REPONSE DE LA FEVE A LA MUTAGENESE CHIMIQUE : IMPLICATION DE LA TAILLE DES GRAINES.

Oumaima Chetto (1), Loubna Belqadi (2), Mohamed Kouighat (1), Etienne Bucher (3), Mohamed El Fechtali (1), Rokhaya Ymelda Ndiaye (1) et Abdelghani Nabloussi (1).

Ir Oumaima Chetto
Généticienne
URAPRCG-INRA Meknès

La fève (Vicia faba L.), légumineuse d’importance majeure, occupe une place prépondérante dans l’agriculture mondiale grâce à ses qualités nutritionnelles, son adaptabilité et sa contribution aux systèmes agricoles durables. L’emploi de la mutagenèse chimique, notamment via l’Éthyl Méthanesulfonate (EMS), s’est révélé être un outil précieux dans les programmes de sélection de la fève. Cette technique permet d’induire une variabilité génétique et de développer des cultivars améliorés en un temps relativement réduit. Toutefois, la détermination de la concentration optimale d’EMS reste un défi majeur, comme en témoigne la grande diversité des protocoles rapportés dans la littérature.

Les recherches publiées mettent en évidence une large gamme de concentrations d’EMS. Certaines études ont rapporté l’utilisation de concentrations relativement faibles, allant de 0,01% à 0,05% (Abo-Hegazi, 1979; Longhi et al., 2011; Khursheed et al., 2015, 2018; Nurmansyah et al., 2020). A l’opposé, d’autres investigations ont appliqué la mutagenèse avec des concentrations plus élevées, dépassant 0,1% et atteignant 1% (Filippetti et De Pace, 1986; Elmeer et al., 2016; Shahwar et al., 2017; Haridy et al., 2022).

Par ailleurs, les variétés botaniques des fèves, fèverole (minor), févette (equina) et fève (major) sont souvent négligées lors de l’application de la mutagenèse par EMS. Des études sur Vicia faba L. et d’autres espèces ont émis l’hypothèse que la taille des graines pourrait influencer la sensibilité aux mutations induites par l’EMS (Chen et al., 2023). D’autres études ont émis l’hypothèse que les variétés de féverole à petites graines présentent une sensibilité plus importante aux agents mutagènes, notamment l’EMS, comparativement aux variétés à grosses graines (Rajendran et Lakshmi, 2006; Shah et al., 2008). Cela suggère que les graines plus grosses pourraient posséder une plus grande capacité de tamponnage, atténuant potentiellement les effets mutagènes par rapport aux petites graines.

L’information génétique encodée dans ces variétés peut également jouer un rôle crucial dans la détermination de la sensibilité aux mutations induites par l’EMS. L’interaction complexe entre la variété botanique et le génotype pourrait fournir une compréhension plus approfondie des réponses mutagènes et améliorer l’efficacité des stratégies d’amélioration génétique des espèces cultivées par mutagenèse chimique.

De ce fait, une étude a été menée dans le but de combler les lacunes existantes dans la connaissance de la mutagenèse de la fève. Nous avons examiné la variabilité de réponse au mutagène EMS parmi six variétés de fèves, incluant des cultivars major (Aguadulce superlonga, Reina Mora et Yasmine) et minor (Alfia05, Alfia17 et Zina). Nous avons également exploré l’effet de trois concentrations contrastées d’EMS (0.05, 0.5 et 1%) sur ces génotypes tout en mettant la lumière sur les mécanismes sous-jacents aux variations de réponse, tels que l’activité antioxydante et les propriétés physiques comme l’épaisseur du tégument de la graine.

Influence limitée de la taille des graines sur la sensibilité à l’EMS chez la fève

L’analyse de variance a révélé que la taille des graines n’avait pas d’effet significatif sur la réponse à l’EMS pour la plupart des paramètres étudiés. Cela remet en question l’hypothèse selon laquelle la taille des graines influencerait de manière significative la sensibilité aux mutations induites par l’EMS chez la fève.

Forte variation de la réponse génotypique aux concentrations croissantes d’EMS

L’analyse a mis en évidence des différences hautement significatives dans la réponse des différents génotypes/variétés au traitement EMS pour presque tous les paramètres étudiés. Ces résultats soulignent l’importance du génotype dans la sensibilité à l’EMS, même au sein d’une même espèce. Ils mettent en lumière la nécessité de tester un large éventail de génotypes lors de la détermination de la DL50, plutôt que de se fier uniquement aux résultats établis pour d’autres variétés ou génotypes dans la littérature existante.

Dynamiques de germination en réponse à l’EMS chez six variétés de fèves

Effet général de l’EMS : Les taux de germination ont diminué pour toutes les variétés testées avec l’augmentation des concentrations d’EMS (Figure1).

