Ségrégation en F1, F2 et F3 – premières générations de croisement

Un croisement ne donne une première génération filiale uniforme que si les deux parents sont homozygotes pour les caractères observés, c’est-à-dire s’ils portent deux fois le même allèle à l’endroit concerné de leur génome. Chez le cannabis, ce n’est pratiquement jamais le cas. L’espèce se pollinise de plante à plante au lieu de s’autoféconder, elle porte donc deux allèles différents à un très grand nombre d’endroits, et ce qui se vend comme hybride provient le plus souvent du croisement de deux plantes de ce genre. Une descendance hétérogène n’est donc pas un accident d’un lot particulier, mais la conséquence inévitable du point de départ. Qui veut y changer quelque chose ne peut pas se passer d’environ six générations de consanguinité, et la suite de cet article en fait le calcul.

De quoi dépend l’uniformité de la première génération

Cette attente vient des lois de Mendel, la loi d’uniformité et la loi de ségrégation : si l’on croise deux lignées homozygotes qui diffèrent par un caractère, la première génération filiale est uniforme, et seule la deuxième se sépare. L’énoncé est juste, mais il a une condition, posée dès le départ : les deux parents doivent être homozygotes.

Chez le maïs, on peut créer cette situation. Fleurs mâles et femelles s’y trouvent sur la même plante, qui peut donc se polliniser elle-même ; sur plusieurs générations de ce type naissent des lignées consanguines différentes entre elles, mais chacune homozygote. Comme elles portent deux fois le même allèle aux endroits observés du génome, les loci, le croisement de deux lignées données donne toujours le même résultat. Ce qu’on y gagne vraiment, c’est cette reproductibilité, et non la vigueur de la descendance.

Le cannabis est surtout dioïque : fleurs mâles et femelles se trouvent le plus souvent sur des plantes séparées. Le plus souvent ne veut pas dire toujours. Des fleurs mâles apparaissent spontanément sur des plantes femelles, et la plante s’autoféconde alors sans aucune intervention. On ne peut simplement pas le planifier, car ce n’est pas le sélectionneur qui décide quelle plante bascule, ni quand. Qui veut autoféconder une plante précise doit donc intervenir, et la façon de le faire est décrite plus bas.

L’étude classique sur le chémotype montre, sur son propre matériel, à quel point une lignée peut rester éloignée de cet état malgré le travail fait sur elle. Elle utilisait des lignées déjà consanguines sur deux générations et les a testées avec des marqueurs, c’est-à-dire des endroits du génome qu’on lit sans ambiguïté en laboratoire. Pourtant, selon la combinaison, entre 5,6 et 37,5 % de ces endroits étaient encore hétérozygotes et se séparaient dès la première génération filiale.

Pour une variété du commerce, aucun chiffre de ce genre n’existe. L’homozygotie ne se voit pas sur une plante : on la mesure avec des marqueurs ou on la vérifie sur la descendance. Qu’une variété ait le même aspect depuis des années ne relève ni de l’un ni de l’autre.

La règle des trois quarts et sa portée

Trois contre un décrit exactement un caractère, porté par deux versions d’un même gène : l’une s’impose, l’autre est masquée par elle. Dès que plusieurs endroits de ce type entrent en jeu, les proportions se multiplient : avec deux caractères, 56 % des plantes montrent encore l’aspect voulu, avec trois 42 %, avec dix 5,6 %. Pour fixer les caractères, un autre chiffre compte : seul un quart par locus porte deux fois l’allèle souhaité, soit 1,6 % des plantes pour trois caractères.

Cette proportion ne décide pas des chances de réussite, mais du nombre de plantes. Pour trouver au moins une plante adaptée avec une certitude de 99 %, il faut environ 290 semis pour trois caractères visés. Réunir proprement deux caractères reste donc à la portée d’une salle de sélection normale. En viser cinq à la fois échoue faute de place, pas faute de savoir.

Le chémotype : un caractère à un seul endroit

Un caractère se comporte autrement, et ce contre-exemple est instructif. C’est un seul endroit du génome qui décide si une plante fabrique surtout du THC ou surtout du CBD. Chaque plante possède deux exemplaires de cet endroit, l’un du père et l’autre de la mère, et chacun porte soit l’allèle du THC, soit celui du CBD. Il en résulte trois sortes de plantes : deux fois THC donne du THC pur, deux fois CBD du CBD pur, et un de chaque donne une plante qui fabrique les deux. Aucun des deux allèles ne masque l’autre.

C’est pourquoi on peut ici calculer à l’avance ce que donnera un croisement. Si l’on croise deux plantes qui fabriquent les deux, chaque parent transmet au hasard l’un de ses deux allèles : 25 % des descendants fabriquent du THC pur, 50 % les deux, 25 % du CBD pur. Dans dix descendances étudiées de deuxième génération filiale, de 35 à 118 plantes chacune, on a retrouvé exactement ce rapport, noté 1:2:1 dans la littérature.

C’est l’exception, pas la règle. L’arôme et le rendement ne dépendent pas d’un seul endroit mais de beaucoup à la fois, et pour eux il n’existe ni trois sortes de plantes ni une proportion connue d’avance. La différence en pratique : pour le chémotype, un sélectionneur sait avant le semis combien de graines il doit mettre en terre pour obtenir une plante donnée. Pour l’arôme, il cultive, examine chaque plante une à une et garde celles qui conviennent.

