Nouvelles méthodes de sélection pour les plantes

La récolte de blé dans le canton de Zurich a été mauvaise cette année - les pertes de récolte ont oscillé entre 20 et 40 pour cent [1]. La raison en est les mois humides de mai et juin, qui ont favorisé la croissance des champignons. L'utilisation de produits phytosanitaires chimiques n'est possible que de manière limitée. Pour couvrir ses propres besoins, la Suisse devra donc probablement acheter cette année plus de blé à d'autres pays que les années précédentes.

Cet exemple illustre en miniature les défis qui attendent l'agriculture mondiale : Croissance démographique, besoins alimentaires croissants, terres arables limitées et changement climatique. Environ 90 pour cent de la production mondiale de denrées alimentaires et d'aliments pour animaux sont couverts par la culture de dix plantes cultivées seulement. Les céréales telles que le riz, le blé et le ma?s sont en tête de liste. Si des attaques de parasites imprévues ou des sécheresses devaient survenir lors de la culture de nos plantes, des famines pourraient s'ensuivre.

Besoin de variétés résistantes

Pour assurer l'alimentation mondiale à l'avenir, il faut de nouvelles variétés de plantes qui fournissent des rendements élevés même dans des conditions climatiques changeantes et qui nécessitent moins de produits phytosanitaires. Une alternative importante à la protection chimique des plantes est d'augmenter la résistance des plantes aux ravageurs et aux maladies. Pour ce faire, les sélectionneurs utilisent une palette variée de mécanismes de défense et de résistance développés par les plantes au cours de millions d'années de co-évolution avec les organismes nuisibles. L'amélioration des propriétés de résistance peut être obtenue aussi bien par la sélection traditionnelle basée sur les caractères ou le génome que par le génie génétique. Toutefois, ces améliorations sont limitées par les caractéristiques des variétés disponibles pour la sélection.

Modification ciblée du génome chez les plantes

Ces dernières années, des méthodes de biologie moléculaire ont été développées pour modifier de manière ciblée le génome d'organismes supérieurs (ce que l'on appelle l'édition du génome) [2]. Pour simplifier, cela se fait à l'aide de deux molécules qui fonctionnent ensemble : un module de reconnaissance qui trouve précisément le site cible dans le génome et une enzyme qui coupe l'ADN au niveau du site cible. Des séquences peuvent ensuite être insérées, modifiées ou supprimées via le mécanisme de réparation de l'ADN propre à la cellule. L'éventail des applications va des cellules individuelles aux organismes complets, et de la recherche fondamentale à la sélection végétale en passant par la thérapie génique chez l'homme et l'animal. Dans ce dernier cas, il devient possible d'introduire plus efficacement de nouvelles caractéristiques dans les plantes cultivées ou de produire des mutations de manière ciblée. La possibilité d'inactiver complètement certains gènes de manière fiable, par exemple pour déterminer leur fonction, est particulièrement intéressante pour la recherche.

La spécificité pour un gène donné, c'est-à-dire la précision du module de reconnaissance, est assurée à chaque fois par une molécule particulière qui est introduite dans la cellule et reconna?t précisément la séquence cible. Dans les premières méthodes, il s'agissait de protéines dites à doigt de zinc ou TALEN, dont le code de reconnaissance peut être adapté à la séquence cible d'ADN souhaitée. Mais à l'heure actuelle, c'est à la méthode portant le nom maladroit de "CRISPR/Cas" que l'on attribue le plus grand potentiel. Il s'agit d'une méthode très simple à utiliser, qui se prête également à l'amélioration des propriétés de résistance et donc à l'augmentation du rendement des plantes cultivées.

