Genomic selection in maritime pine
Sélection génomique chez le pin maritime
Résumé
A breeding program for maritime pine (Pinus pinaster Ait.) was implemented in the 1960s. The aim of this program is to develop improved varieties in terms of growth, straightness and adaptation to the environment. Genetic values of trees are classically estimated on the basis of phenotypic performance and pedigree data.The genetic improvement in animal and plant species is currently facing a new paradigm with the advent of genome characterization technologies. Genomic selection makes it possible to predict the genetic value of individuals based on a large number of molecular markers and a model calibrated on a population of limited size. This approach has considerable potential for forest trees, as it can shorten selection cycles and reduce the costs associated with phenotyping complex traits. However, the genomic selection models currently proposed for forestry have insufficient predictive accuracy, which is also rarely assessed within families. Yet this is an essential prerequisite for effective selection and explicit diversity management. In addition, the failure to include environmental information in genetic evaluation processes is also sorely lacking when it comes to proposing varieties adapted to future environmental conditions.The aim of this thesis is to define the conditions for implementing genomic selection in maritime pine. The first step was to evaluate the predictive ability of genomic selection models, both on a global and within-family scale. To this end, 850 individuals sampled from just 40 full-sib families were genotyped with 8235 SNP (Single Nucleotid Polymorphism) markers and phenotyped for the traits targeted by the breeding program. The original population structure revealed that, despite a rather satisfactory overall level of accuracy, within-family accuracy was on average zero. A complementary simulation approach enabled us to identify that the size of our calibration population, although classic in the forestry field, is below a critical threshold at which genomic selection can fully reveal its potential by capturing Mendelian segregation.The second part of this thesis extends the models described above by introducing an environmental dimension. Longitudinal wood growth data obtained for 650 new individuals were modeled against environmental variables using random regression. The integration of genomic data in this model (genotyping on 3835 SNPs) enables genetic values to be estimated continuously along an environmental gradient. Taking into account the phenotypic plasticity of trees via the inference of reaction norms appears to be key for genomic selection in a context of climate change.Taken together, these results show that the implementation of genomic selection in maritime pine, and more generally in forest trees, is fully conceivable, but that reflection on the construction of the calibration population and consideration of phenotypic plasticity are essential prerequisites for demonstrating its full potential.
Le programme d’amélioration génétique du pin maritime (Pinus pinaster Ait.) a été initié dans les années 1960. Il vise à développer des variétés améliorées en terme de croissance, de rectitude et d’adaptation au milieu. Les valeurs génétiques des arbres sont classiquement estimées à partir de l’observation des performances phénotypiques et des données de pedigree.L'amélioration génétique des espèces animales et végétales fait actuellement face à un nouveau paradigme avec l'avènement de technologies de caractérisation de leur génome. Ainsi, la sélection génomique permet de prédire la valeur génétique des individus à partir d'un grand nombre de marqueurs moléculaires et d'un modèle calibré sur une population de taille limitée. Le potentiel de cette approche est considérable pour les arbres forestiers afin de raccourcir la durée des cycles de sélection et de diminuer les coûts associés au phénotypage de traits complexes. Toutefois, les modèles de sélection génomique actuellement proposés dans le domaine forestier présentent une précision de prédiction insuffisante, qui est de plus rarement évaluée au sein des familles. Il s’agit pourtant d’un préalable nécessaire afin de réaliser une sélection efficace et de permettre aussi une gestion explicite de la diversité. Egalement, l’absence de prise en compte de données environnementales dans les processus d’évaluation génétique fait cruellement défaut dans l’optique proposer des variétés adaptées aux conditions environnementales futures.Les travaux réalisés au cours de cette thèse visent à définir les conditions de mise en œuvre de la sélection génomique chez le pin maritime. Dans un premier temps, il s’agit d’évaluer la capacité prédictive des modèles de sélection génomique, à l’échelle globale et intrafamiliale. Pour cela, 850 individus échantillonnés dans seulement 40 familles de pleins-frères ont été génotypés avec 8235 marqueurs SNP (Single Nucleotid Polymorphism) et phénotypés pour les caractères ciblés par le programme d’amélioration. La structure originale de la population permet de révéler que malgré un niveau de précision global plutôt satisfaisant, la précision intra-famille était en moyenne nulle. Une approche de simulation complémentaire nous a permis d’identifier que la taille de notre population de calibration, pourtant classique dans le domaine forestier, se situe en dessous d’un seuil critique à partir duquel la sélection génomique peut pleinement révéler son potentiel en captant la ségrégation mendélienne.La deuxième partie de cette thèse s’attache à étendre les modèles précédemment décrits en introduisant une dimension environnementale. Des données longitudinales de croissance du bois obtenus pour 650 nouveaux individus ont été modélisées au regard de variables environnementales à l’aide d’une régression aléatoire. L’intégration de données génomiques dans ce modèle (génotypage sur 3835 SNP) permet d’estimer les valeurs génétiques de façon continue le long d’un gradient environnemental. Prendre en compte la plasticité phénotypique des arbres via l’inférence des normes de réaction apparait comme clé pour la sélection génomique dans un contexte de changement climatique.L’ensemble de ces résultats démontre que l’implémentation de la sélection génomique chez le pin maritime, et plus généralement chez les arbres forestiers, est pleinement envisageable, mais que la réflexion sur la construction de la population de calibration et la prise en compte de la plasticité phénotypique sont des prérequis essentiels afin d’en démontrer tout le potentiel.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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