Un spray comme alternative à la modification génétique des plantes ?

Des chercheurs japonais de l'institut Riken ont publié en mars, dans la revue ACS Nano, les résultats de l'expérimentation d'une technique interférant avec l'expression de certains gènes de plantes sans recourir à la modification génétique. Cette nouvelle approche consiste à pulvériser sur les feuilles une solution aqueuse contenant des biomolécules. Celles-ci, combinées à des nanocarriers (nanomatériau utilisé comme module de transport), atteignent les cellules végétales afin de désactiver l'expression de gènes spécifiques. Les résultats sont présentés à différentes étapes pour démontrer la faisabilité du procédé par pulvérisation.

Schéma du système de livraison ciblée par pulvérisation foliaire

Source : ACS Nano

Lecture : des biomolécules (ADN, petits ARN interférents - siRNA) sont combinées avec un nanomatériau peptidique de transport CPP/CTP (cell-penetrating peptide / chloroplast-targeting peptide) dans une solution aqueuse. Pulvérisées sur les feuilles, ces biomolécules atteignent différentes structures des cellules végétales et modifient l’expression de gènes ciblés sans les altérer.

            Les chercheurs se basent sur de précédentes études concluant que, par injection à l'aide d'une seringue, des biomolécules conjuguées à des peptides à pénétration cellulaire (CPP) pouvaient être transférées à des structures spécifiques au sein des cellules végétales, dont les chloroplastes (cible essentielle pour la régulation du métabolisme). Dans un premier temps, les auteurs ont conçu un système de livraison de biomolécules aux plantes par pulvérisation afin d’être utilisable en conditions agricoles réelles. Pour plusieurs cultures (soja, tomate, etc.), ils ont identifié les CPP les plus efficaces pour pénétrer et cibler différentes structures cellulaires (cytosol, noyaux, chloroplastes). Ils ont ensuite démontré la faisabilité de la mise sous silence d’un gène, sur des plantes transgéniques surexprimant la fluorescence jaune de leurs feuilles : la pulvérisation d’une solution aqueuse composée d’un CPP associé à de l’acide ribonucléique (ARN) interférant a entraîné une diminution significative de la fluorescence des feuilles de différentes cultures transgéniques (jusqu’à 80 % pour la tomate).

Les approches conventionnelles de modification génétique des plantes, notamment la transgénèse, nécessitent un temps long et des coûts élevés de développement pour obtenir une lignée de la variété avec le caractère modifié. De plus, les cultures transgéniques qui en résultent suscitent l’inquiétude du grand public quant aux impacts potentiels sur la santé humaine et animale, ainsi que sur la biodiversité. Les auteurs de cette étude poursuivent leurs travaux afin d'améliorer l’efficacité du système de livraison et de son ciblage. Ils aspirent à mettre au point une nouvelle technologie, d’application rapide, peu coûteuse, utilisable par les agriculteurs eux-mêmes afin d’améliorer les caractéristiques de leurs cultures (rendement, résistance aux maladies, tolérance à la sécheresse, etc.), sans induire de modification permanente du génome végétal.

Jérôme Lerbourg, Centre d'études et de prospective

Source : ACS Nano

Interaction génétique entre variétés et performance agronomique des mélanges

La littérature agronomique a montré que les mélanges variétaux présentent en moyenne une productivité et une résistance aux maladies supérieures à celles des cultures monovariétales, mais ces bonnes performances moyennes cachent une forte variabilité, que la littérature peinait à expliquer. Une étude publiée dans la revue New Physiologist, en janvier 2022, fournit un éclairage génétique nouveau : elle démontre, pour le blé dur, que des associations génétiques de deux variétés peuvent être défavorables à la performance du mélange. Ainsi, la diversité d’une zone du génome de la plante peut à elle seule entraîner des effets négatifs majeurs sur la productivité de l’association.

