Cours : La domestication des plantes

Introduction : 

Si les pratiques d’amélioration de rendement de l’agriculture se sont surtout développées au cours de la seconde moitié du XXe  siècle, la sélection et l’amélioration de la plante c’est-à-dire de l’individu par l’homme remonte aux origines de l’agriculture.

 En cherchant sa nourriture, l’homme préhistorique a découvert progressivement le processus de germination des céréales. Il commence alors à protéger les plans puis a semer intentionnellement les épis qu’il a sélectionnés… Les débuts de l’agriculture volontaire sont estimés à – 10 500 ans. 

Problème : Comment  l’Homme domestique des espèces végétales et transforme ses caractéristiques pour ses propres besoins?

  • Quelles sont les différences entre espèces sauvages et cultivées ?
  • Comment l’homme a amélioré les espèces cultivées ?

Photo de couverture :  https://www.linternaute.com

I- De la plante sauvage à la plante domestiquée

A- Comparaison d’une espèce végétale sauvage et d’une variété cultivée

La Carotte (Daucus carota de la famille des Apiacées ou Ombellifères) est cultivée pour sa racine pivotante chargée de réserves.

La carotte orange cultivée est bien différente de la carotte sauvage.

On note toutefois peu de différences : 


Carotte sauvagecarotte cultivée
Feuilletrès découpéetrès découpée
Tigetige ronde striée et poiluetige ronde striée et poilue
racineAllongée, ramifiée, fine et blanchedéveloppée (grosse) et orange
fleurOmbelles blanchesOmbelles blanches
GraineDiakèneDiakène

La carotte cultivée synthétise plus de pigments caroténoïdes que la carotte sauvage, notamment car le gène codant pour l’enzyme participant à la synthèse des caroténoïdes s’exprime fortement. Il y a donc beaucoup d’enzymes synthétisées, qui favorisent la synthèse d’une grande quantité de caroténoïdes donnant la couleur caractéristique orange.

Indépendamment de la couleur, la grosseur de la racine est nettement différente entre l’espèce cultivée et sauvage.

Il existe de très nombreuses variétés qui diffèrent par leur couleur, leur taille et leur précocité. Il existe par exemple des carottes de couleurs variées, blanches par l’absence de pigments ou rouge violacé par la présence d’anthocyanes.

Les plantes cultivées ont bien des caractéristiques génétiques différentes de celles des plantes sauvages.

B- Domestication.

Toutes les plantes cultivées sont issues de plantes sauvages. En fait, graduellement, l’homme a modifié les plantes sauvages en sélectionnant parmi une population donnée des plantes présentant des caractères qui lui semblaient utiles, soit parce que ces caractères facilitaient la production soit parce que ces caractères étaient intéressants d’un point de vue de l’alimentation ou des besoins humains. Cela s’appelle la domestication

Les caractères morphologiques retenus par l’homme sont souvent des caractères défavorables à la survie dans un milieu naturel. Les plantes domestiquées ont ainsi perdu des caractères qui permettaient à leur ancêtre de survivre en milieu naturel. La perte, au cours du processus de domestication, de caractères favorables à la survie en milieu naturel constitue ce que les spécialistes appellent le syndrome de domestication.

Définition : 

Syndrome de domestication : ensemble de traits morphologiques, physiologiques héréditaires présents dans un ensemble d’espèces domestiquées mais absents chez leurs variantes sauvages respectives.

Complément : 

On accorde généralement à Jean Pernès (1983), puis Jack Harlan (1987) d’avoir précisé et développé ce concept du syndrome de la domestication (Chauvet, 2008). Le constat fait par ces auteurs est qu’une évolution convergente caractérise la relation qui s’est opérée entre le populations humaines de chasseurs-cueilleurs et les plantes sauvages qui ont été progressivement domestiquées, sont entrées progressivement dans la maison (latin, domus) des humains. Quels sont les traits caractéristiques de cette évolution convergente.

  • perte de dormance des graines
  • suppression des mécanismes de dispersion (indéhiscence)
  • maturité groupée
  • changement du système de reproduction
  • changement du niveau de ploïdie
  • gigantisme
  • changement du port de la plante
  • changement de forme de vie (annualisation des vivaces ou bisannuelles)
  • changements biochimiques
  • changements physiologiques (p ex modification de la photopériode)

M Chauvet, 2008

Essentiellement des pertes de fonction, donc des mutations récessives, d’où leur meilleure expression chez des plantes autogames (ou à reproduction végétative). 

M-A Selosse, 2012 D’après http://acces.ens-lyon.fr

Ainsi la sélection artificielle a pour conséquence une perte de la diversité nucléotidique. 

