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Principales caractéristiques génétiques des caféiers
Structure du génome
Les espèces appartenant au genre Coffea sont toutes diploïdes (2n = 2x = 22) (Sybenga, 1960 ; Charrier, 1976 ; Louarn, 1992) à l’exception de C. arabica qui est amphidiploïde (2n = 4x = 44) (Carvalho & Krug, 1950 ; Bouharmont, 1959 ; Leroy & Plu, 1966 ; Grassias & Kammacher, 1975 ; Louarn, 1972). Ce dernier serait issu de l’hybridation entre C. canephora (parent mâle) et C. eugenioides Moore (parent femelle) ou des écotypes proches (Lashermes et al., 1999).
Les onze chromosomes du génome de base sont de petite taille (Bouharmont, 1963). La quantité d’ADN nucléaire chez les espèces diploïdes est comprise entre 1.04 (C. racemosa Lour.) et 1.76 pg (C. humilis Chev.) (Noirot et al., 2003). Chez C. arabica, qui est tétraploïde, elle peut atteindre 2.61 pg (Cros et al., 1995) avec un nombre de bases d’environ 950Mb (Anthony & Lashermes, 2005).
Mode de reproduction et barrières reproductives
L’allogamie est le mode de reproduction majeur chez les caféiers (Charrier 1976), l’autogamie préférentielle n’existant que chez C. arabica, C. heterocalyx Stoff. et C. anthonii Stoff. & Anth. (Coulibaly et al., 2002 ; Stoffelen et al., 2009). L’allogamie résulte d’une auto-incompatibilité de type gamétophytique, contrôlée par un seul locus avec plusieurs allèles (Berthaud, 1986). Le gène a été génétiquement cartographié lors d’un croisement entre l’espèce allogame C. canephora et l’espèce autogame C. heterocalyx (Coulibaly et al., 2002).
Les barrières à l’hybridation interspécifique sont les barrières pré-zygotiques et les barrières post-zygotiques. Il existe de nombreux mécanismes qui interviennent avant la fécondation et qui empêchent la formation des hybrides. Parmi ceux-ci, la barrière spatio-temporelle en est une. Elle concerne les espèces éloignées géographiquement ou qui présentent des floraisons décalées dans le temps. Concernant les barrières post-zygotiques, elles interviennent après la fécondation et peuvent agir sur les premières divisions du zygote, le développement de l’embryon, la germination, la croissance et la reproduction (Stebbins, 1958). Chez les caféiers, la date de floraison est variable (cf I.3.) et constitue dans la nature une barrière pré-zygotique importante. La vigueur et la fertilité des hybrides interspécifiques appartiennent aux barrières post-zygotiques. La fertilité des hybrides est liée à la présence de chromosomes univalents lors de la métaphase I de la méiose (Louarn 1992). Elle constitue en amélioration génétique du caféier un obstacle majeur pour le transfert de gènes d’intérêt.
Phylogénie des caféiers
A partir de l’ADN ribosomal nucléaire, Lashermes et al. (1997) ont identifié quatre clades majeurs avec une forte correspondance géographique. Le premier inclut toutes les espèces présentes à Madagascar (anciennement Mascarocoffea d’après Chevalier 1947). Le second clade est composé d’espèces endémiques de la région située dans la « Rift Valley » : entre le rift de Kivu et le canal du Mozambique (anciennement Mozambicoffea d’après Chevalier 1947). Le troisième clade comprend des espèces observées entre le Cameroun et le Kenya. Il est composé de C. eugenioides, C. anthonii et C. heterocalyx (ces deux dernières espèces diploïdes étant les seules connues comme auto-fertiles). Le dernier clade contient des espèces diploïdes majoritairement présentes en Afrique de l’Ouest ou Centrale, dont les plus connues pour leur mise en culture sont C. canephora, C. liberica et C. congensis.
