Diversité génétique et qualité technologique du blé dur (Triticum turgidum L. subsp. durum (Desf.) Husn.) cultivé en Tunisie

E. Babay^1,2,3,

M. Hanana^1,

R. Mzid^1,*,

H. Ben Haj-Salah ^4,

M. Rodriguez-Quijano^3,

A. Ghorbel¹

H. Slim-Amara²

 

¹ Laboratoire de Physiologie Moléculaire des Plantes. Centre de Biotechnologie de Borj-Cédria (CBBC). BP 901. Hammam Lif 2050, Tunisia

² Laboratoire de Génétique et Amélioration des Céréales. Institut National Agronomique de Tunisie (INAT). 43, Avenue Charles Nicolle. 1082 Tunis, Tunisia

³ Unidad de Genética. Departemento de Biotecnologia. ETSIA Universidad Politecnica. Ciudad Universitaria s/n. 2080, Madrid. Spain

⁴ Institut National des Grandes Cultures (INGC), BP 120, BouSalem 8170, Tunisia

 

Summary - As a prerequisite for improvement of technological quality (semolina and/or pasta) of durum wheat, the evaluation of varieties with respect to gluten quality determined on the basis of gluten strength and protein content supported by the genetic diversity analysis for genetic distance between different genotypes (local, improved and introduced) in our gene pool of durum wheat has been done. This work is further supported by genetic diversity analysis using SSR molecular markers with 28 primers on 27 varieties of Tunisian durum wheat. High genetic polymorphism was detected with an average of 5.2 alleles per locus and a polymorphism index of PIC = 0.53. Landraces showed a very high protein content value relatively to modern cultivars. On the other hand, modern varieties showed high gluten strength. Thus, according to our results, selection of best parents for quality improvement programs, based on pedigrees, technological properties and genetic distances can be possible.

 

Keywords : gluten / molecular markers SSR / protein content.

 

Résumé - La première étape qui doit être planifiée pour installer un programme d’amélioration de la qualité technologique (de la semoule et/ou de la pâte) du blé dur est l’évaluation de la qualité du gluten des variétés, déterminée principalement par la force du gluten et la teneur en protéines. La deuxième étape est l’estimation de la distance génétique qui sépare les différents génotypes (locaux, améliorés et introduits) formant notre patrimoine génétique de blé dur. De ce fait, nous avons évalué la qualité technologique moyennant la technique de sédimentation SDS et la teneur en protéines, et étudié la diversité génétique à l’aide de marqueurs moléculaires de type SSR en utilisant 28 amorces au niveau de 27 variétés de blé dur tunisien. Un polymorphisme important a été détecté avec une moyenne de 5,2 allèles par locus et un indice de polymorphisme PIC=0,53. Les variétés autochtones ont montré une teneur en protéines très élevée par rapport aux cultivars modernes. D’autre part, ces derniers possèdent une importante force de gluten. Ainsi, d’après nos résultats, nous avons la possibilité de choisir les meilleurs parents pour un programme d’amélioration de la qualité, en se basant sur les pédigrées, les propriétés technologiques et les distances génétiques.

 

Mots clé : gluten / marqueurs moléculaires SSR / teneur en protéines.