Effet stimulant à faible concentration : À la concentration de 0,05% d’EMS, un phénomène remarquable a été observé : toutes les variétés étudiées, à l’exception d’Alfia 17, ont présenté des taux de germination supérieurs à ceux du groupe témoin non traité par l’EMS. Cela pourrait être dû à un effet hormétique, où une faible dose d’un agent stressant induit une réponse adaptative positive (Jalal et al., 2021). Ces observations ouvrent des perspectives intéressantes pour l’utilisation potentielle de faibles doses d’EMS comme traitement pré-germinatif.

Réponses variétales : Reina Mora (grosses graines) et Zina (petites graines) ont montré les meilleures réponses à toutes les concentrations d’EMS. En revanche, Aguadulce Superlonga a généralement présenté les taux de germination les plus faibles. Yasmine et Alfia 5 ont affiché des taux de germination intermédiaires.

Contrairement à l’hypothèse susmentionnée, la taille des graines ne semble pas constituer un facteur déterminant de la sensibilité à l’EMS. Cela suggère que d’autres facteurs génétiques ou physiologiques sont plus importants dans la réponse à ce mutagène. En général, ces résultats soulignent l’importance de considérer les réponses spécifiques de chaque variété lors de l’utilisation de l’EMS en mutagenèse. Ils ouvrent également des pistes de recherche sur l’utilisation de faibles doses d’EMS pour améliorer potentiellement la germination dans des conditions difficiles.

Figure 1. Pourcentage de germination pour six variétés sous des concentrations croissantes d’EMS et un contrôle non-traité

Évaluation de l’épaisseur du tégument des graines et de son lien potentiel avec la résistance à la toxicité de l’EMS

Contrairement à ce que l’on pourrait supposer, l’épaisseur du tégument des graines ne semble pas être directement liée à la tolérance ou à la sensibilité à l’EMS. La variété Aguadulce superlonga, qui s’est révélée la plus sensible au traitement à l’EMS, possède paradoxalement le tégument le plus épais, mesurant 0,199 mm (Figure 2). Une analyse plus approfondie, réalisée à l’aide d’une matrice de corrélation, a confirmé cette constation en ne mettant en évidence aucune corrélation statistiquement significative entre l’épaisseur du tégument et les différents paramètres associés à la sensibilité à l’EMS. Ces résultats remettent en question l’hypothèse selon laquelle un tégument plus épais offrirait une meilleure protection contre les effets mutagènes de l’EMS. Elles suggèrent que d’autres facteurs, probablement d’ordre génétique ou biochimique, jouent un rôle plus déterminant dans la réponse des graines à ce mutagène chimique.

Figure 2. Variation de l’épaisseur du tégument des graines parmi les six variétés

Activité antioxydante et réponse au stress induit par EMS chez différentes variétés de fève

L’analyse de l’activité antioxydante sur des graines de fève non stressées a révélé trois groupes distincts, avec Yasmine présentant la plus forte inhibition des radicaux libres, suivie par Aguadulce superlonga et Alfia05, tetis que Reina Mora, Zina et Alfia17 ont manifesté une inhibition plus faible.

Cependant, sous l’effet d’un stress induit par l’EMS, Reina Mora, Zina et Alfia17 ont considérablement augmenté leur capacité à piéger les radicaux libres, démontrant une réponse adaptative efficace, appuyant ainsi leur tolérance relativement importante aux concentrations croissantes d’EMS. Cette réaction implique le renforcement des défenses antioxydantes pour contrer les dommages oxydatifs et maintenir l’intégrité cellulaire, notamment par la régulation d’enzymes clés.

En revanche, Aguadulce superlonga, Alfia05 et Yasmine ont vu leur activité antioxydante diminuer significativement sous stress induit par EMS. Cela pourrait s’expliquer par une surproduction de Dérivés Réactifs à l’Oxygène (ROS) dépassant les capacités de défense ou par une réorientation des ressources vers d’autres mécanismes de réponse au stress.

La compréhension de ces réponses variables entre génotypes est cruciale, non seulement pour optimiser les traitements à l’EMS, mais aussi pour mieux appréhender la tolérance générale des plantes aux stress.

Conclusion

Cette étude sur la sensibilité des graines de différentes variétés de fèves au mutagène EMS apporte une perspective nouvelle sur les facteurs influençant les réponses au stress induit par l’EMS. Les résultats obtenus remettent en question l’idée selon laquelle la taille des graines détermine la sensibilité à l’EMS. Ils soulignent plutôt l’importance primordiale de l’information génétique propre à chaque génotype dans la tolérance aux fortes concentrations d’EMS. De plus, l’épaisseur du tégument ne semble pas influencer l’absorption d’EMS puisque certaines variétés à tégument épais ont manifesté une sensibilité élevée.

