Organisation du polymorphisme enzymatique des métapopulations de luzerne maintenues in situ dans deux agro écosystèmes du Maroc

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1 Actes du Symposium International sur le Développement Durable des Systèmes Oasiens du 08 au 10 mars 2005 Erfoud, Maroc - B. Boulanouar & C. Kradi (Eds.) Organisation du polymorphisme enzymatique des métapopulations de luzerne maintenues in situ dans deux agro écosystèmes du Maroc Birouk 1 A., Benyaich 1 M., Belarhzal 1 R., Bouizgaren 2 A. et Hmama 1 H. 1 IAV Hassan II, Rabat, Maroc 2 INRA, CRRA- Marrakech, Maroc Résumé. Les populations traditionnelles de luzerne maintenues par les agriculteurs dans deux terroirs du Maroc (Rich et Demnate) ont été analysées à l aide des marqueurs enzymatiques, en vue de valider la structuration dégagée des unités de diversité de l agriculteur précédemment définies et pour examiner la variation de leur diversité génétique avec le temps. Deux systèmes enzymatiques appropriés ont été utilisés : Amylases et Leucine Aminopeptidases, correspondant à 3 locus iso-enzymatiques. Les extraits protéiques ont été obtenus à partir de jeunes feuilles non dépliées et la migration a été effectuée sur gel d acrylamide. L analyse de la structuration du polymorphisme a porté sur les échantillons collectés en été 2002 dans les sites de Rich et de Demnate relatifs aux populations noyaux de luzerne précédemment identifiés et leurs populations satellites. L évolution de la diversité dans les deux sites a été examinée en comparant les structures génétiques des populations noyaux issues des collectes de l été 2002 avec celles dégagées sur les échantillons prélevés chez les mêmes agriculteurs en Sur la base de la richesse allélique des deux systèmes, les populations issues du terroir de Demnate se distinguent nettement de celles de Rich. L analyse des deux systèmes a permis d identifier des allèles rares pour chaque terroir et des allèles communs à des fréquences variées selon les sites. L analyse factorielle discriminante des populations étudiées, effectuée sur la base des deux systèmes LAP et Aamylase a permis de discriminer entre les deux terroirs à l aide de sept allèles : BAMY1, BAMY3, BAMY5, LAP11, LAP14, LAP21, LAP24. Le système LAP apparaît comme étant le plus approprié pour analyser la diversité enzymatique des populations traditionnelles. Dans chaque site, des différences hautement significatives ont été notées entre les populations noyaux pour différents paramètres de diversité génétique. Les cultivars traditionnels des deux agro écosystèmes constituent chacun une métapopulation composée de plusieurs sous unités ou populations noyaux maintenues par les agriculteurs focaux. La stabilité observée dans la composition allélique des différentes populations maintenues par les agriculteurs focaux est induite par la lenteur de l évolution des structures géniques des luzernes tétraploïdes conjuguée aux pratiques des agriculteurs dans les deux terroirs. Mots clés : Luzerne, Electrophorèse, Leucine Amino-peptidases, Amylases, Unité de diversité de l agriculteur, Métapopulation Introduction La luzerne (Medicago sativa L.) constitue l unique culture fourragère pratiquée dans les agro écosystèmes de Rich (Province d Errachidia) et Demnate (Province d Azilal). Dans ces milieux d agriculture traditionnelle, la diversité des populations locales de luzerne est constamment menacée par l érosion génétique. Leur conservation in situ représente une approche intégrée qui a l avantage d être dynamique. Les isozymes fournissent un moyen précis pour l étude de la variabilité des structures génétiques des populations végétales. Ils présentent l avantage d offrir une image assez claire des différences génétiques à l abri de l influence de l environnement. 606

