ETUDE DES BASES GENETIQUES DE L’ADAPTATION DU MIL

Le mil 

Taxonomie et botanique du mil 

Le mil est un terme générique qui regroupe un ensemble de genres de plantes. D’après la classification de Cronquist, (1981), il appartient à la famille des Poaceae (Graminées), de l’Ordre des Cyperales, de la classe des Liliopsida, de la division des Magnoliophyta, du règne des Plantae. Le caractère commun de ces genres est la petite taille des graines (FAO et ICRISAT, 1997). Les différentes espèces de mils cultivés sont Pennisetum glaucum, Eleusine coracana, Panicum miliaceum, Setaria italica, Eragrostis tef, Echinochloa crusgalli, Panicum sumatrense, Paspalum scrobiculatum, Coix lachryma-jobi, Digitaria exilis, Digitaria iburua et Brachiaria deflexa (FAO et ICRISAT, 1997). Dans notre étude, nous allons nous intéresser à l’espèce Pennisetum glaucum. Pennisetum glaucum Pennisetum glaucum appelée mil pénicillaire ou mil à chandelle (Fig. 1-I), est une espèce appartenant au genre Pennisetum, à la tribu des Paniceae, à la sous-famille des Panicoideae, à la famille des Poaceae. C’est une plante diploïde à 14 chromosomes (n = 7), sexuée à fleurs hermaphrodites, à reproduction allogame favorisée par une protogynie prononcée et à pollinisation préférentiellement anémophile. C’est la céréale la plus tolérante à la sécheresse, cultivée dans des zones sous des isohyètes pouvant descendre jusqu’à 200 mm par an (Bezançon and Pham, 2004) Cette espèce regroupe trois (3) sous-espèces ; Pennisetum glaucum ssp. monodii, Pennisetum glaucum ssp. glaucum et Pennisetum glaucum ssp. stenostachyum.

 Pennisetum glaucum ssp. monodii 

Elle est aussi appelée Pennisetum glaucum ssp. violaceum (Zon, 1992). C’est la sous-espèce sauvage. Elle pousse à l’état spontané. Sa distribution géographique est limitée à la zone Sahélienne de l’Afrique. Elle est caractérisée par une petite taille des épis, des épillets caducs à maturité et des graines très petites et enveloppées par les glumelles. C’est une plante herbacée, à tiges fines très ramifiées sur toute leur longueur, terminées chacune par un épi d’environ 8 cm de long. 

Pennisetum glaucum ssp. stenostachyum 

Elle regroupe l’ensemble des formes intermédiaires issues d’hybridations naturelles entre formes cultivées et formes sauvages (Marchais et al., 1993). Encore appelée Pennisetum glaucum ssp. sieberianum (Zon, 1992). Appelé en Wolof « N’douls » par les paysans Sénégalais (Bilquez and Lecomte, 1969). Elle est souvent rencontrée en périphérie des champs de mil cultivé et présente des épis de taille et de morphologie intermédiaire relativement par rapport à ceux des formes sauvages et cultivées. 

Pennisetum glaucum ssp. glaucum 

C’est la sous-espèce cultivée. Elle est rencontrée en Afrique, en Asie et en Amérique. Elle se différencie morphologiquement du type sauvage par la non-caducité des graines à maturité (Tostain, 1998), l’augmentation de la taille des graines, la perte de la dormance, la diminution de la longueur des soies de l’épi (Poncet et al., 1998). Génétiquement, elle se distingue par six gènes sous sélection, intervenant dans la date de floraison (Clotault et al., 2012). Cette espèce cultivée se subdivise principalement en deux variétés distinguées par les paysans, en fonction de la longueur du cycle de culture, appelées différemment selon les endroits. Une variété précoce dont la date de floraison varie de 50 à 60 jours (Dussert et al., 2015a), appelée « Souna » au Sénégal et au Mali, « Hainis » au Burkina, « Haïni Kiré », « Guerguéra », « Zongo », « Ba-Angouré », « Ankoutess » et « Boudouma » au Niger (Bezançon et al., 1997a) et une variété tardive dont la date de floraison varie de 80 à 110 jours (Dussert et al., 2015a) appelée « Sanio » au Sénégal et au Mali, « Kazouyas » au Burkina et « Maïwa » au Niger (Bezançon et al., 1997a). 