L’évaluation des réponses antioxydantes révèle leur implication dans la sensibilité à l’EMS. Ainsi, les génotypes dotés de mécanismes efficaces de piégeage des radicaux libres pourraient présenter une meilleure résilience non seulement à l’EMS, mais aussi à d’autres conditions environnementales difficiles.

Cette recherche constitue une première étape dans la compréhension des mécanismes complexes d’adaptation des plantes au stress induit par l’EMS. Pour approfondir ces connaissances, il sera nécessaire d’examiner en détail les systèmes antioxydants enzymatiques et non enzymatiques, et d’intégrer des techniques moléculaires comme l’analyse de l’expression des gènes antioxydants clés.

Références 

Abo-Hegazi, A.M.T., (1979). Two decades of utilization of induced mutations for crop improvement in Egypt. (IAEA-TECDOC–222). International Atomic Energy Agency (IAEA).

Chen, L., Duan, L., Sun, M., Yang, Z., Li, H., Hu, K., Yang, H., Liu, L., (2023). Current trends and insights on EMS mutagenesis application to studies on plant abiotic stress tolerance and development. Frontiers in Plant Science 13.

Jalal, A., Oliveira Junior, J.C.D., Ribeiro, J.S., Fernandes, G.C., Mariano, G.G., Trindade, V.D.R., Reis, A.R.D., (2021). Hormesis in plants: Physiological and biochemical responses. Ecotoxicology and Environmental Safety 207, 111225. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2020.111225

Khursheed, S., Amin Laskar, R., Raina, A., Amin, R., Khan, S., (2015). Comparative analysis of cytological abnormalities induced in Vicia faba L. genotypes using physical and chemical mutagenesis. Chromosome Science. 18. 3-7. https://doi.org/10.11352/scr.18.47

Nurmansyah, N., Alghamdi, S.S., Migdadi, H.M., Khan, M.A., Afzal, M., (2020). AFLP-Based Analysis of Variation and Population Structure in Mutagenesis Induced Faba Bean. Diversity 12, 303. https://doi.org/10.3390/d12080303

Shah, T.M., Mirza, J.I., Ahsanul, M., Atta, B.M., (2008). Radio Sensitivity of Various Chickpea Genotypes in M1 Generation I-Laboratory Studies. Pakistan Journal of Botany 40(2): 649-665.

Shahwar, D., Ansari, M.Y.K., Chaudhary, S., Aslam, R., (2017). Evaluation of Yield Attributing Variants Developed Through Ethyl Methane Sulphonate in an Important Proteinaceous Crop-Vicia faba. Asian J. of Crop Science 9, 20–27. https://doi.org/10.3923/ajcs.2017.20.27

Elmeer, K., Abduljawad, E., Eljrary, E., (2016). Investigation of EMS effect on Vicia faba seed germination and seedling growth under saline condition. Al Mukhtar Journal of Sciences 31, 1–11. https://doi.org/10.54172/mjsc.v31i1.215

Filippetti, A., De Pace, C., (1986). Improvement of seed yield in Vicia faba L. By using experimental mutagenesis. II. Comparison of gamma-radiation and ethyl-methane-sulphonate (EMS) in production of morphological mutants. Euphytica 35, 49–59. https://doi.org/10.1007/BF00028540

Longhi, J.G., Perez, E., Lima, J.J. de, Cândido, L.M.B., (2011). In vitro evaluation of Mucuna pruriens (L.) DC. antioxidant activity. Brazilian Journal of Pharmaceutical Sciences 47, 535–544. https://doi.org/10.1590/S1984-82502011000300011

Haridy, M.H., Ahmed, B.H., Mahdy, A.Y., El-Said, M. a. A., (2022). Effect of Mutagens on Yield and its Components of Two Varieties of Faba Bean (Vicia faba L.). Pakistan Journal of Biological Sciences 25, 296–303. https://doi.org/10.3923/pjbs.2022.296.303

Rajendran, K., Lakshmi, B., (2006). Effect of Gamma Rays and EMS on Two Varieties of Soybean. Asian Journal of Plant Sciences 5. https://doi.org/10.3923/ajps.2006.721.724

Affiliations des auteurEs :

¹ Institut National de la Recherche Agronomique, Centre Régional de la Recherche Agronomique de Meknès, Unité de Recherche en Amélioration des Plantes et Conservation des Ressources Phytogénétiques, B.P. 415, Rabat, 10090, Maroc

² Institut Agronomique et Vétérinaire Hassan II, Département de Production, Protection des Plantes et Biotechnologies, B.P. 6202, Rabat 10101, Maroc

³ Agroscope, Groupe Dynamique du Génome des Cultures, Changins, 1260, Nyon, Suisse

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