Cartographie de la diversité génétique de l’avoine : Découvrez comment les scientifiques d’AAC décodent les secrets génétiques de cette culture

L’avoine est souvent considérée comme l’une des céréales les plus nutritives de la planète. Qu’elle soit consommée sous forme de gruau matinal, de gruau-frigo, de lait d’avoine ou de céréale, cette ancienne plante cultivée trouve une place de choix dans les régimes alimentaires modernes.

Pourtant, pendant des décennies, l’avoine est demeurée un mystère scientifique. Contrairement au blé, au riz ou au maïs, le génome de l’avoine, qui contient l’ensemble de ses instructions génétiques est resté très difficile à décoder en raison de sa grande complexité. Cependant, les choses ont commencé à changer en 2022, grâce à des contributions d’AAC, lors de la publication des premières séquences du génome de l’avoine. Au cours de ces premiers séquençages, on réalisa qu’il était impossible de rendre compte de toute la diversité naturelle de l’avoine au moyen d’un seul génome. Les scientifiques ont compris qu’il fallait un pangénome, soit une collection de génomes de variétés sauvages et cultivées, pour résoudre l’énigme de l’avoine et exploiter son potentiel au bénéfice des agriculteurs, des consommateurs et des sélectionneurs.

Par une collaboration internationale inédite menée en partie par Agriculture et Agroalimentaire Canada, des scientifiques canadiens, australiens, finlandais, allemands, polonais, espagnols, suédois, suisses, britanniques et américains ont travaillé ensemble au décodage du pangénome de l’avoine. Dans le cadre de leurs efforts, les scientifiques d’AAC, Wubishet Bekele, Ph. D., Nicholas Tinker, Ph. D. (retraité) et leurs collègues^{Note de bas de page 1} ont mené 2 études qui ont révélé un niveau de détail sans précédent sur le génome de l’avoine. Publiées dans les prestigieuses revues Nature et Nature Communications, ces études ont marqué un tournant dans la recherche sur l’avoine dans le monde entier et ont positionné le Canada à l’avant-garde de la génomique de cette culture. Ces réalisations sont le fruit du leadership mondial de longue date qui est exercé par les chercheurs canadiens, en particulier dans les domaines de la sélection et de la génomique de l’avoine, de la collecte de matériel génétique, de la cytogénétique et de la taxonomie. Un exemple clé est la banque de matériel génétique des Ressources phytogénétiques du Canada (RPC) hébergée au Centre de recherche et de développement d’AAC à Saskatoon. La banque possède la plus grande collection de graines d’avoine au monde, soit 28 340 spécimens d’avoine sauvage et d’avoine cultivée qui proviennent de partout dans le monde. De nombreux échantillons et spécimens d’avoine sauvage qui ont été étudiés pour l’analyse de la diversité de l’avoine provenaient de cette collection.

Déchiffrement d’un code complexe

La difficulté du séquençage de l’avoine réside dans la complexité de son génome. Contrairement au code génétique humain qui possède 2 jeux de chromosomes (un jeu transmis par chacun des 2 parents), celui de l’avoine est hexaploïde, c’est-à-dire qu’il possède 6 jeux complets de chromosomes transmis par 3 différentes formes ancestrales. Le génome de l’avoine, en plus d’être énorme, est aussi truffé de duplications et de réarrangements compliquant l’identification des mécanismes de contrôle de certains caractères.

Ces études ont dévoilé toute la diversité génétique des avoines hexaploïdes cultivées et sauvages. Au moyen de séquences de différents chromosomes de haute qualité, l’équipe a pu répertorier des gènes partagés et des gènes uniques qui sont présents chez différents groupes d’avoine. La plupart des données ont été rendues disponibles et présentées au moyen de cartes et d’outils interactifs conçus pour aider les sélectionneurs à choisir des plantes parentales (y compris des avoines sauvages parentales) et à introduire de nouveaux caractères plus efficacement et avec une plus grande précision afin d’éviter des effets secondaires. Grâce au consortium PanOat, qui regroupe plus de 70 scientifiques du monde entier, les chercheurs d’AAC ont contribué au séquençage et à l’analyse de 33 lignées d’avoine, créant ainsi le tout premier pangénome de l’avoine entièrement annoté, un plan directeur qui saisit les gènes communs et uniques à l’ensemble de l’avoine.

