Vers une maitrise génétique des faibles teneurs en isoflavones des cotylédons de la graine de soja destinée à l'alimentation humaine

Toward a genetic control of low isoflavones contents in soybean cotyledon dedicated to human consumption

• Auteur / Autrice : Jean Brustel
• Direction : Monique Berger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Développement des plantes, interactions biotiques et abiotiques
• Date : Soutenance le 17/12/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Ecologiques, Vétérinaires, Agronomiques et Bioingénieries
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physiologie, Pathologie et Génétique Végétales (Toulouse ; 2016-....)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national polytechnique (Toulouse ; 1969-....)
• Jury : Président / Présidente : Richard Berthomé
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Monique Berger, Julia Buitink, Eric Ziemons, Jane Hubert, Frédéric Violleau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julia Buitink, Eric Ziemons

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plantes -- Écophysiologie

Isoflavones

Soja

Mots clés libres

Soja

Isoflavones

Sélection végétale

Ecophysiologie

NIRS

QTLs

Soybean

Isoflavones

Plant Breeding

Ecophysiology

NIRS

QTLs

Résumé

Les isoflavones du soja sont des molécules présentes dans l’alimentation dont les effets complexes sur la santé humaine peuvent être bénéfiques comme délétères selon les circonstances de consommation. Les graines sont décortiquées pour la fabrication d’aliments à base de soja, essentiellement faits à partir des cotylédons. L’accumulation en isoflavones dans cette partie de la graine est spécifique en composition, quantité et dynamique par rapport aux isoflavones des axes embryonnaires. Ainsi, à l’échelle de la graine, les dosages d’isoflavones totales sont d’autant moins représentatifs que l’axe embryonnaire représente 2 à 3% de sa masse mais aussi jusqu’à 30% des isoflavones totales. Le but de ce travail de thèse a été de développer les outils nécessaires pour la sélection afin de sélectionner des variétés de soja spécifiques appauvries en isoflavones dans leurs cotylédons sans impacter celles des axes embryonnaires car ayant un rôle clé dans la signalisation de mise en place de la symbiose fixatrice d’azote. La spectroscopie proche infrarouge à partir des spectres des graines entières a été étudiée comme moyen de phénotypage haut débit non destructif de la teneur en isoflavones des cotylédons. Grâce à l’’utilisation d’un prétraitement des spectres et d’un paramétrage des modèles adapté, les performances en prédiction sont aujourd’hui suffisantes pour quantifier les teneurs dans les cotylédons et caractériser efficacement la composition en isoflavone des deux fractions de la graine. Le travail réalisé permet d’envisager l’étape de transfert de la méthode sur le terrain, bien qu’il reste un travail complémentaire à faire pour la prédiction des teneurs des axes embryonnaires. Dans un second temps, les effets de l’interaction génotype x environnement sur les teneurs en isoflavones des compartiments de la graine ont été étudiés. Ces interactions s’expliquent en grande partie par le groupe de maturité des génotypes. La caractérisation des conditions environnementales par des facteurs phénoclimatiques a mis en évidence des influences et des périodes de sensibilité contrastées entre les cotylédons et les axes embryonnaires. Notamment, les vagues de chaleur lors de la fin de l’embryogénèse inhibent spécifiquement les isoflavones des axes embryonnaires tandis que les basses températures lors de la maturation des graines en fin de cycle stimulent les teneurs dans les cotylédons. Cette approche écophysiologique a également mis en évidence une base génétique commune au déterminisme des deux parties de la graine une fois ces décalages pris en compte. Elle a aussi montré l’intérêt d’intégrer des facteurs phénoclimatiques pour mieux comprendre et décomposer les interactions génotypes-environnement. Enfin, la recherche de QTLs spécifiques aux isoflavones du cotylédon utilisables pour intégrer ce trait dans des programmes de sélection assistée par marqueurs a été réalisée via deux croisements entre variétés à teneurs moyennes sur un parent récurrent à faible teneur (dispositif de type NAM). Environ 5000 marqueurs SNP ont été génotypés sur (350 à 400 lignées RILs) de la génération F4 de ces populations et les niveaux en isoflavones ont été phénotypés sur les récoltes de la génération F5 sur deux lieux d’essai, par spectroscopie NIRS associée à l’analyse HPLC (10% des échantillons). Une vingtaine de marqueurs significativement associés ont permis d’identifier des régions chromosomiques d’intérêt, dont 5 contenant des gènes décrits dans la voie de biosynthèse des isoflavones. Ce travail ouvre la voie à une application vers la sélection assistée par marqueurs de la réduction de la teneur en isoflavones dans les cotylédons, ainsi que de nombreuses pistes à explorer pour comprendre la régulation différentiée de la teneur et composition en isoflavones de ces deux compartiments.

Isoflavones are molecules found in soy-based foods with complex effects on human health, both beneficial and harmful depending on the circumstances in which they are consumed. The seeds are dehulled for the manufacture of soyfoods made essentially from the cotyledons. Isoflavone accumulation in this part of the seed is specific in composition, quantity and dynamics compared with isoflavones in the embryo axes. Therefore, at seed level, total isoflavone dosages are all the more unrepresentative when the germ represents 2 to 3% of its mass, but up to 30% of total isoflavones. The aim of this research was to develop the necessary breeding tools to develop soybean varieties adapted to the manufacture of soyfood, with lower levels of isoflavones in the cotyledons without impacting those of the embryo axes, which are key messages in the signaling of nitrogen-fixing symbiosis. Near infrared spectroscopy from whole-seed spectra was investigated as a nondestructive high-throughput phenotyping method for isoflavones content in cotyledons. Thanks to an appropriate spectral preprocessing and model configuration, predictive performance is now sufficient to quantify efficiently cotyledon content and characterize the isoflavone composition of both seed fractions. The work carried out means that the method can now be transferred to the field, although further work remains to be done to predict the content of embryo axes. In a second phase, the genotype x environment interactions on isoflavone content in the seed compartments were studied. These interactions are largely explained by the maturity group of the genotypes. The analysis of environmental conditions using phenoclimatic factors revealed contrasting influences and periods of sensitivity between cotyledons and embryo axes. In particular, heat waves at the end of embryogenesis specifically inhibit isoflavones in embryo axes, while low temperatures during seed ripening at the end of the growing cycle stimulate isoflavone levels in cotyledons. This ecophysiological approach also highlighted a shared genetic basis for the determinism of both parts of the seed once these offsets are taken into account. It has also shown the value of integrating phenoclimatic factors to better understand and breakdown genotype-environment interactions. Finally, the project focused on the search for QTLs specific to cotyledon isoflavones usable for the integration of this trait into marker-assisted selection programs with the study of two crosses between medium-grade varieties on a recurrent low-grade parent (NAM-type system). Around 5,000 SNP markers were genotyped on 350 to 400 individuals from the F4 generations of these populations, and isoflavone levels were phenotyped on harvests of the F5 generation from two test sites using NIRS spectroscopy combined with HPLC analysis (10% of the samples). About twenty significantly associated markers were identified in chromosomal regions of interest, including 5 containing genes described in the isoflavone biosynthesis pathway. This work opens the way to marker-assisted selection for the reduction of isoflavone content in cotyledons, as well as numerous paths to be explored in order to understand the differentiated regulation of isoflavone content and composition in these two compartments.