L’expérimentation a porté sur 179 peuplements purs de blé dur et 202 mélanges de deux variétés. Par rapport aux peuplements purs, les mélanges étaient globalement plus productifs (+ 4 % sur le rendement du grain) et moins affectés (- 17 %) par la septoriose (maladie foliaire provoquée par le champignon Septoria tritici). Cependant, les résultats de ces mélanges étaient variables : 43 % d'entre eux étaient moins productifs que leurs composants de peuplements purs et 24 % ont été plus affectés par la septoriose. À l’échelle du génome, les auteurs ont identifié une région de l’ADN pour laquelle la richesse allélique, entre les génotypes associés, impliquait une plus grande sensibilité à la septoriose et un moindre rendement du mélange (- 7,6 % contre + 5,7 %). Il semblerait donc que les effets positifs de la diversité des mélanges puissent être contrecarrés par des associations génétiques défavorables concernant certaines zones du génome.

L'étude des interactions entre plantes, au niveau génomique, ouvre donc de nouvelles pistes de recherche, pour mieux concevoir les mélanges dans les stratégies de diversification des cultures.

Cécile Poulain, Centre d’études et de prospective

Source : New Phytologist

État des lieux et défis pour la recherche sur la canne à sucre

En juin 2021 s'est tenue en Inde (Coimbatore) une conférence internationale consacrée à la recherche sur la canne à sucre, organisée par le Sugarcane Breeding Institute. Réunissant de nombreuses contributions, les actes qui viennent de sortir brossent un panorama des connaissances actuelles et des défis : amélioration des plantes, techniques de production, gestion des maladies et des ravageurs, mécanisation des systèmes de production, etc. Cultivée dans 103 pays, avec le Brésil, l'Inde et la Chine en tête, la canne à sucre occupe environ 25,3 millions d'hectares, pour une production annuelle d'environ 1,9 milliard de tonnes. Parmi les défis partagés au niveau mondial, figure l'amélioration des rendements : selon l'une des contributions, en 80 ans, la forte progression de la production a été liée à l'accroissement des surfaces, alors que les rendements ont dorénavant atteint un plateau. Dans ce cas, comme dans d'autres, les technologies génétiques présentent, pour les intervenants, des opportunités intéressantes. La diversification des valorisations (bioénergie, biocarburants) est un autre défi important, en particulier pour les entreprises de transformation.

Source : Sugarcane Breeding Institute

Statut des nouvelles techniques d'édition du génome : une étude de la Commission européenne

Les services de la Commission européenne ont conduit une étude sur le statut des nouvelles techniques d'édition du génome (NGT, New Genomic Techniques) au regard du droit en vigueur au sein de l'Union. En effet, la recherche publique et privée rencontre des obstacles réglementaires, pour innover sur ces NGT, alors que celles-ci présentent des atouts pour atteindre les objectifs du Green Deal (stratégies Farm to fork et Biodiversité) et ceux de développement durable de l'ONU (lutte contre la faim dans le monde, préservation de la biodiversité). Par exemple, certaines plantes obtenues grâce aux NGT sont plus résistantes aux maladies, aux événements climatiques, moins dépendantes des intrants agricoles, ou encore capables d'arriver plus rapidement à maturité.

Rappelant l'avis de la Cour de justice de l'UE (cas C-528/16), l'étude établit clairement que les organismes obtenus par les NGT sont considérés comme des organismes génétiquement modifiés (OGM), au sens du droit de l'Union. Cependant, la Commission observe que les mutations obtenues par NGT ne sont pas facilement détectables, puisque la mutagénèse recompose l'ADN de l'organisme sans y introduire d'ADN étranger. Les modifications apportées par ces techniques pourraient donc avoir été produites par sélection variétale classique, voire par processus naturel, contrairement aux modifications obtenues par transgénèse (OGM). L'application de la réglementation pourrait alors s'avérer difficile. La Commission relève aussi que, sur le plan éthique, les inquiétudes concernent moins les techniques elles-mêmes que leurs usages. Enfin, si le recours aux NGT représente de vrais défis (monopolisation de la propriété intellectuelle relative au vivant, etc.), le choix de ne pas y recourir en comporte également (sécurité alimentaire mondiale, etc.).