A partir d’ADN chloroplastique, qui révèle la filiation maternelle, Cros et al. (1998) ont mis en évidence cinq clades, corrélés aussi aux zones géographiques. Les espèces issues de la zone guinéo-congolaise se classent dans deux clades. Le premier est composé des espèces C. stenophylla Don et C. humilis qui occupent la Côte d’Ivoire jusqu’à la frontière Guinéenne. Le second renferme les espèces C. canephora, C. congensis, C. brevipes Hiern, C. liberica, C. heterocalyx, et C. kapakata Bridson ex-Chev.. Le clade suivant comprend C. eugenioides et C. anthonii. Le quatrième clade regroupe des espèces strictement endémiques de Madagascar et des îles des Mascareignes comme C. bertrandii Chev., C. humblotiana Baill. et C. millotii Leroy. Enfin, le dernier clade inclut les espèces d’Afrique de l’Est comme C. racemosa, C. salvatrix Swynn & Phillipson, C. pseudozanguebariae Bridson, C. sessiliflora Bridson.
Dans l’ensemble, les deux types d’ADN conduisent à de fortes ressemblances des groupes, les différences ne concernant que quelques espèces comme C. heterocalyx, C. stenophylla et C. humilis. Enfin, l’espèce tétraploïde C. arabica a aussi été introduite dans les deux types d’analyses. Elle est proche de C. eugenioides lorsqu’il est tenu compte de l’ADN chloroplastique, ce qui correspond à sa putative origine maternelle, et de C. canephora lorsque l’analyse est effectuée à partir de l’ADN ribosomique.
D’autres travaux sur la phylogénie des caféiers ont été réalisés ultérieurement avec pour objectif d’y intégrer d’autres espèces, sous-genres et genres (Davis et al., 2011; Maurin et al., 2007).
Diversité des caféiers
Morphologique
Les caféiers sont des arbres ou des arbustes dont la hauteur varie de 1 à 2 mètres pour les espèces comme C. humilis et C. heterocalyx, jusqu’à 18 mètres pour les plus grandes comme C. liberica (Clifford et al., 1985). Ils ont une architecture suivant le modèle de Roux c’est-à-dire que le tronc est monopodial, orthotrope et régulièrement ramifié de deux rameaux plagiotropes opposés sur chaque nœud du tronc (Hallé & Oldeman, 1970). Ces rameaux latéraux sont les branches florifères et peuvent se ramifier en un 2ème voire 3ème axe plagiotrope. Leurs feuilles sont persistantes (sauf pour C. racemosa) simples et opposées, et ont une grande diversité de forme et de taille selon les espèces (Fig. 1).
Les inflorescences apparaissent à l’aisselle des feuilles des axes plagiotropes, sauf chez C. macrocarpa Rich. où elles sont localisées à la base des feuilles de l’axe orthotrope et chez certaines espèces de Madagascar où elles peuvent être aussi terminales. Elles peuvent aussi émerger à partir d’anciennes cicatrices foliaires comme dans la série des Verae (Charrier 1976). Les inflorescences sont uniflores chez certaines espèces comme par exemple C. mauritiana Lam., mais dans la grande majorité des cas elles forment une cyme pluriflore. Le nombre d’inflorescences par nœud et le nombre de fleurs par inflorescences montrent une grande diversité intraspécifique opposant, en Afrique, des espèces comme C. pseudozanguebariae avec 4,5 fleurs par nœud en moyenne à C. canephora montrant de véritables coussinets floraux (36 fleurs par nœud en moyenne) (Akaffou et al., 2014). Cette diversité est à associer avec l’importance relative des pollinisations anémophile et entomophile propre à chaque espèce.
Les fleurs sont tubuleuses et de couleur blanche, voire légèrement rosée dans certains cas lorsqu’elles se fanent (Fig. 2). Leur taille et le nombre de lobes (de 5 à 8) varient aussi entre espèces.