C- Sélection variétale

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d’après https://www.gnis-pedagogie.org

La sélection consiste à repérer les plantes faciles à cultiver, qui sont récoltées pour être semées. Puis il s’agit de favoriser les individus les mieux adaptés, les plus résistants, les plus productifs et nutritifs. L’amélioration des plantes se développe ainsi, de manière empirique, pendant des siècles. La découverte de la sexualité des végétaux, vers 1700, puis de la génétique, à la fin du XIXe siècle, posent les bases scientifiques de la sélection végétale.

La sélection des individus possédant des avantages phénotypiques pour l’agriculteur s’est faite au fur et à mesure, soit volontairement (taille de la graine, quantité de graines…), soit involontairement (solidité du rachis…). 

Quelques phénotypes du blé en fonction de l’expression des allèles
GèneAllèlesPhénotype
Brittle (=cassant) Rachis  Fragile/SolideBr ou brbr : l’axe de la tige, appelé rachis est solide Br : le rachis est cassant
Glume tenaceTg ou tgLa glume est l’enveloppe du grain tg = grains nus Tg = grain avec plume
Accroche du grainQ ou qDétermine si le grain tombe de l’épi ou reste adhérent

Enfin, en fonction de l’organe sélectionné, la forme sauvage a pu donner différentes variétés (exemple du chou).

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D- Du syndrome de domestication à la fragilisation de la plante

Quand on observe un écosystème (biotope + biocénose), on est frappé par la complexité des interactions du vivants avec le milieu et entre toutes les espèces. Un écosystème agricole, ou agrosystème, est forcément un écosystème appauvri, puisque la diversité spécifique est considérablement amoindri. Il exerce alors moins de forces sélectives sur la ou les plantes cultivées. Cette dernière finit par perdre certaines de ses caractéristiques qui lui permettait de survivre à l’état sauvage. Son génotype s’appauvrit.

Définition : 

Agrosystème : écosystème agricole, modifié ou créé, et contrôlé par l’homme afin d’exploiter une part de la matière organique végétale ou animale qu’il produit, et ce à des fins alimentaires, industrielles ou énergétiques.

Chez les plantes, le syndrome de domestication se traduit par exemple par une augmentation de la taille et du nombre des graines et des fruits. De même, l’être humain récoltant les fruits ou les graines des plantes qu’il domestique, une perte de dissémination est visible chez certaines espèces.

Exemple : le Blé présente une organisation qui permet une récolte facilitée et une dissémination limitée comparée à l’espèce sauvage à laquelle il est apparenté, l’ Amidonnier.

Enfin, l’être humain, en protégeant ses cultures, a induit le développement de fragilités des « mécanismes de défense » des plantes domestiquées : ces dernières ne sont plus capables de se défendre seules face aux pathogènes ou sont beaucoup moins résistante aux intempéries. Elles sont donc dépendantes de l’action de l’être humain pour survivre, que ce soit pour leur protection vis à vis de nuisibles (OGM ou pesticides) ou d’événements climatiques (gel des bourgeons au moindre froid au printemps dans les vignes).

E- homogénéisation génétique des populations

L’être humain exerce une pression de sélection constante sur les espèces domestiquées pour la conservation ou l’amélioration de certains caractères. Ceci induit progressivement un appauvrissement de la diversité allélique des populations domestiquées, réduisant donc le polymorphisme au sein des cultures.

Cette homogénéisation génétique a notamment pour conséquence une réduction de la capacité de la population à répondre à des perturbations.

Exemple : Dans le cas de survenues de maladies, si une bactérie, un champignon ou un virus peut infecter un plant, il peut théoriquement infecter l’ensemble de la culture. Des champs entiers peuvent alors être ravagés. En 1845 en Irlande par exemple, un champignon, le mildiou, a décimé une grande partie des cultures de pommes de terre. Ceci engendra alors la grande famine qui fut à l’origine de près d’un million de morts.

Pour éviter qu’un tel épisode ne se reproduise et rétablir une certaine diversité génétique, l’être humain tente d’exercer une pression amoindrie.

II- Les techniques pour améliorer.

A- Croisements et hybridations

Le sélectionneur, lorsqu’il croise deux plantes pour associer des caractères intéressants, réalise une fécondation croisée ou hybridation.

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Sur le blé par exemple, les deux géniteurs étant choisis, le sélectionneur va castrer manuellement les fleurs d’un épi, c’est-à-dire retirer toutes les étamines contenant le pollen. Cette plante constituera la plante femelle. Il récupère ensuite le pollen de l’autre parent, qu’il dépose sur le stigmate de l’épi femelle castré.

Chez les plantes allogames, comme le maïs, l’hybridation permet de réaliser une variété hybride et de profiter ainsi de l’hétérosis, c’est-à-dire de cumuler de nombreux caractères intéressants par rapport à ses deux parents, ce qui confère une vigueur générale plus importante que l’on appelle vigueur hybride.