Selon la Commission, divers éléments justifient de repenser la réglementation européenne sur ces techniques d'édition du génome : les possibilités innovantes offertes par les NGT, la difficulté à garantir une traçabilité, les craintes d'un retard de l'UE en matière de compétitivité de ses filières et les risques de différends avec ses partenaires commerciaux. Il en ressort qu'une approche au cas par cas serait la plus appropriée et que toute réglementation en résultant devrait être performante et agile face à l'évolution des NGT, qui va nécessairement s'accroître selon les auteurs.

Vincent Hébrail-Muet, Centre d'études et de prospective

Source : Commission européenne

Avancées récentes pour une nutrition personnalisée

Fin janvier 2021, le British Journal of Nutrition a mis en ligne un article consacré aux avancées récentes dans le domaine de la nutrition personnalisée. Au cours des dernières décennies, ont été mises en évidence les interactions complexes et l'influence, sur les réponses individuelles, de facteurs génétiques, comportementaux, physiologiques ou encore environnementaux. Les auteurs s'intéressent plus spécifiquement à quatre sujets, et tout d'abord aux liens entre les apports en folates pendant la grossesse, les changements de méthylation de l'ADN et les implications pour la santé de l'enfant. Le rôle potentiel des gènes influençant le métabolisme de la vitamine B12 dans les maladies cardiométaboliques est également traité, ainsi que l'importance de groupes bactériens du microbiote dans la gestion personnalisée de l'obésité.

Le quatrième sujet a trait aux avancées technologiques en matière de reconnaissance d'images de denrées pour l'évaluation des apports nutritionnels. Potentiellement utile, par exemple, dans des démarches individuelles d'amélioration du régime alimentaire, cette reconnaissance est prometteuse par sa facilité d'utilisation grâce aux smartphones. Toutefois, elle rencontre des difficultés importantes, liées à la nature même des objets analysés : les aliments sont déformables, leur apparence change à la cuisson, des denrées différentes peuvent paraître semblables alors qu'une même denrée peut présenter des visuels variables, en fonction de la lumière, de l'angle de prise de vue, etc. Or, la bonne reconnaissance d'une denrée est indispensable pour établir la correspondance adéquate avec une base de données de composition nutritionnelle. Au cours de la dernière décennie, des travaux s'appuyant sur le deep learning ont permis de faire progresser les techniques, et la disponibilité des banques d'images d'aliments a été améliorée. Si des avancées sont encore nécessaires, les auteurs identifient des perspectives d'amélioration des évaluations nutritionnelles dans le cadre des essais cliniques. Les applications numériques destinées à un suivi individuel pourraient également en bénéficier, avec par exemple des recommandations plus pertinentes pour une application de gestion du poids combinant évaluation automatisée des apports alimentaires et informations individuelles (ex. génotype).

Julia Gassie, Centre d'études et de prospective

Source : British Journal of Nutrition

Les outils génétiques à l'appui de l'aquaculture

Un reportage de novembre 2020 de la revue Science revient sur les avancées des outils génétiques et leur intérêt pour l'aquaculture, et ce sur plusieurs plans : sanitaire (ex. résistance aux maladies et parasites), productif (ex. taux de croissance) et consumériste (ex. qualité des filets et couleur de la chair).

Les techniques d’identification de marqueurs génétiques, dans une population, ont permis d'améliorer de 25 % les performances des méthodes de sélection traditionnelles, en facilitant la détection des individus porteurs des caractéristiques souhaitées. En plus de la recherche continue d'innovations techniques, les objectifs sont de développer leur utilisation sur une plus grande variété d'espèces d'intérêt, de poursuivre la diminution des coûts (déjà observée, pour une appropriation plus large) et de mieux informer le consommateur de ces techniques.

Valeur (en milliards de dollars), tonnage produit (en milliers de tonnes) et date de la première publication scientifique connue au sujet de la sélection d'un caractère spécifique,  pour cinq espèces couramment élevées dans le monde

Source : Science

Lecture : de gauche à droite, carpe amour, tilapia du Nil, saumon Atlantique, crevette à pattes blanches, huître creuse du Pacifique.