2 Les analyses antérieures avaient montré que la répartition des populations marocaines de luzerne obéit à une compartimentation en relation assez nette avec leur origine éco géographique (Bouizgaren et al, 2002). En effet, les populations de Rich sont différentes de celles de Demnate. De surcroît, chaque origine est constituée d Unités de Diversité de l Agriculteur (UDA) qui sont des sous populations de la grande métapopulation maintenue in situ dans le terroir de Rich ou de Demnate. La présente étude qui a été menée dans le cadre du Projet In situ Luzerne (MADR- IPGRI BMZ GTZ), vise à examiner les variations de la structuration spatiale des 2 métapopulations. Il s agit en d autres termes de valider / réajuster la structuration déjà dégagée sur le matériel collecté en Les marqueurs enzymatiques ont servi à examiner la nouvelle structuration. Matériels et Méthodes Les analyses enzymatiques ont porté sur des populations collectées dans les 2 sites en Août 2002, chez les agriculteurs identifiés comme noyaux et chez tous leurs voisins immédiats et éloignés (satellites). Au total trente deux populations ont été collectées dont 11 noyaux et 21 satellites (Tableau 1). L analyse a été menée à l aide de marqueurs de deux systèmes enzymatiques pertinents: _ amylases et Leucine Amino-peptidases, correspondant à 3 locus iso-enzymatiques. L analyse des données relatives aux 2 systèmes a été menée de la façon suivante : pour chaque locus, et sur la base des notations quantifiées de 0 à 4 selon le nombre d allèles détectés, des fréquences alléliques et génotypiques ont été calculées par population tétraploïde ou par groupe de populations de même origine. L analyse a porté sur les paramètres de diversité génétique inter et intra site. Afin de vérifier la structuration des populations locales en groupes homogènes (UDA + Satellites), les données de fréquences alléliques ont été traitées par les méthodes d analyse factorielle discriminante (AFD) et de classification hiérarchique. Tableau1 : Répartition des populations de luzerne locale collectées chez les agriculteurs en Août 2002 et analysées en 2003 Site UDA Population satellite Village Rich R11 R12, R13, R14, R15 Tabia R21 R22 Ait b. yahia R31 R32, R33, R34, R35 Zaouyat Sidi Boukil R41 R42, R43 Irhejd R51 R52, R53. Ait Said R61 - Ouallal Demnate D11 D12, D13 Ifchtallen D21 D22, D23 Lhrouna D31 D32, D33 Lhrouna (Lbab) D41 D42, D43. Ighir D51 - Ait Guenoun 607

3 Résultats et discussion 1. Analyse des structures géniques Diversité inter site Aucun cas de monomorphisme n a été signalé chez les populations étudiées. Parmi les paramètres permettant d'apprécier la diversité à l'intérieur des populations, le taux de polymorphisme a permis la distinction entre les populations ou cultivars des deux terroirs. L existence de différences hautement significatives traduit l homogénéité relative des sous populations des deux métapopulations. En effet, les flux de semences et la migration du pollen engendreraient un certain niveau de continuité entre ces populations. Une analyse factorielle discriminante a été conduite sur la base des fréquences alléliques des deux systèmes enzymatiques _ amylase et leucine aminopeptidase. Les populations de chaque site sont affectées au même groupe sans tenir compte de la structuration en populations noyaux et populations satellites. Ainsi, trois groupes ont été obtenus: le premier groupe est constitué des populations de Rich (1), le deuxième des populations de Demnate (2) et le troisième représente les témoins (figure 1). La distinction entre les populations des deux origines est faite grâce aux allèles rares identifiés à chaque terroir et aux différences de fréquence des allèles communs entre les deux sites, Les deux allèles rares LAP24 et LAP14 sont caractéristiques de la métapopulation de Rich, la métapopulation de Demnate est caractérisée par l allèle rare AMY5. Les autres allèles communs présentent des fréquences variées entre les deux sites. La part élevée de la variabilité intra population a été confirmée. Ce résultat n est pas surprenant, compte tenu de l'état polyploïde de la luzerne et de son mode de reproduction allogame. Le fait que, malgré cette variabilité, les origines Demnate et Rich soient nettement différenciées grâce aux fréquences alléniques des trois locus étudiés, consolide la différence entre ces deux origines géographiques et confirme la structure méta populationnelle dans les deux sites. Figure 1 : Projection de toutes les populations sur le plan formé par les fonctions canoniques 1 et 2 de l AFD effectuée sur les fréquences alléliques des 3 locus. 608