1. Introduction

Le blé dur (Triticum turgidum L. subsp. durum (Desf.)) constitue une des céréales les plus anciennes et les plus cultivées dans le monde avec plus de 17 millions d’hectares et qui représente le plus grand marché d’importation pour le bassin méditerranéen. Ceci est dû à la grande consommation des méditerranéens de dérivés de blé dur (Nazco et al. 2012). Contrairement au blé tendre (Triticum aestivum L.) qui est utilisé pour la fabrication du pain et des noodles orientales, le blé dur est le préféré pour la fabrication de pâte, car il est le plus dur à moudre pour donner de grosses particules nommées semoule (Sisson 2008). Le blé dur, avec sa teneur en protéines et sa force de gluten, produit une pâte ferme avec une bonne texture, qui garde après cuisson un aspect non collant et intègre (d’Egidio et al. 1990; Elias et al. 2005). La Tunisie étant une zone de grande richesse génétique de blé dur (Ayed and Slim-Amara 2009), le germoplasme local avec sa meilleure adaptation pourrait ouvrir des horizons prometteurs quant à son exploitation. L’analyse de cette diversité génétique serait d’un apport considérable au cours des actions visant la sauvegarde, la conservation et la création variétale. Ainsi, la préservation de la diversité génétique du patrimoine national pourrait servir aux sélectionneurs pour la création de variétés futures permettant ainsi d’échapper aux fluctuations de la production céréalière dues à l’inadaptation de certaines variétés introduites sous nos conditions climatiques. L’étude moléculaire de cette diversité permet de comprendre les différences et les similitudes qui existent entre les écotypes, au niveau de leurs gènes et de décrire la structuration de la variabilité génétique au sein des populations (Nevo et al. 1998). Les microsatellites (SSRs) sont des marqueurs moléculaires en tandem de courtes séquences d’ADN (Najimi et al. 2003). Ces répétitions sont hautement polymorphes même chez les cultivars apparentés, co-dominantes et sont largement dispersées à travers le génome. Ces marqueurs ne sont pas influencés par les fluctuations de l’environnement et sont indépendants de l’organe analysé et du stade de développement de la plante (Rôder et al. 1998; Chabane et al. 2008). La diversité de la qualité technologique de blé dur est déterminée principalement par la force de gluten qui, à son tour, dépend de la qualité et de la quantité de protéines de réserve. Il y a un niveau seuil minimal de protéines de gluten qui doit être atteint, pour avoir une qualité de cuisson désirable (Dexter and Matsuo 1977). Le test de sédimentation SDS, le mixographe et la teneur en protéines expliquent près de 71% de la variation totale de la fermeté de la pâte. Ces tests ont montré une bonne efficacité de la prédiction de la qualité de la pâte (Dick and Quick 1983; Dick and Youngs 1988; Kovacs et al. 1995). Etant donné l’importance de leurs fiabilités, ces tests ont été utilisés par la majorité des améliorateurs de blé dur pour évaluer la force de gluten des nouvelles lignées (Dick and Youngs 1988). La rhéologie de la pâte et sa qualité de cuisson sont essentiellement déterminées par les effets superposés de la teneur en protéines, le ratio gluténine/gliadine et la composition allélique des HMW-GS et des LMW-GS. Il est bien connu que moins de 75% de la variation des différents paramètres de qualité de la pâte est expliqué par la composition en protéines de réserve du grain de blé (Patil et al. 2006; Ruiz and Carrillo 1995; Vazquez et al. 1996). L’évaluation de la variabilité de la qualité technologique (force de gluten) donne une idée sur le niveau de la variabilité génétique qui contrôle la composition allélique de gluténine (sous unité de HMW et de LMW) et de gliadine. Dans ce travail, nous étudions la diversité génétique de 27 variétés de blé dur cultivées en Tunisie depuis 1893 par le biais de 28 marqueurs moléculaires de type SSR (GWM, WMC, BARC, CFD et PSP) et une évaluation de la diversité de leurs qualités du gluten.

 

2. Matériel et méthodes

   1. Culture des variétés

27 variétés de blé dur (Deghaïs et al. 2003 ; Ammar et al. 2011), cultivées dans les exploitations agricoles en Tunisie depuis le début du vingtième siècle, ont été utilisées dans cette étude (tableau 1), les semences ont été fournies par l’Institut National des Grandes Cultures (INGC). Les génotypes ont été cultivés dans les conditions de plein champ pendant la saison 2009-2010 avec deux répétitions en blocs.