Source : Science

Patate douce, stress thermique et alimentation mondiale

Un article récent de la revue Nature Climate Change présente les résultats d’une étude sur le rôle de la diversité génétique intraspécifique de la patate douce dans sa résistance au stress thermique. Les auteurs rappellent les atouts de ce tubercule pour répondre aux défis de la sécurité alimentaire des populations les plus vulnérables : sa haute valeur nutritionnelle et des besoins en main-d’œuvre moins conséquents que pour d’autres plantes. L’étude s’est déroulée en trois phases : i) l’évaluation de la résistance au stress thermique de 1 973 variétés ; ii) l’identification de variables permettant de prédire leurs réponses à ce stress ; iii) la simulation de scénarios d’épisodes de sécheresse intense et de leurs impacts sur les rendements.

Les facteurs de variations internes et externes permettant de prédire le rendement de 1973 cultivars

Source : Nature Climate Change

Lecture : l’importance relative de chaque élément prédicteur est indiquée, dans l’ordre des aiguilles d’une montre, dans deux types d’environnement : sans stress thermique (a) et avec stress thermique (b). La couleur des flèches indique la corrélation positive (bleue) et négative (rouge) pour les variables continues. NDVI : normalized difference vegetation index.

132 cultivars, dont 63 % sont des types locaux traditionnels, ont montré une tolérance à des températures extrêmes. Les auteurs insistent alors sur leur contribution potentielle à la meilleure satisfaction des besoins alimentaires de certaines populations.

Source : Nature Climate Change

 

 

 

Méthodes d’ovosexage des poussins : état des lieux des avancées récentes

L’annonce par les ministres de l’agriculture français et allemand de l’interdiction de l’élimination des poussins mâles de souche ponte, d’ici fin 2021, relance l’intérêt pour les méthodes de détermination du sexe des poussins avant éclosion. Elles sont présentées dans un récent article de l'Institut technique de l'aviculture (ITAVI). Les critères de sélection d’une technique d’ovosexage reposent sur des considérations éthiques, économiques et sanitaires.

Critères pour le choix d’une technique d’ovosexage

Source : ITAVI

Ces techniques, en partie commercialisées, peuvent être spectrales et non spectrales. Les premières, qui reposent sur un spectre différent selon le sexe, émis par l’œuf in toto, par des cellules sanguines ou par la molécule d’hémoglobine, sont non invasives. Les secondes visent à détecter soit la présence d’un chromosome sexuel ou une différence dans la concentration d’hormones ou de métabolites sur un prélèvement, soit un marqueur fluorescent transmis par des poules génétiquement modifiées aux poussins mâles, soit des substances volatiles émises par l’œuf.

Source : ITAVI

 

Revue de littérature sur les apports de la sélection variétale conventionnelle pour réduire les risques sanitaires des aliments

Dans un article récemment publié dans Trends in Food Science & Technology, une équipe de chercheurs américains présente les apports de la sélection végétale pour améliorer la sécurité sanitaire en diminuant toxines et allergènes. En effet, seule une minorité d'espèces a fait l'objet de manipulations génétiques en vue de produire des variétés améliorées : maïs, soja, colza, riz, papaye, courge, pomme. Pour la grande majorité des cultures, la sélection variétale reste basée sur des techniques conventionnelles (figure ci-dessous) qui ont, au fil du temps, incorporé des innovations technologiques facilitant l'identification des marqueurs génétiques souhaités ou à minorer. Ces pratiques ont entre autres pour but d’éviter ou de limiter la production de toxines, qu'elle soit naturelle ou en réaction à des maladies.

Schéma général du processus conventionnel de sélection variétale

Source : Trends in Food Science & Technology

Lecture : les cases blanches et noires présentent les chromosomes de chaque parent au stade 1, et le génome complet de chaque parent ou lignée, à partir du stade 2.

La réduction de la sensibilité aux maladies est un objectif visé dans le cas des céréales et de la production d'aflatoxines par des champignons les contaminant lors de l'exposition à des conditions chaudes et humides. Les auteurs reviennent ainsi sur la sélection du maïs, afin de développer la résistance naturelle des grains.