4 Diversité intra site L analyse a porté dans une seconde étape sur la variation présente au sein de chaque site. Une classification ascendante hiérarchique a porté sur les fréquences alléliques des populations de chaque site prises séparément (figures 2 et 3). La structuration observée est similaire à celle déterminée par Bouizgaren et al. (2002) à l exception de la proximité des populations des UDA R21 et R51, bien qu elles ne soient pas voisines dans l espace. Cet état pourrait provenir de l échantillonnage ou de l'éventualité de flux par les semences. Dans la majorité des cas, chaque UDA s est confondue avec les échantillons récoltés chez les agriculteurs avoisinants. Cette situation est soutenue par le type de relations prévalant entre les agriculteurs voisins, et qui favorisent les flux de semences au sein de chaque UDA (approvisionnement en semences à partir de l agriculteur focal, échanges ou emprunts entre voisins, etc.). Figure 2. Dendrogramme établi sur la base des fréquences alléliques des locus AMY1, LAP1 et LAP2 (Site de Rich) Figure 3. Dendrogramme établi sur la base des fréquences alléliques des locus AMY1, LAP1 et LAP2 (Site de Demnate) 609

5 2. Analyse des structures génotypiques Pour chaque site, les fréquences des cinq classes génotypiques de la luzerne tétraploïde ont été calculées pour les groupes formés par chaque population noyau et ses satellites. Une disparité des distributions de fréquences génotypiques a été observée selon les locus. Leur répartition entre les différentes classes montre l abondance des génotypes monogéniques suivis par les digéniques duplex pour les locus LAP1 et LAP2 et une abondance des digéniques duplex suivis par les trigéniques pour le système _-amylase. Pour les 3 locus, les génotypes tétragéniques sont très rares ou inexistants (Benyaich, 2003). L étude des structures génotypiques a été approfondie par le calcul des indices de fixation et les tests de panmixie. Pour l indice de fixation de Wright (1969), les populations présentent un écart moyen par défaut de 40,7 % par rapport à l équilibre panmictique (Tableau 2). Des variations importantes sont enregistrées entre les locus : un excès d environ 56% de gamètes homogènes est noté au niveau des locus LAP1 et LAP2, alors que le locus _-amylases présente un excès plus faible de gamètes homogènes (12.3%). L écart à la panmixie est du à un excès de monogéniques et de digéniques duplex et un défaut de digéniques simplex et de trigéniques. Cette situation semble fréquente chez les populations végétales spontanées ou cultivées analysées pour leur variabilité enzymatique. Elle implique l existence de forces évolutives importantes telles que la sélection, la migration ou la dérive génétique, sous l effet des pratiques des agriculteurs. Cette situation est aussi en rapport avec la biologie de la reproduction et la dynamique des populations. Chez la luzerne, il existe des différences génotypiques pour la persistance (Hodgkinson et Williams 1983) et il est vraisemblable que des effets de compétition agissent sur la structure génotypique des populations (Rotili 1979). Ces facteurs peuvent jouer sur l'écart à l'équilibre. Il faudrait toutefois supposer qu'ils sont génétiquement liés aux locus analysés (Demarly 1963, Birouk et Dattée, 1989). Tableau 2. Indices moyens de fixation de WRIGHT par population 610

6 Références Bibliographiques Benyaich M Contribution au développement des bases scientifiques pour la conservation in situ de la luzerne au Maroc : Structuration et évolution de la diversité génétique des métapopulations de luzerne (Medicago sativa L) maintenues in situ dans deux agro écosystèmes au Maroc» Mémoire de 3ème Cycle Agronomie, IAV Hassan II, 138 Pp. Birouk A. et Dattée Y Organisation de la variabilité enzymatique des populations marocaines de luzerne (Medicago sativa L.) : structures géniques et génotypiques. Genome, vol. 32, p Bouizgaren A., Birouk A., Kerfal S., Hmama H. & Jarvis J. D Conservation in situ de la biodiversité des populations noyaux de luzerne locale au Maroc. In La conservation in situ de la biodiversité agricole : un défi pour une agriculture durable. Edité par A. Birouk, M. Sadiki S., Nassif S., Saidi H., Mellas A., Bammouh A. et Jarvis D.IPGRI, IAV-Hassan II, INRA, GTZ, BMZ- ISBN pp Demarly Y Génétique des tétraploïdes et amélioration des plantes. Ann. Amelior. Plant. 13(4): Hodgkinson K. C. et Williams O.B Adaption to grazing in forage plants. Dans genetic resources of forage plants. Editeurs: J. F. McIvor et R. A. Bray. Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation, Melbourne. Pp Rotili P Contribution a la mise au point d une méthode de sélection de la luzerne prenant en compte les effets d interférence entre les individus. I. Etude expérimentale de la structure de la luzernière. Ann. Amelior. Plant. 29(4): Wright S Evolution and the genetics of populations. University of Chicago Press, Chicago, IL 611