Parallèlement au pangénome, les chercheurs ont également construit un pantranscriptome, qui est une sorte de carte montrant quels gènes sont actifs dans différents tissus (c'est-à-dire feuilles, racines ou graines) à différents stades de développement de la plante. Ensemble, ces ressources constituent une boîte à outils puissante pour les scientifiques des plantes, les aidant à relier des différences génétiques à des caractères concrets, tels que le rendement, la résistance à des maladies et la qualité nutritionnelle.

Leadership du Canada dans l’effort mondial

Le pangénome compare 33 grandes variétés d’avoine, mais la prochaine étape consistera à élargir ces connaissances afin de saisir toute la diversité de l’avoine. Les scientifiques Bekele, Ph. D., Tinker, Ph. D. et leurs collègues d’AAC^{Note de bas de page 1} ont poursuivi ces travaux dans le cadre d’une étude complémentaire sur les origines et la diversité du génome de l’avoine. L’étude est axée sur les 3 objectifs principaux suivants :

• Comprendre la structure génétique des avoines sauvages et cultivées;
• Comprendre comment la structure génétique témoigne de l’adaptation de la culture à différents environnements;
• Évaluer dans quelle mesure les assemblages du pangénome couvrent l’espace mondial de la diversité de l’avoine.

En partenariat avec des collaborateurs du monde entier, l’équipe d’AAC a analysé près de 9 000 échantillons d’avoine provenant de programmes de sélection internationaux et de la banque de gènes des RPC. Au moyen d’une méthode appelée génotypage par séquençage, ils ont comparé la variation génétique de cette vaste collection avec une précision sans précédent.

Voici quelques-unes des principales conclusions de leur recherche :

• L’étude a confirmé que les 33 variétés pangénomiques étaient très représentatives de la diversité génomique mondiale complète de l’avoine hexaploïde.
• L’espèce sauvage Avena sterilis, longtemps considérée comme relativement uniforme, comprend en fait 4 populations génétiques distinctes, et chacune est liée à des régions spécifiques de la Méditerranée et du Moyen-Orient.
• Deux types d’avoines cultivées, Avena byzantina (avoine rouge) et Avena sativa (avoine commune), s’avèrent génétiquement distincts, confirmant que ces 2 lignées ont suivi des voies évolutives distinctes.
• Certaines régions du génome de l’avoine présentent des réarrangements structurels, tels que des inversions (sections d’ADN inversées) et des translocations (segments déplacés sur des chromosomes différents). Ces changements semblent avoir aidé les avoines à s’adapter à leurs environnements locaux et peuvent également avoir créé des barrières naturelles qui rendent plus difficiles les croisements et les mélanges de différents types d’avoine.
• Des lignées de sélection d’AAC ont été utilisées pour démontrer les conséquences de réarrangements sur des profils de recombinaison (échange de chromosomes entre des parents), pour démontrer l’effet de réarrangements à grande échelle sur les progrès de l’amélioration génétique de l’avoine.
• Une étude d’association caractère-gène à haute résolution a établi un lien entre 2 allèles d’un gène dans une région génomique inversée et le moment de la floraison, l’un des principaux caractères liés à l’adaptation climatique et au rendement.
• La méthode de caryotypage dite « in silico », utilisant des marqueurs de génotypage par séquençage pour cartographier les structures chromosomiques, a été mise au point. Contrairement au caryotypage classique, qui est une méthode longue et technique, cette approche permet aussi de détecter des inversions, lesquelles passent souvent inaperçues.

Importance de cette recherche pour les Canadiens

À première vue, le catalogage des gènes de l’avoine peut sembler un exercice académique, mais ce qu’on peut en tirer peut avoir des répercussions considérables pour les agriculteurs et les consommateurs canadiens.

