Biofutur, le mensuel européen des biotechnologies

Une (micro)clé du rendement du riz

Agnès Vernet — 2015-12-23T04:00:00Z

Plusieurs équipes mettent en lumière le rôle d'un microARN dans la régulation du nombre et de la taille des grains produits par la céréale.

La moitié de la population mondiale dépend du riz pour son alimentation. Alors que les surfaces agricoles sont en diminution, comprendre les mécanismes influant sur le rendement de cette céréale mobilise de nombreuses équipes à travers le monde. C'est ainsi que trois groupes de recherches, tous chinois mais travaillant de manière indépendante, mettent au jour le rôle du microARN conservé miR396 sur la croissance du riz. Un premier groupe de chercheurs, de l'Université de Wuhan, est tombé sur cette séquence régulatrice en cherchant les mécanismes moléculaires expliquant la tendance d'un hybride à former davantage d'épis que ses parents (1). Ces travaux montrent que bloquer miR396 libère l'expression d'un gène codant le facteur de régulation de la croissance GRF6 (Growth Regulating Factor). Celui-ci promeut la formation des inflorescences via, notamment, la voie de biosynthèse de l'auxine, une hormone qui contrôle la croissance et le développement des plantes. En clair, plus on empêche la liaison entre miR396 et GRF6, plus le riz donne d'épis.
Les deux autres équipes, affiliées à l'Académie chinoise des sciences et aux Académies des sciences agricoles de Fuzhou et Hangzhou, se sont intéressées au gène codant un autre facteur de régulation : GRF4 (2,3). Ce gène existe sous plusieurs allèles dont certains, comme le variant GL2, entraînent la formation de grains plus longs. Les chercheurs ont étudié des mutations de ce locus qui conduisent à une augmentation de la taille des grains. Chacune travaillant sur un variant différent, les deux équipes ont toutes deux mis en évidence que les mutations bloquant la liaison de GRF4 avec miR396 sont responsables des phénotypes de longs ou gros grains. Là encore, le microARN réduit l'expression du facteur de régulation qui, une fois libéré de cette pression, active des hormones végétales. Le GRF4 stimule ainsi la voie des brassinostéroïdes, réputés pour favoriser l'expansion et l'élongation cellulaire.
Ce microARN semble donc, à triple titre, une piste de choix pour des recherches visant à développer des variétés à fort rendement.

(1) Gao F et al. (2015) Nat Plants, doi:10.1038/nplants.2015.196
(2) Che R et al. (2015) Nat Plants, doi:10.1038/nplants.2015.195
(3) Duan P et al. (2015) Nat Plants, doi:10.1038/nplants.2015.203

Ces trois phénotypes de riz ne diffèrent que par la régulation liée à miR396.
© Chet et al.

En route vers le génome de blé

Agnès Vernet — 2015-11-13T15:12:10Z

Si le génome complet du blé n'est pas encore accessible, des chercheurs ont publié une nouvelle séquence, très résolutive. Un pas de plus vers ce « Graal de l'agrogénomique ».

Dans le monde de la génomique, la séquence complète de l'ADN du blé reste un enjeu majeur, un véritable défi scientifique à surmonter. Du haut de ses 21 chromosomes, regroupant plus de 100 000 gènes et de très nombreuses séquences répétées, elle nargue les chercheurs depuis plusieurs années. Avec ses trois sous-génomes – on la qualifie d'hexaploïde –, cette céréale possède l'un des génomes les plus complexes du monde vivant, ce qui explique les difficultés techniques de son étude. Pour surmonter l'obstacle, les principaux instituts de recherches mondiaux se sont regroupés dans le Consortium international de séquençage du génome du blé. Une première ébauche de séquence a ainsi été publiée en 2014 et le séquençage à haute résolution des chromosomes a débuté. Aujourd'hui, ces travaux franchissent une étape importante. Des chercheurs du Centre d'analyse des génomes, installé à Norwich au Royaume-Uni, viennent de publier une nouvelle séquence fine de la variété Chinese Spring 42 de Triticum aestivum, une lignée de référence du blé tendre. Grâce au travail de spécialistes des algorithmes au sein du Centre d'analyse des génomes, le logiciel DISCOVAR – développé à l'origine pour le génome humain – a été optimisé pour l'assemblage du génome du blé, afin d'obtenir une forte couverture de la séquence en identifiant les répétitions. Même avec cet outil de pointe, il a fallu plus de trois semaines de calcul à un super-ordinateur britannique pour fournir la séquence la plus complète jamais obtenue. Bien qu'il ne s'agisse pas encore de la séquence intégrale et ultra résolutive qu'espère – en 2017 – le Consortium, ce succès fournit à la communauté agronomique un matériel d'une qualité inégalée pour étudier l'une des plus importantes plantes agricoles de l'histoire de l'humanité.

www.tgac.ac.uk

Le colza met de l'huile dans la recherche

Agnès Vernet — 2014-08-22T03:00:00Z

Un génome partiel du colza permet de comprendre le passé et d'imaginer le futur de l'oléagineux.