Du dispositif de défense bactérien à l'outil de sélection

Dans le cas de CRISPR/Cas, une molécule d'ARN spécialement structurée est utilisée avec une enzyme pour reconna?tre et découper un endroit précis du génome. La réparation cellulaire qui s'ensuit produit les mutations souhaitées. CRISPR/Cas fonctionne naturellement chez les bactéries comme mécanisme de défense contre l'ADN invasif (par exemple celui des virus), mais peut être utilisé dans les cellules de tous les organismes. Différents programmes informatiques et bases de données génétiques sont disponibles pour la sélection de séquences cibles appropriées. Il devient ainsi possible d'éviter en grande partie les effets indésirables sur d'autres sites génétiques ou de déterminer les séquences appropriées pour la modification simultanée de différents gènes. Le nombre de mutations indésirables dans d'autres séquences d'ADN peut être minimisé vers zéro gr?ce aux méthodes utilisées aujourd'hui.

Rendre les plantes cultivées plus résistantes

La modification ciblée du génome (mutagénèse) chez les plantes n'en est qu'au stade initial de l'optimisation des méthodes orientées vers l'application. Néanmoins, depuis 2013, l'édition génomique a déjà permis de produire toute une série de nouvelles caractéristiques dans les plantes cultivées (blé, millet, ma?s, riz, tomate), qui seraient très difficiles à obtenir par des méthodes de sélection classiques et sur une longue période [3]. Les génomes végétaux, en particulier, représentent un défi particulier, car beaucoup d'entre eux sont polyplo?des. Cela signifie qu'ils portent en eux plus de deux copies de leur génome - dans le cas du blé, un hybride de trois variétés sauvages, il y en a même six.

Tout comme les humains et les animaux, les plantes se défendent contre les agents pathogènes tels que les champignons, les virus ou les bactéries à l'aide d'une sorte de système immunitaire. En règle générale, des protéines végétales spécifiques reconnaissent les germes pathogènes et déclenchent une stratégie de défense. D'autre part, les agents pathogènes utilisent également des protéines de l'h?te pour rendre l'infection efficace. Une résistance accrue des plantes peut donc être obtenue soit en renfor?ant les défenses actives, soit en éliminant de tels gènes utilisés par l'agent pathogène. Cette dernière solution peut être obtenue par une mutation ponctuelle ciblée des gènes correspondants avec CRISPR/Cas. Ainsi, on peut par exemple empêcher la maladie de l'o?dium chez le blé en supprimant les six copies du MLO-Les deux gènes peuvent être désactivés simultanément. Le gène végétal MLO-Un gène facilite l'infection des céréales par des champignons du mildiou (Blumeria graminis f. sp. Tritici), car cela réduit la réaction de défense des plantes. [4]

Questions ouvertes d'esprit

La particularité de CRISPR/Cas est que les modifications générées dans le génome ne se distinguent pas des mutations qui se produisent naturellement chez les plantes et les animaux. De telles mutations résultent par exemple de l'influence de l'environnement sur les génomes, par exemple du rayonnement radioactif naturel, de produits métaboliques réactifs ou encore d'erreurs lors de la multiplication et de la transmission de l'ADN. Au 20e siècle, la sélection par mutation à l'aide de traitements chimiques ou de radiations a permis d'obtenir d'importants gains de rendement pour nos plantes cultivées. Il existe aujourd'hui dans le monde environ 3088 variétés issues de 190 espèces qui ont été créées de cette manière.

Comme il est impossible de distinguer les plantes modifiées par CRISPR/Cas de celles issues de méthodes de sélection traditionnelles, la question se pose : Si une nouvelle méthode de sélection déclenche dans le génome de l'espèce concernée des modifications ciblées que la sélection conventionnelle ou la mutation aléatoire peuvent également produire - avec toutefois des efforts nettement plus importants -, le produit qui en résulte doit-il être considéré comme un OGM (organisme génétiquement modifié) ou non ? Le débat actuel se concentre donc sur la question de savoir si la réglementation doit être liée au processus ou au produit.

Nous aborderons plus en détail les questions d'évaluation des risques et de réglementation dans notre prochain article de blog.

Johannes Fütterer a rédigé cette contribution avec page externeManuela Dahinden, Bruno Studer et Wilhelm Gruissem rédigé(e).