Pour les sélectionneurs, l’étude du pangénome et de la diversité génétique fournit une nouvelle boîte à outils qui complétera et améliorera l’utilisation actuelle des outils génomiques pour la sélection d’avoines par l’équipe d’AAC. Au lieu de travailler avec des connaissances limitées ou incomplètes, les sélectionneurs peuvent désormais utiliser ces informations pour introduire efficacement de nouveaux caractères provenant de parents sauvages ou de lignées d’avoine cultivées. Puisque l’une des lignées assemblées peut être modifiée génétiquement, les chercheurs peuvent s’en servir pour déterminer lesquels des gènes sont liés à des caractères importants. Entre autres caractères, mentionnons le potentiel de rendement qui permet à l’avoine de rester compétitive par rapport à d’autres céréales cultivées. Aussi, la résistance aux maladies qui protège contre les rouilles et d’autres phytopathogènes communs. Des efforts sont également mis sur la qualité nutritionnelle, avec une attention particulière portée au bêta-glucane, une fibre soluble qui réduit le taux de cholestérol. Enfin, les chercheurs travaillent sur la résilience climatique, en développant des variétés d’avoine qui pourront prospérer malgré des stress de nature hydrique, thermique (chaleur ou froid) ou d’autres conditions de croissance difficiles.

Pour les agriculteurs, cela signifie la possibilité d’obtenir des cultures d’avoine plus résistantes et plus fiables qui donnent de bons résultats dans les divers paysages agricoles du Canada. Pour les consommateurs, cela signifie un accès continu à des produits d’avoine sains et durables, depuis des aliments traditionnels jusqu’à des produits alternatifs innovants, par exemple des substituts de produits laitiers à base d’avoine.

Pour l’ensemble du secteur agricole canadien, cette recherche renforce la position du pays en tant que chef de file dans le domaine scientifique et la production d’avoine. Le Canada est déjà l’un des plus grands exportateurs d’avoine au monde, approvisionnant les marchés américains, européens et autres. Le déchiffrement de nouveau potentiel génétique permettra à l’avoine canadienne de rester une céréale des plus recherchées dans les années à venir.

Regard vers l’avenir

Grâce au pangénome et à la carte de diversité de l’avoine maintenant disponibles, les chercheurs disposent d’une meilleure base pour entreprendre de futures études. Des sélectionneurs explorent déjà comment utiliser ces connaissances génétiques pour créer une nouvelle génération de variétés d’avoine.

Les scientifiques d’AAC s’intéressent particulièrement aux caractères qui favorisent la viabilité et l’adaptation au climat, car l’agriculture canadienne est confrontée à de nouveaux défis en raison du changement des régimes météorologiques. Par l’identification des gènes liés à la tolérance au stress ou à l’utilisation efficace des éléments nutritifs, les sélectionneurs pourraient développer des lignées d’avoine moins gourmandes en intrants tout en conservant des rendements élevés. L’utilisation de l’avoine comme aliment fonctionnel suscite également de plus en plus d’intérêt et, compte tenu de la demande croissante des consommateurs pour une alimentation végétarienne saine qui est bonne pour la santé cardiaque, la possibilité d’affiner des caractères nutritionnels tels que la teneur en fibres ou en protéines pourrait créer de nouveaux débouchés pour les agriculteurs canadiens.

Au Canada, l’avoine est une industrie générant huit milliards de dollars, et elle est reconnue dans le monde entier pour sa qualité supérieure. Cette recherche renforce la position du Canada comme chef de file dans le domaine scientifique et de la production d’avoine et, dévoilant un nouveau potentiel génétique, elle contribuera à ce que l’avoine canadienne continue d’approvisionner les marchés américains, européens et d’ailleurs, tout en demeurant un produit de consommation mondiale favori dans les années à venir.

Galerie de photos

Des scientifiques d’AAC ont aidé à mener deux études qui ont révélé un niveau de détails sans précédent sur le génome de l’avoine, formant ainsi une boîte à outils puissante pour les chercheurs en sciences végétales.

Des scientifiques d’AAC ont collaboré avec des partenaires internationaux à cette recherche sur l’avoine afin d’en libérer les avantages pour les producteurs, les consommateurs et les sélectionneurs de plantes.

Renseignements connexes

• Nature Communications: Bekele, W.A., Avni, R., Birkett, C.L., Itaya, A., Wight, C. P., et al. Global genomic population structure of wild and cultivated oat reveals signatures of chromosome rearrangements. Nature Communications 16, 9486 (2025). https://www.doi.org/10.1038/s41467-025-57895-3.
• Nature: Avni, R., Kamal, N., Bitz, L., Jellen, E.N., Bekele, W.A., et al. A pangenome and pantranscriptome of hexaploid oat. Nature (2025). https://www.nature.com/articles/s41586-025-09676-7 (en anglais seulement)