Le fruit du caféier, appelé aussi drupe ou cerise, est un faux fruit. Il est en effet formé de la composition de plusieurs organes de la fleur (principalement le réceptacle floral). Ceci est à opposer au vrai fruit où seul le pistil se transforme après la fécondation tandis que les autres parties de la fleur dégénèrent. Comme les pommes et les poires (ou drupes complexes), le péricarpe est le réceptacle floral et à l’opposé du pédoncule, il y a une petite cavité qui contient les restes des pièces florales (sépales, étamines desséchées). Ces restes sont visibles chez des caféiers comme C. heterocalyx, voire chez certains génotypes de C. arabica. Le fruit est composé d’un exocarpe (ou épicarpe) changeant de couleur à maturité, d’un mésocarpe charnu et de deux graines accolées par leur face plane à invagination « cofféenne » et entourées d’un tégument fibreux appelé parche (Chevalier, 1947; Leroy, 1980). Une grande variété de formes, de tailles et de couleurs (vert, jaune, orange, rouge, violet, noir, blanc) (Fig.3) est répertoriée chez les différentes espèces. Les fruits rouges à maturité sont connus pour attirer les animaux diurnes comme les singes qui assurent alors la dispersion des graines (Gautier-Hion et al., 1985). En revanche les fruits bleus à maturité verraient leur dispersion assurée par des animaux nocturnes comme les roussettes (Fleming & Heithaus, 1981).
Figure 3 : Fruits de caféiers illustrant la diversité de forme et de couleur du péricarpe. De gauche à droite : C. kapakata, C. arabica, C. pocsii Bridson, C. canephora (Photos : S. Adler & O. Lavogez)
Phénologique
Les bourgeons floraux apparaissent après une certaine durée de sécheresse propre à chaque espèce (Portères, 1946) et restent ensuite dormants jusqu’à la floraison. Cette dernière est provoquée par le dépassement d’un seuil de pluviométrie, atteint, en général, pendant la saison des pluies. La floraison a lieu de 4 (C. vatovayensis J.-F. Leroy) à 14 jours (C. richardii J.-F. Leroy) après la pluie déclencheuse et dure de 24h à 48h selon les espèces, l’intensité de la pluie et la température (Alvim, 1973; Charrier, 1976).
Chez les caféiers, l’ovaire est généralement biloculé et chaque loge contient un seul ovule anatrope. Il arrive cependant des cas de polyspermie. De même, des ovaires triloculés sont présents chez certaines espèces comme C. heterocalyx et C. arabica (Chevalier, 1947 ; Dedecca, 1957 ; Mendes, 1941 ; Vishveshwara & Chinnappa, 1965). La fécondation des deux ovules conduit à des fruits contenant deux graines. Néanmoins, il existe des fruits à une seule graine (caracoli) dont l’origine est expliquée par un défaut de pollinisation ou un avortement post-zygotique précoce (De Reffye, 1974). Il arrive aussi que l’intérieur de la graine, délimitée par la parche, soit vide. De telles graines sont appelées loges vides et issus de l’avortement tardif de l’albumen (De Reffye, 1974).
La durée de la fructification montre aussi une grande diversité interspécifique. Elle varie en effet de 10 semaines (C. pseudozanguebariae) à 13 mois (C. canephora) et est gouvernée par un gène majeur (Charrier, 1972 ; Anthony, 1992 ; Dussert et al., 2000 ; Akaffou et al., 2003 ; Akaffou et al., 2014).
Coffea arabica
C. arabica est principalement autogame, mais le taux résiduel d’allopollinisation varie de 5 à 20% selon les génotypes avec une moyenne de 10% (Carvalho & Krug, 1949 ; Charrier,1978 ; Monaco & Carvalho, 1963).