Tableau 1 : Liste des variétés utilisées avec le pédigrée, l’origine et l’année (Deghaïs et al. 2003 ; Ammar et al. 2011)
Locales	Pédigrée	Origine / Année
Swabaa Algia	Variété locale	Nord Tunisie, 1909
Chili	Variété locale	France, 1932
Ouard Bled	Variété locale	Tunisie
Souri	Variété locale	Tunisie, 1915
Mahmoudi	Variété locale	Tunisie, 1893
Aouadhi	Variété locale	Nord Afrique
Sbèi	Variété locale	1908
Biskri	Variété locale	Algerie, 1909
Aouija	Variété locale	Nord Tunisie, 1909
Hamira	Variété locale	Tunisia, 1893
Bidi	Variété locale	Nord Afrique, 1908
Baidha	Variété locale	Tunisie
Derbessi	Variété locale	Tunisie, 1909
Jenah-Khottifa	Variété locale	Tunisie, 1915
Agili	Variété locale	Tunisie, 1925
Arbi	Variété locale	-
Richi	Variété locale	1908/1909
Améliorées
Karim	Jori“S”/Anhinga“S”//Flamingo“S”	CIMMYT-Mexico, 1980
Inrat69	Mahamoudi/Kyperounda	Tunisie 1969
Razzek	Dmx69-331/Karim	INRAT-Tunisie, 1987
Om Rabii	Jori C69/ Hau	ICARDA-Seri, 1996
Khiar	Chen/Altar 84	CIMMYT-Mexico, 1992
Nasr	GoVZ512/Cit//Ruff/Fg/3/Pin/Gre//Trob	ICARDA-Seri, 2002
Saragolla	Iride/LineaPSB 0114	Italie, 2004
Iride	Altar 84/Ionio	Italie, 1996
Grécale	S2/WB881//Plinio/F22	Italie, 2004
Maéstrale	Iride/Svevo	Italie, 2004

2. Isolement d'ADN et technique SSR

L'ADN génomique de chaque variété a été extrait à partir de feuilles issues de graines germées âgées de 3 semaines. Les réactions de PCR ont été réalisées dans un volume réactionnel de 25 µl contenant 1U de Taq polymérase, 50 ng d'ADN, 0,25 µM de chaque amorce, 0,2 mM de dNTP, 2mM de MgCl₂ et 1X de tampon de réaction PCR ; selon le programme suivant :un cycle à 95°C pendant 3 min, 35 cycles consécutifs composés de [1 min de dénaturation à 94°C, 1 min pour hybridation à X° C (spécifique de chaque amorce) et 2 min à 72°C pour l’extension], et enfin, 10 min d’élongation finale à 72°C. Les produits amplifiés par PCR ont été séparés par électrophorèse sur gel d’agarose (3%), colorés par le bromure d'éthidium (0,5 mg/ml) et visualisés sous lumière UV, en présence d’un marqueur de taille (100 pb, Promega).

 

3. Évaluation des paramètres qualitatifs

Les principaux paramètres qualitatifs analysés et recherchés pour une bonne qualité de pâtes sont la teneur en protéines et la force de gluten estimée par le test de sédimentation SDS. Plusieurs études ont montré qu’il existe une corrélation entre le test de sédimentation SDS et les paramètres de mixographe (Brites and Carrillo 2001; Martínez et al. 2005; Edwards et al. 2007). Les paramètres qualitatifs ont été évalués pour des échantillons cultivés dans les conditions pluviales du champ. La force de gluten a été estimée par le test de SDS-sédimentation (SDSS), avec quelques modifications mineures (Dick and quick 1983; Carrillo et al. 1991), avec deux mesures pour chaque échantillon. La teneur en protéines (GPC) à 14% d'humidité a été estimée par un analyseur de réflectance dans le proche infrarouge « Inframatic 8120 Analysis ENMP».

4. Analyses statistiques

   1. Analyse de dendrogramme de similarité

Les fragments amplifiés des marqueurs SSR ont été examinés par la présence (représentée par 1) ou l’absence (représentée par 0) de bande. Une matrice de données a été préparée pour générer une matrice de similarité par paire avec le logiciel NTSYSpc-2.02j (NTSYS-numérique taxonomie et de l'analyse multi-variée, Rohlf 1998) en utilisant un coefficient d'adaptation simple (Sokal et al. 1958). Enfin, un dendrogramme a été construit sur la base des données de la matrice de similarité en utilisant UPGMA (Unweighted Pair-Group Method using Arithmetic Averages).

 

2. Degré de polymorphisme variétal

Les données ont été utilisées pour calculer la diversité de chaque marqueur SSR. Ceci est l’équivalent de PIC (Polymorphism Information Content) de chaque amorce selon la description d’Anderson (1992) dans l’équation suivante :

Où P_ij est la fréquence de l’i^ème bande révélée par la j^ème amorce.

P(ij) est sommée à travers toutes les bandes révélées par les amorces.

La valeur de PIC est également une estimation de la capacité de discrimination du marqueur SSR d'un locus. Les fréquences des allèles nulles ne sont pas incluses dans le calcul de PIC.