Identifiable grâce à ses petites fleurs jaunes, le colza (Brassica napus) est une culture désormais incontournable. Troisième oléagineux au monde en volume d'huile produit, il inonde à la fois le marché alimentaire et l'industrie des combustibles. Or l'intérêt économique que représente cette Brassicacée semble aller de paire avec la complexité de son génome. Elle est issue de la fusion de deux plantes : B. rapa – le chou chinois – lui a donné ses chromosomes A_nA_n et B. oleracea – le chou commun –, ses chromosomes C_nC_n. Cette histoire est notamment racontée par des chercheurs de l'Inra, en collaboration avec l'Université d'Évry, le Genoscope, le CEA et de nombreux centres de recherche étrangers, qui établissent une séquence préliminaire du génome de B. napus.
Les biologistes ont assemblé 849,7 mégabases (Mb), soit environ 79 % des 1 130 Mb de la séquence complète de la plante. Le génome A_nA_n C_nC_n ne semble pas être le produit d'un mariage équilibré entre les deux parents : d'après les données assemblées, 525,8 Mb proviennent de B. oleracea et seulement 314,2 Mb de B. rapa. Les chercheurs ont aussi identifié 34,8 % d'éléments transposables, un taux inférieur aux 40 % estimés par les chercheurs mais qui correspond à l'adaptabilité du colza, qui est capable de pousser sous des climats variés. D'après cette séquence partielle, le génome de B. napus renferme 101 040 gènes potentiels dont 91 167 correspondent à des séquences des plantes parents. Ils codent notamment de nombreuses protéines impliquées dans la synthèse des lipides et quelques enzymes liées au métabolisme des glucosinolates. Très fréquents chez les Brassicacées, ces composés les protègent contre les insectes ravageurs en donnant à la plante une saveur amère ou piquante. Leur quantité est étonnamment faible dans le colza.
D'après les chercheurs, cette conversion génique – lipides contre glucosinolates – est le fruit de la sélection humaine. Le colza est cultivé depuis le Moyen âge comme huile alimentaire, combustible et aliment pour les animaux d'élevage. Or les glucosinolates semblent à l'origine de troubles thyroïdiens chez les moutons, les bovins et les lapins. Au cours de l'histoire agricole, les hommes auraient contribué à modifier la structure génétique du colza pour mieux répondre à leurs besoins. Un processus loin d'être achevé tant les débouchés énergétiques de la plante deviennent aujourd'hui majeurs. Pour poursuivre cette sélection anthropogène, la compréhension fine de l'organisation génomique de B. napus est devenue indispensable.

Chalhoub B et al. (2014) Science 345, 950-3

Une histoire africaine du riz

Agnès Vernet — 2014-07-29T03:00:00Z

Des recherches génomiques démontrent que le riz africain provient d'une évolution indépendante mais convergente de son cousin asiatique.

Si Oryza sativa, le riz asiatique, est l'espèce de riz la plus cultivée dans le monde, O. glaberrima, sa cousine africaine, dispose de qualités agronomiques attractives : très résistante aux stress biotique et abiotique, elle s'acclimate aux sols acides, aux périodes de sécheresse et à la toxicité liée au fer ou à l'aluminium. Un groupe international de chercheurs, emmené par l'Institut de génomique d'Arizona, à Tucson, présente un premier séquençage de cette espèce secondaire et démontre ses spécificités évolutives.
Les scientifiques ont construit le génome de l'espèce africaine grâce au séquençage et à l'assemblage de chromosomes bactériens artificiels, dans lesquels des séquences génomiques ont été clonée. Ils proposent ainsi une séquence couvrant 99,6 % du génome de la plante et semblant contenir 33 134 gènes d'après les premières estimations. Séquence qui donne aussi de nouvelles indications sur l'origine de l'espèce africaine.
Domestiqué à partir du riz sauvage (O. barthii) il y a 3 000 ans, soit environ 7 000 ans après le riz asiatique, O. glaberrima provient d'une lignée évolutive complètement indépendante d'O. sativa. En comparant les séquences de 20 souches d'O. glaberrima à 94 variants de son ancêtre, les chercheurs ont pu localiser le lieu unique de sa domestication, le long du fleuve Niger.
Ces travaux mettent aussi en évidence une évolution convergente entre les deux principales espèces de riz pour plusieurs gènes impliqués dans la domestication, favorisant notamment une faible perte spontanée des grains (égrenage).
Alors que le riz est l'aliment de base d'environ 3 milliards d'individus, soit de près de la moitié de la population mondiale, les futures recherches permettant de comprendre les mécanismes de résistance à la sécheresse du riz africain deviendront certainement un enjeu crucial de sécurité alimentaire, dans un avenir soumis aux aléas climatiques.

