé, que tout comme la vigne, le génome du cacaoyer était très proche de celui de l’espèce ancestrale à partir de laquelle toutes les espèces végétales de dicotyledones auraient dérivé au cours de l’évolution. Un scenario d’évolution du cacaoyer à partir de cet ancêtre putatif a été proposé ; il met en jeu 11 fusions majeures à partir des chromosomes ancêtres avant d’aboutir aux actuels 10 chromosomes de base du cacaoyer. Il a été suggéré que ces fusions auraient pu se faire en partie à partir des régions télomériques situées aux extrémités des chromosomes. De par la constitution de son génome et sa facilité de reproduction, le cacaoyer représente un nouveau modèle simple pour étudier les processus d’évolution, la fonction des gènes, la génétique et la biochimie des arbres fruitiers.

La large quantité d’informations générées par ce projet va peut-être profondément changer le statut de cette plante tropicale et son intérêt potentiel pour toute la communauté scientifique. Cette situation pourra encourager de nouveaux investissements dans les recherches sur Theobroma cacao, la nourriture des dieux, dont la flaveur magique s’est répandue dans le monde entier depuis les civilisations Maya et Aztèque. Son étude approfondie sera profitable aux pays en voie de développement pour lesquels la culture des cacaoyers tient une grande importance économique.

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