 

3. Résultats et discussion

   1. Qualité technologique

Il ressort de l’analyse des différents paramètres de la qualité technologique une variabilité au sein des génotypes étudiés. La teneur en protéines à 14% d'humidité varie de 9,8% chez Khiar qui est pourtant une variété améliorée, jusqu’à 13,8% chez les deux variétés locales Bidi et Chili, toutes deux variétés locales, avec une moyenne de 11,9% (figure 1). Bien que le germplasme utilisé soit assez diversifiée, entre variétés locales, améliorés et introduites, seule une légère variabilité des teneurs en protéines a été enregistrée au sein des génotypes étudiés. En France, suite à la récolte 2013 de blé dur, les teneurs en protéines enregistrées sont globalement situées dans une fourchette comprise entre 13 et 13,5 % (Anonyme 2013). Une étude canadienne menée sur 50 ans (1963-2012) a révélé une teneur moyenne en protéines de 13,2 % du blé dur ambré de l’Ouest canadien, mais avec une grande fluctuation de ce facteur de qualité (11,5 à 15,6 %), en grande partie attribuable aux conditions de l’environnement (Canadian Grain Commission 2012). En fait, la teneur en protéines est un caractère à faible héritabilité et fortement influencé par les conditions environnementales et les pratiques culturales.

 

Figure 1 : Evaluation de la teneur en protéine de chaque variété de blé dur. (H : Humidité)

 

En revanche, les valeurs moyennes de sédimentation SDS sont très variables en fonction des génotypes étudiés (figure 2). Elles varient de 20 mm pour Swabâa Algia et Derbessi (variétés locales) jusqu’à 80 mm pour Saragolla, Grécale et Nasr (variétés améliorées), avec une moyenne de 39,5 mm (figure 3). En général, les variétés améliorées ont une force de gluten plus élevée que les variétés autochtones à l’exception des variétés Maestrale et Karim qui possèdent un volume de sédimentation SDS très faible (synonyme d’une faible force de gluten). Ce résultat indique que la majorité des améliorateurs ont pris en considération la force de gluten comme critère principal de sélection dans leurs croisements. Cependant, les améliorateurs n’ont pas pu associer à ce critère d’amélioration celui de la teneur en protéines qui est influencée par l’environnement et qui corrèle négativement avec le rendement, autre objectif prioritaire de sélection (Oury et al. 2003; Oury and Godin 2007; Blanco et al. 2011). En général, l’amélioration génétique de la teneur en protéines est très difficile à atteindre car il s’agit d’un caractère multigénique dont la variation génétique est faible par rapport aux variations dues à l'environnement. Cependant le seul gène qui a été identifié, responsable de la teneur en protéines est le GPC-B1 ayant comme origine Triticum turgidum ssp. dicoccoides, ce gène a été transféré au blé dur et représente aujourd’hui une ressource précieuse pour augmenter les taux de protéines au niveau des grains (Mesfin et al. 1999; Khan et al. 2000; Brevis et al. 2010). Aucune corrélation entre la teneur en protéines et le volume de sédimentation SDS n’a été enregistrée, cette absence de corrélation a été signalée par plusieurs études antérieures (Matsuo et al. 1982; Du Cros 1987; Vázquez et al. 1996; Brites and Carrillo 2001; Edwards et al. 2007). En effet, la teneur en protéines est contrôlée par l’environnement plus que l’expression génétique, contrairement au volume de sédimentation SDS exprimant la force de gluten qui repose particulièrement sur une base génétique. La large variabilité de la force de gluten qui est un caractère contrôlé principalement par la variation allélique des loci Glu-A1, Glu-B1, Glu-A3, Glu-B3, Glu-B2 et Gli-B1, pourrait donner une idée sur la diversité génétique obtenue par l’expression de ces loci (Vázquez et al. 1996; Brites and Carrillo 2001; Martinez et al. 2005).

 

Figure 2 : Profils variétaux des volumes de sédimentation. 1: Karim, 2: MahmoudI, 3: Inrat69, 4: Razzek, 5: Chili, 6: Souri, 7: Jenah-khotifa, 8: Om-rabii, 9: Iride, 10: Biskri, 11:Khiar, 12: Saragolla, 13: Nasr, 14: Grécale, 15: Agili, 16: Arbi, 17: Baîdha, 18: Sbéi, 19: Maestrale, 20: Derbessi