C. arabica est natif des régions montagneuses du Sud-Ouest de l’Ethiopie (Sylvain, 1955), du plateau Boma au Sud-Est du Soudan (Thomas, 1942) et du mont Marsabit du Kenya (Anthony et al., 1987). C. arabica a été cultivé au Yémen pendant au moins 5 siècles avant d’être diffusé à travers le monde. La première introduction hors de la péninsule Arabique est due aux Hollandais qui l’ont introduit à Java en Indonésie (Carvalho, 1946). Cette introduction est à l’origine de la variété Typica. En 1710, un seul de ces plants a été introduit dans le jardin botanique d’Amsterdam et en 1714, un plant fut offert à la France et planté avec succès dans la serre du Jardin du Roi. C’est en 1718 que les descendants ont été amenés en Amérique Latine avant d’être propagés dans les Antilles (1720 ou 1723) (De Candolle, 1883 ; Chevalier & Dagron, 1928 ; Carvalho, 1946 ; Krug & Carvalho, 1946). En 1715, une seconde introduction a eu lieu à partir du Yémen vers l’Ile Bourbon et est à l’origine de la variété du même nom. Comme pour Typica, cette variété a ensuite été introduite au Brésil (Haarer, 1956 ; Berthaud & Charrier, 1988 ; Anthony et al., 2002) (Fig. 4).
De nos jours, la quasi-totalité des plants cultivés de C. arabica est issue de ces deux variétés. En raison, du nombre très faible d’individus à l’origine des caféiers en plantation à travers le monde, ainsi que du mode de reproduction de C. arabica, les variétés cultivées présentent une très faible diversité génétique (Anthony et al., 2002).
Les mutants naturels de C. arabica sont relativement fréquents. Leur mise en évidence a été facilitée par l’autogamie préférentielle qui permet l’émergence des génotypes homozygotes. Parmi ces mutants naturels, certains se sont révélés intéressants d’un point de vue agronomique et ont été cultivés ou exploités à des fins de croisement. C’est le cas, par exemple, des mutants Caturra (forme compacte du Bourbon), Maragogype (mutant de Typica) et des cultivars Blue Mountain, Mundo Novo (croisement de Typica et Bourbon) ou encore Catuai (hybride de Mundo Novo et de Caturra) (Krug, 1949 ; Krug & Carvalho, 1951).
Mutation laurina
Coffea arabica ‘Laurina’ est plus connu sous le nom de variété Leroy, Laurina ou Bourbon Pointu. C’est en 1822 que Billard a décrit pour la première fois la variété apparue à La Réunion. Les variétés Bourbon et Bourbon Pointu seront notées respectivement B et BP dans le reste du manuscrit.
Quatre hypothèses ont été émises concernant l’origine de BP et leur confrontation a été synthétisée par Lécolier et al. (2009b).
– D’après la première hypothèse, BP serait issu d’une hybridation interspécifique entre C. arabica ‘Bourbon’ et Coffea mauritiana, espèce endémique des Mascareignes (De Villèle, 1920; Raoul, 1897). L’extrémité pointue de la graine, commune à BP et C. mauritiana, et la teneur en caféine de BP intermédiaire entre C. arabica et C. mauritiana sont à l’origine de cette hypothèse. Néanmoins, un croisement entre une espèce tétraploïde (C. arabica) et une espèce de caféier diploïde donne une majorité d’hybrides triploïdes, fortement stériles (1 à 2% de fertilité). De plus, les descendances d’un tel hybride seraient loin d’être homogène. Dans notre cas, BP est tétraploïde, entièrement fertile, génétiquement très proche de C. arabica et plus particulièrement de B, et donne une descendance très homogène. Cette hypothèse doit être rejetée.
– Selon la seconde hypothèse, BP aurait été introduit sur l’île de La Réunion par l’homme à partir de l’Afrique. Si cette hypothèse est vraie, une différenciation génétique est attendue entre B et BP et doit être du même ordre de grandeur que celle existant entre ‘Typica’ et ‘Bourbon’. Or, la distance génétique de Nei’s est de 0,187 entre ‘Typica’ et ‘Bourbon’ (Anthony et al., 2001) et de 0,0005 entre B et BP (Lécolier et al., 2009b). Ainsi l’hypothèse d’une introduction sur La Réunion à partir de l’Afrique est écartée.
