Rétrocroisement dans la sélection du cannabis – choix du parent, linkage drag et limites de la méthode

Faire entrer un caractère d’une lignée étrangère dans une variété existante sans perdre la variété : c’est à cela que sert la méthode, et le calcul qui la sous-tend est simple. Les deux conditions sous lesquelles il est valable ne figurent pas dans la plupart des guides, et chez le cannabis, c’est justement la deuxième qui fait souvent défaut.

Ce que promet le calcul

À chaque rétrocroisement avec le même parent, la part du génome donneur est divisée par deux. Sans aucune sélection, la valeur attendue du parent récurrent est de 75,0 % après le premier cycle, de 87,5 après le deuxième, de 93,8 après le troisième, de 96,9 après le quatrième et de 98,4 % après le cinquième. Pour transférer un seul gène dominant par la méthode classique, il faut donc cinq générations ou plus pour récupérer 99 % du génome de départ.

Avec des marqueurs sur le fond génétique, ce nombre peut baisser. En vérifiant à chaque génération non seulement le gène cible, mais aussi la quantité de génome donneur que porte encore chaque plant, on s’en sort avec trois générations au lieu de six. C’est le vrai gain du rétrocroisement assisté par marqueurs, et c’est un gain de temps, pas un gain de qualité.

Dans l’usage allemand, la méthode s’appelle Verdrängungszüchtung, littéralement sélection par substitution. Elle est à sa place là où un caractère monogénique – la résistance d’une variété locale, par exemple – doit être associé à l’ensemble de caractères d’une variété productive mais sensible.

Les deux conditions rarement mentionnées

Premièrement, le parent récurrent devrait lui-même être une lignée homozygote. S’il ne l’est pas, il ségrège lui aussi à chaque cycle, et ce qui revient n’est pas la variété mais un échantillon de celle-ci. Chez le cannabis, c’est la règle et non l’exception : une population pollinisée librement porte entre 17 et 35 % de loci hétérozygotes. Un parent récurrent homozygote doit donc d’abord être produit, par croisement frère-sœur ou par autofécondation induite chimiquement, et les deux coûtent des générations avant même le premier rétrocroisement.

Deuxièmement, le caractère transféré devrait dépendre d’un seul ou de quelques loci. Pour un caractère monogénique, la sélection est univoque à chaque cycle ; dès que plusieurs loci interviennent, la probabilité de les trouver tous réunis dans le même individu baisse avec chaque gène supplémentaire. C’est pourquoi le rétrocroisement assisté par marqueurs est le plus efficace avec un ou quelques gènes cibles, et qu’il est le mauvais outil pour un caractère quantitatif.

Le linkage drag

Ce qui ne disparaît pas, c’est l’environnement immédiat du gène cible. Comme on sélectionne cet allèle à chaque cycle, le fragment de génome donneur qui lui est attaché survit à chaque dilution : c’est le linkage drag (entraînement par liaison).

La taille de ce fragment ne dépend pas du nombre de générations, mais de la fréquence des recombinaisons dans cette région. Dans une simulation sur le colza, le segment entraîné mesurait en moyenne 15,9 millions de paires de bases après le premier rétrocroisement et 5,4 millions après le deuxième ; après trois cycles suivis d’une autofécondation, 98 % du génome donneur encore présent provenait de ce seul segment. Si le gène cible se trouvait au contraire dans une région riche en recombinaisons, le même fragment se réduisait à des fractions de mégabase.

Pourquoi cela pèse plus lourd chez le cannabis

La structure du génome de cette espèce joue contre la méthode. Sur 78 génomes résolus en haplotypes, le déséquilibre de liaison ne tombe à la moitié de sa valeur maximale qu’après environ 10 kilobases, ce qui est comparable aux populations sauvages allogames de soja et de riz, et certaines paires de marqueurs restent liées sur des centaines de kilobases, jusqu’à l’ordre de la mégabase.

S’y ajoutent les inversions. Chaque génome en porte en moyenne 86, leur longueur moyenne est de 304 kilobases et les plus longues atteignent 25 mégabases. Dans une région inversée, il n’y a pratiquement aucun échange entre les deux versions – ce qui s’y trouve se déplace en bloc. Le cas le plus net dans le matériel étudié est une inversion de 19,5 mégabases sur le chromosome 1 avec environ 1203 gènes, dont le régulateur de floraison PRR3, associé au comportement de floraison indépendant de la photopériode. Introduire ce caractère par croisement, ce n’est pas déplacer un gène, mais tout un voisinage.

De plus, une ségrégation biaisée a été observée dans plusieurs régions du génome du cannabis : les allèles de l’un des parents passent plus souvent que le calcul ne le laisse attendre. Pour un programme de rétrocroisement, cela signifie que le fond génétique ne revient pas partout à la même vitesse.

Le cas mesuré : le locus du chémotype

L’introgression la plus connue de ce type touche précisément ce point. Les lignées de chanvre riches en CBD, dont est issu entre autres le génome de référence CBDRx, sont nées de l’introduction de la région CBDAS dans un fond génétique majoritairement de type drogue. Le but était d’associer la génétique productive des lignées à drogue à un chémotype CBD.

La région en question se prête mal à une séparation propre. Chaque génome haploïde porte au plus une copie complète de THCAS ou de CBDAS, insérée dans des cassettes conservées d’éléments transposables de 70 à 80 kilobases, le plus souvent avec des copies de pseudogènes de la même famille. Ces cassettes n’apparaissent que dans quelques arrangements fixes, ne se trouvent pas au même endroit selon les types d’usage et sont associées à des inversions – mais l’ensemble est concentré sur le chromosome 7 dans une zone d’environ 1,5 mégabase. La cartographie issue du croisement d’un type drogue avec une variété de chanvre n’a trouvé aucun événement de recombinaison dans le bloc CBDAS chez 99 descendants.

En pratique, cela signifie qu’introduire le chémotype, c’est introduire la cassette, et la sélection ne peut pas la décomposer. Si la ségrégation du chémotype suit tout de même le modèle simple à un locus, c’est pour la même raison, et ce n’est pas le signe d’un caractère simplement construit.

Ce que le pourcentage ne mesure pas

La part du génome parental récupéré se mesure d’ordinaire sur des marqueurs nucléotidiques simples, et chez cette espèce leur hétérozygotie se situe entre 1 et 2,5 %. Si l’on ajoute les variants structuraux et les régions qui ne peuvent pas du tout être alignées entre deux haplotypes, en moyenne 20,6 % de la longueur du génome sont variables. Un fond génétique qui semble revenu à 98 % d’après les marqueurs peut différer précisément dans les régions qu’aucun marqueur ne couvre.

Un deuxième cas limite concerne le choix du donneur. L’indice de fixation entre type drogue et chanvre est de 0,20, une valeur que l’on rencontre sinon entre espèces. Un croisement sur une telle distance peut non seulement ne pas augmenter la vigueur, mais la réduire. La question de savoir à quelle distance le donneur peut se trouver du parent récurrent n’a donc rien d’académique.