Life Sciences Université Paris-Saclay

Combinant mathématiques, génétique in vitro et simulations, et en s'appuyant sur une analyse bibliographique approfondie, des chercheurs du Moulon et de Montpellier proposent une explication générale du phénomène d'hétérosis.

Lorsqu’on croise deux individus génétiquement éloignés, il est fréquent que leur descendance montre une « vigueur » supérieure à celle de ses parents : la croissance est plus rapide, l’âge de la reproduction plus précoce, la fertilité plus élevée, la résistance aux maladies meilleure, etc. Ce phénomène universel, appelé hétérosis, est exploité empiriquement depuis des millénaires (cf. le mulet), et fait l’objet de nombreux travaux depuis le début du XXe siècle dans le cadre de son utilisation en sélection animale et végétale. Même s’il a été expliqué au niveau moléculaire dans quelques cas, l’hétérosis reste souvent qualifié de « mystérieux », d’« insaisissable », voire de « magique », en raison notamment de son ampleur, qui peut être spectaculaire : les maïs hybrides peuvent avoir un rendement double de celui de parents, et la vitesse de croissance de certaines souches hybrides de levure excède celle des souches parentales de plus d’un ordre de grandeur.

Une équipe de l’UMR GQE – Le Moulon, en collaboration avec le laboratoire Sciences pour l'œnologie de l’INRA de Montpellier, a montré qu’une approche systémique de ce phénomène permettait d’en donner une explication générale. La clé de l’énigme réside en ce qu’on appelle en économie la « loi des rendements décroissants » : lorsque la concentration ou l’activité d’un constituant cellulaire augmente progressivement, l’effet sur le phénotype est d’abord élevé, puis s’estompe petit à petit pour finalement plafonner. Par exemple si la concentration d’une enzyme d’un réseau métabolique augmente à partir d’une valeur faible, le flux métabolique à travers ce réseau croît d’abord rapidement, puis de moins en moins à mesure que la concentration de l’enzyme devient élevée. Ce type de comportement, qui a été décrit à différents niveaux d’organisation, de la transcription/traduction à la valeur sélective, rend compte de la dominance très fréquente des allèles les plus actifs sur les moins actifs (figure 1A). Si l’on considère conjointement deux ou plusieurs constituants, l’hétérosis émerge du système en tant que généralisation de la dominance. En effet, comme on le voit figure 1B, la courbure de la surface décrivant la relation entre le génotype et le phénotype fait que la valeur phénotypique de l’hybride dépasse celle de la moyenne de ses parents, voire dans certains cas celle du meilleur parent. Ce modèle d’hétérosis a été formalisé mathématiquement grâce à la théorie des fonctions concaves, puis validé à la fois expérimentalement par génétique in vitro et informatiquement grâce à des simulations de la glycolyse de levure. Cette vision de l’hétérosis ouvre la voie à de nouveaux critères de prédiction du phénomène.

Contact : julie.fievet@inra.fr ou dominique.de-vienne@inra.fr

Le croisement d’individus génétiquement éloignés produit souvent des hybrides plus « vigoureux » que leurs parents : leur croissance est plus rapide, leur fertilité plus élevée, leur résistance aux maladies meilleure, etc. Ce phénomène universel, appelé hétérosis ou vigueur hybride, est largement exploité en sélection végétale et animale. Cependant l’ampleur de l’hétérosis pour un caractère donné dans un croisement donné reste très difficile à prédire, en raison de la complexité et de la diversité des mécanismes sous-jacents. Sauf cas particuliers, les méthodes empiriques de prédiction sont donc largement privilégiées.

Une équipe de l’UMR GQE – Le Moulon, en collaboration avec le laboratoire Sciences pour l'œnologie de l’INRA de Montpellier, avait montré que l’universalité du phénomène d’hétérosis pouvait provenir de la non-linéarité fréquente des relations génotype-phénotype ou phénotype-phénotype (Fiévet et al. 2018, Scoop-It mai 2018). S’appuyant sur cette interprétation de l’hétérosis, des chercheurs du CEFE et de SupAgro de Montpellier, de l’UMR GQE–Le Moulon et de l’institut Max Planck de Tübingen (Allemagne) ont réussi à prédire l’ampleur de l’hétérosis pour deux caractères chez Arabidopsis thaliana, plante modèle en biologie végétale. Grâce aux données recueillies sur 450 hybrides et leurs parents, d’origines géographiques diverses, ils ont pu établir les lois mathématiques qui reliaient la biomasse au taux de croissance d’une part, au nombre de fruits d’autre part. Ceci leur a permis de modéliser l’hétérosis attendu pour ces caractères connaissant la biomasse des seuls parents. Les relations entre caractères étant concaves, les hybrides dévient de la valeur moyenne de leurs parents, ce qui conduit à leur meilleure vigueur (Fig. A). Jusqu’à 75% de la variance de l’hétérosis ont ainsi pu être expliqués (Fig. B), contre seulement 7% lorsque la prédiction est basée sur la distance génétique entre parents. Ce travail, publié dans PLoS Biology, fait l’objet d’un companion paper qui évoque « l’élucidation d’une énigme d’un siècle en génétique ».

Légende Figure. Prédiction de l’hétérosis du taux de croissance à partir de la biomasse de la plante. A. Relation entre la biomasse M (en abscisse) et le taux de croissance (en ordonnée). La courbe correspond à la relation allométrique, mathématiquement connue, entre ces deux caractères (allométrie : croissance différentielle des organes, ou d’un organe et de l’ensemble de l’organisme). Deux parents (en rouge) et leur hybride (en bleu) sont montrés, ainsi que la différence entre la valeur du « parent moyen » et celle de l’hybride (double flèche bleue). B. Relation entre l’hétérosis prédit (en abscisse) et observé (en ordonné), pour deux indices d’hétérosis différents. La relation est très hautement significative, expliquant de 2/3 à 3/4 de la variance de l’hétérosis. 

Contact : dominique.de-vienne@inra.fr