– La troisième hypothèse, récemment formulée, dit que BP est un caféier endémique de La Réunion. Le même argumentaire que pour une introduction à partir d’Afrique peut être appliqué à l’origine endémique. En effet, deux introductions indépendantes devraient aboutir à une plus grande distance génétique que celle observée. De plus, BP devrait être autant présent que C. mauritiana dans la forêt originelle de l’ile. Ca n’est pas le cas et l’hypothèse est invalidée.
– Enfin la dernière hypothèse repose sur l’origine mutationnelle de BP. Elle a été renforcée par l’apparition chez C. arabica d’autres mutations comme angustifolia, crespa, erecta, semperflorens. Les hydrides F1 entre B et BP sont de type Lrlr et présentent un phénotype B. Donc Lr est l’allèle dominant et lr le récessif (Krug et al., 1954). La génération F2 présente une ségrégation 3:1. D’autre part, le rétrocroisement F1 avec B donne 100% de descendants B et avec BP produit 50% de B et 50% de BP. Ces résultats sont caractéristiques d’une mutation monogénique, récessive et Mendélienne (Krug et al., 1954). La mutation affecte le phénotype sur plusieurs niveaux (forme de l’arbre, des graines, semi-nanisme…) et est appelée pléiotropique. D’autre part, il existe des réversions de la mutation avec retour à la morphologie B sur un pied de BP. Ces résultats suggèrent une origine épigénétique due par exemple à de la méthylation ou des transposons (Martienssen, 1996). Cette hypothèse est la plus probable.
BP a été découvert pour sa résistance à la sècheresse et multiplié dans des champs de l’île Bourbon au début du 19ème siècle (Chevalier, 1947; De Villèle, 1920; Raoul, 1897) avant qu’on en découvre les caractéristiques organoleptiques. Cette mutation a des effets pléiotropiques et affecte non seulement la morphologie de l’arbre mais aussi la composition biochimique de la graine.
Caractéristiques phénotypiques
BP est une variété dite semi-naine. Le nanisme est dû à des entrenœuds plus petits. Au niveau cellulaire, ce nanisme est expliqué par des cellules moins nombreuses et plus petites (Lécolier et al., 2009c). Le nanisme des entrenœuds est plus prononcé sur les branches que sur le tronc, d’où le port dit en sapin de Noël (Fig. 5) (Lécolier et al., 2009a) . Les effets de la mutation sur le méristème caulinaire consistent en une réduction de la taille des primordia, ce qui a comme conséquence le nanisme des feuilles matures. Cependant, la mutation n’a aucun effet sur la relation entre le phyllochrone et le plastrochone, c’est-à-dire la phyllotaxie décussée et opposée, et le temps de développement du méristème caulinaire dans le plastochrone (Lécolier et al., 2009a).
Figure 5 : C. arabica BP (Photo. Coopérative Bourbon Pointu)
Caractéristiques biochimiques
Chez BP, les études biochimiques disponibles concernent principalement la graine à maturité. Différents composés ont été analysés comme la caféine (entre 0,6 et 0,75% de la MS) (Charrier & Berthaud, 1975 ; Clifford et al., 1989 ; Baumann et al., 1998), les acides chlorogéniques (environ 7% de la MS) (Clifford et al., 1989 ; Joët et al., 2010), quelques sucres (le saccharose, le glucose et le fructose représentent respectivement 7,08, 0,04 et 0,03% de la MS) (Joët et al., 2010 ; Piccino, 2011), la trigonelline (1,36% de la MS) (Piccino, 2011) et les lipides (Joët, et al., 2010 ; Piccino, 2011).