Certaines plantes produisent naturellement des allergènes et toxines. La sélection variétale a alors consisté à réduire ou faire disparaître ces molécules, au moins dans la partie consommée. L’article prend deux exemples pour l'illustrer : la pomme et la pomme de terre. Dans ce dernier cas, en tant que représentante de la famille des solanacées, la pomme de terre (comme la tomate et le poivron) produit naturellement des alcaloïdes et glycoalcaloïdes qui la protègent des ravageurs. Les auteurs détaillent ensuite le long processus de domestication, puis la sélection moderne visant à adapter les variétés aux différents usages, tout en essayant de conserver l'aptitude naturelle de la plante à se défendre.

Muriel Mahé, Centre d'études et de prospective

Source : Trends in Food Science & Technology

 

Doper la photosynthèse des grandes cultures en modifiant leur processus de photorespiration

Une équipe de chercheurs américains vient de publier, dans Science, le résultat de ses travaux sur les voies métaboliques de la photosynthèse et leur optimisation. Les cultures de tabacs transgéniques, menées en plein champ pendant deux années, ont ainsi permis d'obtenir des rendements supérieurs de 25 à 40 % selon les types de modifications introduites. Les auteurs ont réussi à lever le frein métabolique lié à la production de glycolate dans le processus de la photosynthèse. En effet, celui-ci doit, par phototranspiration, être transformé en de nouvelles molécules, plus utiles à la plante. Cette opération étant coûteuse en énergie, elle réduit l'efficacité de la photosynthèse et donc la production de biomasse.

Désormais, les chercheurs se concentrent sur des cultures parmi les plus consommées dans le monde : blé, maïs, soja. Les mécanismes de la photorespiration étant similaires à ceux du tabac, ils espèrent obtenir des résultats favorables à l'augmentation des rendements. Notons que ces travaux ont été financés notamment par la Fondation Bill et Melinda Gates et seront en accès libre.

Plants de tabacs génétiquement modifiés comparés au plant témoin (le premier en partant de la gauche)

Source : Science

Source : Science

Les impacts potentiels, pour l'élevage, des animaux génétiquement modifiés

Le 21 juin dernier, l'Académie vétérinaire a consacré une séance à l'apport des nouvelles technologies génomiques en élevage, s'intéressant tant aux espèces aviaires qu'aux ruminants et à la filière ostréicole. Parmi les cas présentés figure la technologie CRISPR Cas-9 (voir à ce sujet un précédent billet, un second billet et une brève sur ce blog) et son utilisation pour supprimer les protéines allergisantes du blanc d’œuf, avec la perspective de diminuer certains risques allergiques alimentaires. S'agissant des maladies animales, des recherches sont conduites pour supprimer la transmission de l'influenza aviaire grâce à l'obtention de poulets génétiquement modifiés. En matière de bien-être animal, a été également mentionnée l'insertion d'un marqueur sur un chromosome sexuel permettant de différencier embryons mâles et femelles au niveau de l’œuf avant l'éclosion. Ceci contribuerait à résoudre une question éthique en mettant fin à l'élimination des poussins mâles, et permettrait aussi une utilisation industrielle des œufs embryonnés (production de vaccins par exemple).

Source : Académie vétérinaire de France

Caractérisation d'un premier gène de résistance au champignon responsable de la septoriose du blé

La septoriose (ou STB), qui cause d'importantes pertes de rendement dans les cultures de blé, fait l'objet de nombreuses recherches scientifiques. Une récente publication dans la revue Nature Genetics, présentée dans un communiqué de l'Inra, expose les travaux sur un gène de résistance (Stb6) au champignon pathogène responsable de cette maladie, menés par des chercheurs de l'Institut et du centre de recherche de Rothansted (Royaume-Uni). Si 21 de ces gènes avaient été identifiés et localisés auparavant, aucun n'avait encore été cloné et caractérisé fonctionnellement comme Stb6, présent dans la plupart des variétés cultivées et primordial dans les voies de défense. Aujourd'hui connue, la structure de la protéine membranaire codée par Stb6 lui permet de détecter les modifications de la paroi cellulaire dues à l'agent pathogène, induisant, grâce à son activité kinase, les mécanismes de défense de la plante.