Morphologie et développement du mil 

Le mil (Pennisetum glaucum) est une plante annuelle à port érigé dont la taille peut aller jusqu’à 4 mètres de haut. Le système racinaire est fasciculé et très développé. Les chaumes sont robustes et dressés. Le diamètre d’une tige varie de 1 à 4 cm. La plante présente des talles dont le nombre est souvent fonction de la variété. Les feuilles d’environ 100 cm de long et 10 cm de large, retombant le long des chaumes, ont une gaine glabre mais souvent ciliées au sommet. L’inflorescence est un épi cylindrique d’environ 5 à 40 cm de long et 1 à 4 cm de large composé d’un rachis qui porte les pédicelles à base desquelles il y a les involucres qui sont constitués par un bouquet de soies contenant les épillets. Chaque épillet porte deux fleurs. Une fleur inférieure mâle et une fleur supérieure femelle. Ceci dit, le mil est protogyne (la fleur femelle fleurit avant 9 la fleur mâle). Le fruit est un caryopse ovoïde, d’environ de 2 à 4,5 mm de long de couleur jaune ou brune. Bien que formant une même sous-espèces, le Souna et le Sanio, au Sénégal, présentent quelques différences morphologiques observables à l’œil nue, en dehors de la différence du cycle de floraison (Figure 1). Parmi ces différences morphologiques, nous pouvons distinguer le tallage, la taille de la plant et l’aspect aristé des épis à maturité. En effet, le Sanio présente un tallage plus important avec un port plus développé que celui des Souna. Il a aussi généralement des arêtes au niveau des épis à maturité, ce qui n’est généralement pas observé chez le Souna. Figure 1 : Différences morphologiques entre Souna et Sanio. (a) Port d’un Souna comparé à celui d’un Sanio. (b) Epi d’un Souna comparé à (c) celui d’un Sanio. Le cycle de développement du mil comporte principalement 3 phases (Fig. 2) : La phase végétative, la phase reproductive (ou phase de développement paniculaire) et la phase de maturation. Chaque phase comprend plusieurs stades successifs (Maiti and Bidinger, 1981) : b) c) ©Diack 2018 Sanio Souna a) 10 – La phase végétative : Elle comprend quatre (4) stades que sont : (i) L’émergence radiculaire, ou germination de la graine. Durant ce stade, la radicule établie le système racinaire primaire (racines séminales) et produit des racines adventives et initie les feuilles ; (ii) Le stade trois (3) feuilles durant lequel la racine principale augmente rapidement et développe des racines secondaires fines (dont une ou deux sont visibles) ; (iii) Le stade cinq (5) feuilles où la racine principale est déjà bien développée et possède plusieurs racines secondaires visibles ; (iv) L’initiation paniculaire qui est marquée par l’allongement du dôme apical et la formation d’une constriction à la base de l’apex. A la fin de cette phase, environ sept feuilles (y compris les feuilles embryonnaires) sont généralement déjà en place. Quant à la racine principale, elle produit un réseau de racines latérales qui se développent rapidement. – La phase reproductive : Elle débute à l’initiation paniculaire et comprend trois (3) stades : (i) Le stade d’initiation de la feuille étendard ou feuille paniculaire durant lequel les feuilles non expansées qui étaient présentes se développent séquentiellement. Les inter-nœuds de la tige s’allongent en séquence à partir de la partie basale de la tige. Ce stade est accompagné par un assèchement des premières feuilles développées à la base de la tige. L’accumulation de matière sèche se produit dans les racines, les feuilles et la tige ; (ii) Le stade de développement de la feuille paniculaire durant lequel la panicule est enfermée dans la gaine de la feuille drapeau. La croissance de la panicule se fait en longueur comme en largeur. Puis, elle émerge du col de la feuille drapeau tandis que le pédoncule (l’inter-nœud supérieur) commence à s’allonger ; (iii) Le stade de floraison 50% où l’on observe une série de changements morphologiques et de développements distincts de la panicule, dont le développement des glumes, des fleurs, des styles, des anthères et du stigmate. La fin de ce stade est marquée par la pollinisation. – La phase de maturation : Elle comprend trois (3) stades : (i) Le stade grains laiteux qui survient quelques jours après la fécondation de l’ovaire (6 à 7 jours) lorsque les grains grandissent suffisamment pour devenir visibles. À ce stade, ils sont composés d’une membrane remplie d’un liquide fluide qui se transforme ensuite en liquide laiteux. La présence cette dernière témoigne de l’accumulation d’amidons dans les cellules d’endosperme ; (ii) Le stade grains pâteux est identifiable par l’observation d’un changement dans l’endosperme allant d’un état laiteux à un état semi-solide puis solide. Il s’agit d’un changement progressif qui se produit lorsque la teneur en amidon dans l’endosperme augmente et que le pourcentage d’humidité diminue ; (iii) Le stade de maturité physiologique qui est caractérisé par la formation d’une sorte de teinte noirâtre au niveau du hile du grain. La formation de cette couche coïncide avec l’arrêt 11 de croissance du grain. À ce stade, le grain (partiellement sec) a atteint son poids maximal et son endosperme est devenu dur. Figure 2 : Phases et stades successives du cycle de développement du mil (Maiti and Bidinger, 1981 modifié). 