Table des matières
Introduction générale
Chapitre I : Synthèse bibliographique
I. Les caféiers
I.1 Classification générale
I.2 Principales caractéristiques génétiques des caféiers
I.2.a Structure du génome
I.2.b Mode de reproduction et barrières reproductives
I.2.c Phylogénie des caféiers
I.3 Diversité des caféiers
I.3.a Morphologique
I.3.b Phénologique
I.4 Coffea arabica
I.5 Mutation laurina
I.5.a Caractéristiques phénotypiques
I.5.b Caractéristiques biochimiques
II. Le développement histologique et morphologique du fruit, de la graine et de la plantule
II.1 Fruit & Graine
II.2 Plantule
III. Structure des parois végétales: les sucres pariétaux
III.1 La paroi primaire
III.1.a Structure de la cellulose
III.1.b Structure des hémicelluloses
III.1.c Structure des pectines
III.2 La paroi secondaire
III.3 Les polysaccharides de la paroi cellulaire (PPC) du caféier
III.3.a Les galactomannanes
III.3.b Les arabinogalactanes
III.3.c Les autres polysaccharides
IV. Deux composés biochimiques : l’acide chlorogénique et la caféine
IV.1 Acides chlorogéniques
IV.1.a Généralités
IV.1.b Voie de biosynthèse
IV.1.c Localisation in situ
IV.1.d Localisation et expression des gènes
IV.1.e Accumulation des acides chlorogéniques
IV.2 La caféine
IV.2.a Voie de biosynthèse
IV.2.b La teneur en caféine dans la graine
IV.2.c Dans les cultures cellulaires
IV.2.d Dans la plantule
IV.3 Complexe CAF-CQA
Chapitre II : Description du fruit et de la graine au cours de son développement chez Bourbon et Bourbon Pointu
I. Impacts morphologiques et histologiques de la mutation laurina sur la fructification et les caractéristiques de la graine chez C. arabica L.
I.1 Problématique
I.2 Méthodologie
I.3 Résultats
I.4 Discussion
II. Evolution de la composition en MPC et PPC de la graine de café au cours de son développement
II.1 Problématique
II.2 Méthodologie
II.3 Résultats
II.4 Discussion
III Evolution des teneurs en caféine et en acide chlorogénique au cours du développement de la graine de C. arabica ‘Laurina’.
III.1 Problématique
III.2 Méthodologie
III.3 Résultats
III.4 Discussion
Article 1 : Morphological and histological impacts of the laurina mutation on fructification and seed characteristics in Coffea arabica L.
Article 2 : Evolution of cell wall composition in monosaccharides over seed development in Coffea arabica. Comparison between Coffea arabica ‘Bourbon’ and Coffea arabica ‘Laurina’
Article 3 : Evolution of seed caffeine and chlorogenic acid contents over development in Coffea arabica ‘Laurina’.
Chapitre III : Caractérisation des plantules de Bourbon et Bourbon Pointu
I. La lumière est impliquée dans l’expression de la mutation laurina chez C. arabica L. Impacts sur le semi-nanisme, le nombre de cellules et les profils hormonaux dans les hypocotyles
I.1 Problématique
I.2 Méthodologie
I.3 Résultats
I.4 Discussion
II. Comparaison de plantules B et BP poussant à la lumière ou à l’obscurité au niveau de la composition en monosaccharides pariétaux et des teneurs en CAF et CQA
II.1 Problématique
II.2 Méthodologie
II.3 Résultats
II.4 Discussion
Article 1 : Daylight is directly implied in the expression of the laurina mutation in Coffea arabica L. Impact on semi-dwarfism, cell number and hormonal profiles in hypocotyls
Article 2 : Comparison between seedlings of Coffea arabica L. ‘Laurina’ and ‘Bourbon’ growing in daylight or darkness for their monosaccharidic cell wall composition and their caffeine and chlorogenic acid contents.
Chapitre IV : Conclusions et perspectives
I. Conclusions
I.1 De nouvelles connaissances sur les fruits et les graines de C. arabica
I.2 La mutation laurina a un impact sur la l’histo-morphologie et la biochimie des graines au cours du développement
I.3 L’effet de la lumière sur la plantule de BP : caractérisation du semi-nanisme des hypocotyles
II Perspectives
II.1. La caractérisation de la CAF, du CQA et du chlorogénate de caféine
II.2. Etude de l’expression des gènes potentiellement touchée par la mutation laurina
II.3. Etude de la sensibilité de BP à la lumière
III. Conclusion générale
Références bibliographiques