Ces avancées s'ajoutent à la découverte récente du produit de virulence du champignon, c'est-à-dire des protéines qu'il synthétise, codées par le gène AvrStb6, et qui sont reconnues par le blé grâce à la protéine membranaire codée par Stb6. La capitalisation des connaissances sur les interactions entre les organismes hôtes et pathogènes permettra, à terme, de développer de nouvelles méthodes de lutte contre la septoriose. Dans la mesure où la sélection variétale repose aujourd'hui sur les seules évaluations phénotypiques, le clonage du premier gène de résistance représente, d'après les auteurs, une avancée agronomique majeure, qui offre de nouvelles perspectives en matière de durabilité de la protection des cultures.

Source : Nature Genetics

Comment la domestication a-t-elle modifié le génome des chevaux ?

Une équipe internationale de chercheurs, dirigée par L. Orlando du CNRS (Toulouse), a étudié le génome de chevaux ayant vécu au cours des premiers millénaires de la domestication de cet animal, survenue 4 000 ans avant notre ère. L'examen des squelettes de 15 chevaux a révélé des caractéristiques recherchées par les éleveurs, telles que des membres supérieurs ou des glandes mammaires développés. Les auteurs ont déterminé les régions du génome où se sont concentrées ces mutations adaptatives, et ont établi que ces régions portaient des gènes liés à la crête neurale, cellules nerveuses embryonnaires à l'origine de nombreux tissus de l'organisme. Ces travaux vont dans le sens d'une « théorie de la crête neurale », qui expliquerait une certaine convergence de caractéristiques physiques et comportementales chez les animaux domestiques.

Source : Science

Une cartographie fine du génome de l'orge

Après dix ans de travaux, un consortium international de chercheurs a publié, en avril 2017, un séquençage du génome de l'orge avec une précision inédite. Un tel séquençage se révélait particulièrement complexe en raison de la structure de ce génome, composé de très nombreuses réplications de séquences, qui ont nécessité des approches spécifiques pour obtenir une cartographie fine des chromosomes. Au-delà du cas de l'orge, ce séquençage fin contribue à améliorer la connaissance des gènes d'intérêt agronomique, dont des variants sont retrouvés dans les autres céréales.

Les chercheurs ont par ailleurs pu utiliser cette nouvelle carte du génome de l'orge pour cartographier, à l'échelle des chromosomes, la variabilité génétique de 96 cultivars différents, orges de printemps et orges d'hiver.

Cette analyse met en évidence la très faible diversité génétique sur les aires autour des centromères chromosomiques, et permet de mieux comprendre les mécanismes physiques qui entrent en jeu lors des méioses, à la base de la sélection variétale. Cette cartographie ouvre donc la voie à de nombreux travaux en génétique végétale, pour la recherche fondamentale, la sélection variétale mais aussi, compte tenu des innovations les plus récentes, en sélection génomique.

Source : Nature

Avancées dans la connaissance des mécanismes de l'obésité et des pathologies liées

Dans l'édition de mars 2017 de La Recherche, un article est consacré aux travaux de chercheurs français, récompensés par le prix La Recherche 2016 dans la catégorie santé-médecine, et portant sur les « relations entre l'inflammation, le remodelage du tissu adipeux et la régulation du métabolisme ». Ils ont ainsi identifié une protéine (IRF5), produite par les macrophages présents dans le tissu adipeux abdominal, lesquels deviennent pro-inflammatoires en situation d'obésité. Ce facteur de transcription représente ainsi le lien entre excès de poids et maladies métaboliques (diabète de type 2 notamment), et les mécanismes en jeu ont été mis en lumière. Ces travaux ouvrent des perspectives pour des applications thérapeutiques, par exemple dans l'optique d'inhiber la production d'IRF5.

Source : La Recherche