Origine et évolution du mil 

A l’heure actuelle, les études ayant formulé des hypothèses sur l’origine et l’évolution du mil peuvent être classées en deux groupes. Ces deux groupes d’études n’ont en commun que l’affirmation selon laquelle le mil (Pennisetum glaucum ssp. glaucum) a été domestiqué en Afrique de l’Ouest à partir d’un seul centre de domestication. (i) Le premier groupe d’étude plus ancien, se basant sur des données de marqueurs enzymatiques, situe la domestication du mil dans la zone constituée par le nord du fleuve Sénégal et le nord-ouest du Mali (Tostain, 1998). Cette hypothèse se base sur le fait que, la plus faible distance génétique entre mils sauvages et cultivés est observée dans cette zone (Tostain, 1992) et que la distribution géographique du type sauvage de mil est limitée à cette zone (Bezançon et al., 1997b). C’est à partir de ce foyer de domestication que Pennisetum glaucum 12 aurait évolué pour engendrer un groupe de mil (issu de la migration primaire) qui aurait migré secondairement vers trois grandes directions :  une migration ancienne vers l’Afrique de l’Est et l’Inde ;  une migration de mil tardif provenant du foyer secondaire de différenciation (de mil précoce en mil tardif) de mils issus du groupe primaire (à partir du foyer de domestication), situé autour du lac Tchad vers la zone soudanienne de l’Afrique de l’ouest et enfin ;  une autre migration vers le centre et le sud de l’Afrique (Tostain, 1992). (ii) Cependant, des études plus récentes utilisant des marqueurs microsatellites s’accordent sur une domestication qui aurait lieu dans une zone située entre le Mali et le Niger (Oumar et al., 2008 ; Dussert et al., 2015). Les travaux de Manning et al. (2011) ont montré, à partir de restes archéologiques, que la domestication du mil aurait déjà eu lieu il y a 4500 ans avec une diffusion rapide dans la région du Sahel. Ces données archéologiques sont en accord avec l’estimation d’une domestication datant de 4800 années (Clotault et al., 2012) et un centre d’origine de domestication unique (Dussert et al., 2015a ; Oumar et al., 2008). Néanmoins, deux centres de domestication avec un flux de gènes post-domestication important conduiraient au même signal évolutif qu’un centre unique de domestication, de sorte que l’hypothèse de deux centres ne peut être à ce jour entièrement écartée. Les études récentes de la structure génétique tendent à montrer l’existence de deux groupes génétiques de mil sauvage : l’un situé à l’Ouest (Sénégal-Mauritanie) et l’autre situé à l’Est (du Mali au Soudan) (Dussert et al., 2015a ; Oumar et al., 2008). C’est ce dernier qui aurait principalement contribué à la diversité du mil cultivé actuel. Cependant, Dussert et al. (2015) montrent des flux de gènes et donc une contribution néanmoins importante du groupe de mil sauvage de l’Ouest à la diversité du mil cultivé actuel. D’un point de vue de la structure génétique et de sa diversité, les études précédentes mettent en évidence un seul groupe génétique pour toute la région du Sahel qui, a priori, représenterait entre 70 – 90 % de la diversité sauvage (Dussert et al., 2015a ; Oumar et al., 2008). Cette théorie des études récentes ne prend pas en compte l’évolution du mil cultivé en mil précoce et tardif car, sur le plan génétique, il n’y aurait qu’un seul pool génétique de mil cultivé et non pas deux (Dussert et al., 2015). En somme, le ou les centres d’origine de domestication d’une espèce cultivée ainsi que la date de la domestication sont des informations importantes qui permettent de comprendre en partie la diversité actuelle de l’espèce. Bien qu’il existe encore des incertitudes en ce qui concerne la 13 domestication du mil, le mil serait issu d’un seul centre de domestication et, a priori, d’un seul pool génétique sauvage, mais les flux de gènes importants au sein du compartiment cultivé ainsi qu’avec les deux pools sauvages font que le mil présente une diversité génétique neutre importante représentant jusqu’à 90 % de la diversité sauvage. Parallèlement, une différentiation tout du moins phénologique entre variétés précoces et tardives est visible mais cette différentiation ne semblerait pas correspondre à une réalité génétique (Dussert et al., 2015). 