Wang M. et al. (2014) Nat Genet, doi:10.1038/ng.3044

Le génome du blé à portée de main

Agnès Vernet — 2014-07-18T03:00:00Z

L'International Wheat Genome Sequencing Consortium (IWGSC) livre ses premières données et la séquence complète du chromosome 3B, un aperçu du génome de Triticum æstivum, le blé tendre.

C'est l'aboutissement de 10 ans de travail compilés dans quatre articles. Ces résultats constituent les prémices de l'établissement d'un génome de référence du blé tendre, l'objectif final de l'IWGSC, un consortium qui regroupe des instituts de recherche publics – comme l'Inra, le ministère indien des Sciences et des Technologies ou le Conseil pour la recherche en biotechnologie et en sciences biologiques du Royaume-Uni – et des acteurs privés – comme Bayer Crop Science, Limagrain, Syngenta et Monsanto. La céréale rejoindrait ainsi le riz et le maïs dans l'ère biotechnologique. Si le blé accède si tardivement à la génomique, c'est à cause du défi scientifique qu'il représente. Le volume considérable des informations génétiques et leurs nombreuses répétitions à travers les 21 chromosomes ne permettent pas d'utiliser l'approche désormais classique de séquençage par shot gun, les dimensions du génome de T. æstivum rendant irréalisable l'assemblage de séquences obtenues aléatoirement.
Les chercheurs du consortium ont donc décidé d'optimiser les premières approches de la génomique : le séquençage de petits fragments d'ADN clonés dans des chromosomes artificiels bactériens (BAC), une technique qui a permis de produire le premier génome humain complet. Elle passe aujourd'hui par l'utilisation de séquenceurs de nouvelle génération et par la lecture simultanée de plusieurs BAC. Pour valider la méthode, les scientifiques se sont attaqués au chromosome 3B, le plus grand de T. æstivum et le plus facile à isoler par cytométrie de flux (1).
Forte de son expérience sur ce chromosome, c'est l'unité de Génétique, diversité et écophysiologie des céréales de l'Inra, en cotutelle avec l'Université Blaise Pascal de Clermont-Ferrand, qui a dirigé ces travaux. Au Genoscope, à Évry, ses biologistes ont séquencé simultanément 8 452 chromosomes artificiels. Les séquences obtenues ont ensuite été assemblées grâce aux marques propres à chaque BAC, autre optimisation de la technique originale. L'ensemble révèle le détail de 774 mégabases contenant 5 326 gènes codant des protéines et 1 938 pseudogènes.
Le travail sur ce chromosome constitue un modèle pour l'obtention de la séquence de référence du génome complet de la céréale. Plutôt que de laisser chaque pays organiser sa part de labeur à sa manière, l'IWGSC veut initier un programme de recherche coordonné pour finaliser le génome à l'horizon 2017. Le coût total du projet serait estimé à 12 millions d'euros. Le consortium espère s'entendre avec la Wheat Initiative pour regrouper les différentes sources de financement possibles.
En attendant les données complètes, l'IWGSC présente une ébauche du génome de T. æstivum (2). Cette cartographie des 17 gigabases qui composent l'ADN de la céréale a permis d'identifier l'emplacement de 124 201 gènes le long des 21 chromosomes. Ce travail donne une vue globale de la dynamique du génome du blé tendre. Complexe, celui-ci est composé de trois sous-génomes – A, B et D – qui forment un génome hexaploïde – AABBDD. D'après cette ébauche de séquence, il n'existe pas de dominance transcriptionnelle entre les sous-génomes de T. æstivum.
Ces données permettent d'ores et déjà d'améliorer notre compréhension de la céréale. Les chercheurs du consortium ont ainsi conduit une analyse phylogénétique comparée sur les plus proches parents du blé tendre : T. monococcum, T. urartu, Ægilops sharonensis, Æ. speltoides et Æ. tauschii (3). Ils démontrent que les sous-génomes A et B ont divergé de l'ancêtre de T. æstivum il y a sept millions d'années. Ensemble, ils ont donné naissance au dernier élément du blé moderne, le sous-génome D, un ou deux millions d'années plus tard.
Ce monumental travail est complété par la publication d'un transcriptome du grain de blé tendre (4). Ces recherches identifient les mécanismes d'expression conjuguée de plusieurs gènes jouant sur la valeur nutritive de T. æstivum et sur le développement des endospermes. Un aperçu du potentiel économique des recherches sur cette céréale.