Définition

Hétérosis : désigne l’augmentation des capacités et ou de la vigueur d’un hybride par rapport aux lignées pures issues de la sélection par auto-reproduction.

B- La production d’OGM

La transgénèse s’accompagne généralement d’un transfert de caractère. Une copie du gène d’intérêt est introduite dans la plante. Son expression, par l’intermédiaire d’un ARN messager, entraîne la production d’une protéine, responsable du nouveau caractère.

Les exemples dans ce domaine sont nombreux : introduction d’un gène de résistance à des insectes, à des pathogènes, à des herbicides, modification de la composition des graines, production de molécules d’intérêt industriel ou pharmaceutique.

A l’inverse, la mutagénèse permet de supprimer l’expression d’un gène non désiré.

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Une plante fusionnant des caractères recherchés de 2 autres variétés sera qualifiée de variété élite.

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C- Vers l’agriculture de demain

Avec sa population toujours croissante, nourrir l’humanité est un enjeu d’aujourd’hui et de demain. Seulement en près de 10 000 ans de sédentarisation, l’Homme n’a cessé d’influer sur son environnement, en répétant parfois des gestes destructeur ou en les amplifiants. Labourer profondément, détruire les mauvaises herbes, supprimer les arbres des champs et pratiquer l’open Field…

Le système de culture intensif, fondé sur la recherche de forts rendements et donc très consommateur en pesticides, lancé après-guerre, reste le modèle dominant aujourd’hui en France. Pourtant, d’autres voies montrent que d’autres modes de productions sont possibles : l’agriculture intégrée voire raisonnée ou encore biologique. 

Aujourd’hui, les ingénieurs agronomes s’associent à des ingénieurs environnementalistes afin de bâtir une nouvelle agriculture. Elle associerait nos connaissances biologiques, moléculaires (génétiques entre autre), écologiques afin d’établir un équilibre stable ou un véritable écosytème agricole durable. L’un des exemples appliqués aujourd’hui est l’agroforesterie.

Définitions : 

Agroforesterie : Mode d’exploitation agricole qui associe la plantation d’arbres ou d’arbustes

Complément : de multiples exemples des changements de mentalité

Comme pour les arbres au milieu des parcelles, les haies en bordure fournissent d’importants services écologiques. D’une façon générale la présence d’espaces plus ou moins naturels (qualifiés d’éléments semi-naturels ou d’infrastructures agroécologiques) à proximité des zones cultivées, friches et bords de chemins, permet d’abriter un grand nombre d’espèces potentiellement utiles à la production agricole, que l’on appelle espèces auxiliaires. 

En Asie, dans les rizières, les canards contribuent par leur alimentation à diminuer les intrants, pesticides et engrais. Ils mangent en effet des adventices et leurs graines, des insectes et limaces. Le travail de désherbage, habituellement effectué à la main par des femmes diminue, et les excréments des canards se transforment en nutriments pour les végétaux. Par ailleurs les canards peuvent être vendus ou consommés. Ce système, initié au Japon, a été adopté en Chine, en Inde et aux Philippines. Au Bangladesh, l’Institut international de recherche sur le riz indique que les rendements des cultures ont augmenté de 20 % et que les revenus nets se sont accrus de 80 %.

d’après permagenèse

Une technique appelée « répulsion attraction » met à profit les interactions plante insectes pour éviter les recours aux insecticides. Ainsi, au Kenya, des  chercheurs et des agriculteurs ont mis au point une stratégie permettant de chasser les insectes en plantant entre les rangées de maïs des plantes répulsives comme le Desmodium (répulsion). Par ailleurs, les insectes sont attirés naturellement vers de petits carrés de Napier, plante qui produit une matière gluante dans laquelle les insectes se trouvent pris au piège. En plus de la lutte contre les insectes, le Desmodium peut être utilisé comme fourrage pour le bétail. Dans cet exemple, la stratégie de « répulsion attraction » double le rendement du maïs et la production de lait. Le nombre de ménages de paysans qui l’adoptent dans l’ouest de l’Afrique augmente rapidement. D’après : https://edu.mnhn.fr

Conclusion : 

L’homme a longtemps agi comme si les ressources naturelles étaient inépuisables. On sait aujourd’hui qu’il n’en est rien !

Si l’on veut assurer les conditions de vie des générations futures, il convient de mener dès aujourd’hui des politiques actives de préservation. Dans le domaine végétal, celles-ci passent à la fois par la conservation de la biodiversité des espèces et de leur milieu, et par le développement de banques de semences.

En 2008, a été inauguré le Svalbard Global Seed Vault qui est la banque mondiale dédiée à l’entreposage et la conservation des échantillons de semences du monde entier. Cette banque de semences a été créée afin de sauvegarder des spécimens du monde agricole dans l’hypothèse d’une situation climatique catastrophique ou de l’action d’un ravageur pour lequel nous n’arriverions pas à le neutraliser.

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