Diversité et adaptation du mil 

Les études de diversité du mil tant antérieures (Marchais, 1982 ; Sarr and Pernès, 1988 ; Marchais et al., 1993 ; Tostain, 1992 ; Tostain and Marchais, 1993) que récentes (Haussmann et al., 2006 ; Kapila et al., 2008; Mariac et al., 2006a ; Stich et al., 2010) ont toujours fait état d’une grande diversité surtout à l’échelle régionale. Ces études qui ont aussi amélioré la connaissance de l’évolution de cette diversité à travers le temps (Chantereau et al., 2010) témoignent d’une absence d’érosion génétique de cette espèce au Niger. En terme de structure de cette diversité, bien que génétiquement, à partir de marqueurs neutres (dont les allèles différents n’ont pas d’effet sur le phénotype), le mil cultivé s’organise en un groupe génétique lorsqu’il est comparé au mil sauvage (Dussert et al., 2015a ; Oumar et al., 2008), des variations phénotypiques importantes notamment phénologiques sont observées. En effet un gradient de précocité corrélé à la latitude comme chez de nombreuses espèces a été également identifié chez le mil (Haussmann et al., 2006). Dans la plupart des pays de la sousrégion, y compris le Sénégal, deux grands groupes de mil sont reconnus par les paysans à savoir le mil précoce et le mil tardif. Néanmoins, Dussert et al. (2015) ont confirmé qu’à l’échelle de la sous-région il n’y avait pas de différence génétique entre les variétés de mil précoce et celles de mil tardif. Cependant, localement, une différenciation génétique neutre entre variétés précoces et tardives peut être observée comme au Niger (Lakis et al., 2012a). Il n’est pas clair à quel point cette différentiation du cycle précoce/cycle tardif est maintenue voir accentuée par les agriculteurs et l’effet de leur pratique sur la structuration de la diversité de ces variétés. Il est néanmoins fort probable que cette réduction du cycle soit une adaptation à des conditions environnementales plus arides et des pluies plus faibles (Kouressy et al., 2004). Les gènes mis en évidence par l’analyse des différences de précocité chez les mils cultivés sont essentiellement des gènes impliqués dans la régulation de la voie photopériodique de floraison. Des études menées sur 90 lignées originaires de l’Inde, de l’Afrique de l’Est et de l’Ouest ont permis de mettre en évidence des gènes associés à la précocité de la floraison (Saïdou et al., 2009). Ces études ont permis d’identifier un gène de la famille MADS–box qui code pour des 14 facteurs de transcription et qui joue un rôle majeur dans le développement végétatif et de la fleur (Mariac et al., 2011a). Clotault et al.,(2012) ont récemment identifié cinq gènes (PgFY, PgGI, PgHD3a, PgPHYC et PgPRR73) impliqués dans les voies de floraison qui sont associées à la domestication du mil. En comparant des échantillonnages des mêmes variétés de mil à 30 ans d’intervalle, Vigouroux et al. (2011) ont pu mettre en évidence une corrélation entre la réduction des cycles, et l’augmentation de la fréquence d’une mutation au niveau du gène PgPHYC au sein des variétés. Sachant que cet intervalle temporel de 30 ans correspond à une période de fort épisode de sécheresse, il est fort probable que ces modifications phénologiques et génétiques soient en partie une réponse d’adaptation aux conditions climatiques de cette période

 Les études sur le mil au Sénégal 

Au Sénégal, le mil a été largement étudié dans beaucoup de domaines divers. Par exemple, sur le plan physiologique et culturale, des études des besoins en eau du mil au Sénégal (Dancette, 1980, 1983a) ont permis d’identifier les exigences hydriques du mil suivant différents cycles de floraisons. De même, une modélisation de ce bilan hydrique (Diop, 1999) du mil a montré que le taux de satisfaction des besoins en eau de la culture du mil (variant en fonction des régions suivant un gradient nord/sud), a diminué significativement après 1970 dans les régions du nord et du centre-nord du Sénégal. Les recherches sur l’apport du photopériodisme à l’adaptation du mil à la sécheresse ont montré que la plupart des accessions locales Souna et Sanio sont photosensibles (Kouakou et al., 2013) et la comparaison des indicateurs hydriques du rendement entre le mil photopériodique et non photopériodique, a révélé que les variétés de mil photopériodique ont de meilleurs indicateurs hydriques dans la moitié sud du Sénégal (Diop et al., 2005). Par ailleurs, une caractérisation des réponses des racines du mil à faible teneur en phosphore (Faye et al., 2006) a montré que, sous déficit en phosphore, le mil présente une altération des paramètres radiculaires, par la formation de poils radiculaires et a identifié une variété (IBMV8402) comme présentant un meilleur comportement de croissance dans des conditions de stress hydrique indépendamment de la teneur en phosphore. Par contre, l’effet de la fertilisation à l’azote combinées à l’incorporation de paille sur la culture du mil (Ganry et al., 1978) a permis d’en déduisent l’importance de la matière organique du sol pour l’efficacité de l’engrais azoté sur le mil.