De la plante isolée à la lignée pure

On ne peut tirer une génération suivante d’une seule plante sélectionnée qu’avec son propre pollen. On y parvient de façon contrôlée par l’inversion sexuelle provoquée : les plantes femelles traitées au thiosulfate d’argent forment des fleurs mâles fertiles, les plantes mâles traitées à l’éthéphon des fleurs femelles.

Le nom de la génération obtenue dépend de ce qu’était la plante autofécondée. Si c’était la F1 issue du croisement de deux parents, sa descendance est la F2, la deuxième génération filiale de ce croisement. Si c’était une plante quelconque, on compte les tours d’autofécondation : S1 après le premier, S2 après le deuxième, et ainsi de suite. Le travail classique sur le chémotype a mené les deux séries et a eu besoin de la même inversion sexuelle pour chacune.

Pour obtenir une lignée homozygote, l’autofécondation n’est d’ailleurs pas la seule voie, mais la plus rapide des deux. L’autre est le croisement frère-sœur (sibbing), l’accouplement de deux plantes de la même descendance ; il demande des plantes mâles, donc des graines régulières, et il atteint le but plus lentement. Ce rythme plus lent a un revers qui n’apparaît pas dans le calcul du temps : à degré de consanguinité égal, le croisement frère-sœur élimine plus efficacement les allèles létaux à l’état double, avec dans le modèle 7,11 allèles restants contre 9,3 sous autofécondation. Le modèle décrit des populations naturelles ; c’est le mécanisme qui se transpose, pas le chiffre. S’y ajoute le fait que chaque tour d’autofécondation exige l’inversion sexuelle et sélectionne donc aussi l’aptitude à celle-ci. Cela augmente le risque de fleurs mâles indésirables dans la lignée finale.

Un seul tour d’autofécondation produit d’ailleurs l’inverse de ce qu’on attend. Comparés directement à deux croisements avec une autre plante, les descendants autofécondés atteignaient environ la moitié de la hauteur et de la surface foliaire, fleurissaient sept jours plus tard, donnaient 63 % de matière sèche de fleurs en moins et variaient deux à trois fois plus que le groupe témoin pour la masse totale et la masse florale. Un tour d’autofécondation n’uniformise rien, il révèle ce qui était caché.

L’uniformité n’arrive qu’au bout du parcours. Par descendance monograine (SSD), où l’on ne poursuit qu’une seule plante par génération, il faut environ six générations pour que la part des loci hétérozygotes tombe sous 3 %, en partant de 17 à 35 % chez des plantes de départ issues de pollinisation libre. Le prix figure dans le même travail : la part des fleurs anormales est passée de 0,4 % dans la génération de départ à 13,7 % dans la sixième, soit plus de trente fois plus. Seul le croisement de deux lignées de ce type fournit la descendance uniforme qu’on attend d’une F1, et même là, seules deux lignées hybrides sur cinq sont restées sous 20 % de variation pour tous les composés actifs mesurés. La phrase d’ouverture est ainsi entièrement calculée : l’uniformité est atteignable, mais c’est un projet sur six générations, pas une propriété qu’un bon croisement apporte de lui-même.

Le rétrocroisement et le voisinage du gène cible

Le rétrocroisement passe pour un raccourci quand un seul caractère doit entrer dans une variété existante. Par le calcul, après un tour, 75 % du génome proviennent à nouveau du parent qui revient à chaque tour, appelé parent récurrent dans la littérature spécialisée, après le deuxième 87,5 % et après le troisième 93,8 % ; pour une restauration presque complète, il faut cinq tours ou plus. Deux conditions sont presque toujours passées sous silence : ce parent récurrent devrait lui-même être une lignée homozygote, et le caractère transféré devrait dépendre d’un seul endroit ou de quelques-uns. La première condition ramène directement à la phrase d’ouverture.

Ce qui ne disparaît pas avec le reste, c’est l’entourage immédiat de l’allèle cible. Comme on sélectionne à chaque tour les plantes qui portent justement cet allèle, un morceau du génome étranger y reste accroché : c’est le linkage drag (entraînement par liaison). Dans une simulation sur le colza, ce morceau mesurait 15,9 millions de paires de bases après le premier rétrocroisement et 5,4 millions après le deuxième. Après trois tours suivis d’une autofécondation, 98 % du génome étranger restant provenaient de ce seul morceau. L’emplacement d’un allèle pèse donc davantage sur la réussite que le nombre de générations.

Reste le cas particulier que personne ne planifie : des descendants qui sortent de la fourchette des deux parents. Ils ne naissent pas de préférence de parents aussi différents que possible. Sur six croisements de riz, seul celui entre deux variétés à floraison presque identique a montré une forte dispersion, avec un écart de 18 jours pour une différence de 0,7 jour entre les parents. Ce n’est pas étudié chez le cannabis, mais cela vaut tout de même comme attente : les valeurs extrêmes désagréables comme les heureuses viennent du même mécanisme, et toutes deux surviennent là où on les attend le moins.