(1) Choulet F et al. (2014) Science, doi:10.1126/science.1249721
(2) IWGSC (2014) Science, doi:10.1126/science.1251788
(3) Marcussen T et al. (2014) Science, doi:10.1126/science.1250092
(4) Pfeifer M et al. (2014) Science, doi:10.1126/science.1250091

Un outil génétique pour une récolte optimale

Agnès Vernet — 2014-07-07T03:00:00Z

En modifiant la couleur des fruits de palmiers à huile, le gène VIR agit comme un indicateur de maturité.

Pour les cultivateurs de fruits de palmiers à huile, déterminer le moment d'initier la récolte doit parfois s'appuyer sur l'instinct. Le fruit existe sous deux formes naturelles : Negrescens, lorsque l'apex est de couleur noire/violette et assez constante, et Virescens, quand les fruits sont immatures et verts, devenant oranges lorsque leur maturité est optimale. Le second phénotype permet donc d'optimiser le moment de la récolte et d'améliorer les rendements en huile.
Des chercheurs de l'Office malaisien du palmier à huile ont réussi à identifier le gène responsable et l'ont nommé VIR. Les analyses phylogénétiques et de transcriptome montrent qu'il s'agit d'un facteur de transcription contrôlant la voie de biosynthèse des anthocyanes, des pigments responsables de la coloration rouge ou bleue de nombreux végétaux. La régulation de cette voie interagit aussi avec celle des flavonoïdes. Pour les agronomes du laboratoire malaisien, le changement de couleur de la peau des fruits reflète certainement la dégradation de la chlorophylle et l'accumulation des carotènes au fur et à mesure de la maturation.
Le phénotype Negrescens, qui pose le plus de problèmes à la récolte, est causé par des mutations du gène VIR. En sélectionnant préférentiellement des graines porteuses d'allèles fonctionnels de VIR au moment de la plantation, soit entre trois et six ans avant la formation des premiers fruits, il serait possible d'améliorer le rendement en huile des cultures, sans en étendre davantage la surface.

Singh R et al. (2014) Nat Commun 5, 4106

Super banane à la rescousse !

Agnès Vernet — 2014-06-18T03:00:00Z

Des chercheurs développent une banane enrichie en vitamine A destinées aux pays africains.

Les plantes génétiquement modifiées (PGM) ont parfois une vocation humanitaire. C'est le cas du riz doré, enrichi en β-carotène, développé en 2000 (1). Cette PGM aurait, selon ses créateurs, dû améliorer les conditions sanitaires des populations souffrant de carences en vitamine A. En pratique, elle n'est pas disponible et se trouve confrontée à de fortes oppositions, parmi lesquelles des interrogations sur son bénéfice réel puisque d'autres variétés naturelles de riz constitueraient une source plus avantageuse en vitamine A. Des nouvelles variétés améliorées seraient en développement.
Malgré ce précédent, des chercheurs de l'Université de technologie du Queensland, en Australie, ont repris le concept, sur une banane cette fois – aliment essentiel de nombreuses cuisines africaines (2). Pour ne pas se heurter aux mêmes écueils que le riz doré, l'objectif est clairement affiché : augmenter de 20 microgrammes par jour l'apport en vitamine A des populations concernées. Débuté en 2005, le projet est désormais soutenu à hauteur de 10 millions de dollars – environ 7,4 millions d'euros – par la Fondation Bill and Melinda Gates.
La construction moléculaire du fruit – enrichi en α- et β-carotènes, les précurseurs de la vitamine A – est déjà achevée et les premiers tests sur animaux sont concluants, d'après James Dale qui dirige le projet. Il débute actuellement le premier un essai clinique aux États-Unis dont les résultats devraient être communiqués d'ici un an. En parallèle, des essais en plein champ commenceront en Ouganda.
Les chercheurs visent une mise sur le marché de leur banane en Ouganda d'ici 2020 avant d'étendre leur variété à la République démocratique du Congo, au Rwanda, au Kenya et à la Tanzanie. En espérant que la couleur orangée de la chair de cette « super banane », comme les chercheurs la nomment, ne pose pas de problème aux consommateurs.

(1) Ye X et al. (2000) Science 287, 303-5
(2) Université de technologie du Queensland

L'eucalyptus accède à la génomique

Agnès Vernet — 2014-06-12T03:00:00Z

Les arbres aussi ont droit au séquençage de leur génome. L'eucalyptus dévoile ainsi sa collection de terpènes.

Si les génomes du maïs, du riz, du colza ou de la tomate – et même du kiwi ! – ont depuis longtemps été séquencés, les arbres domestiqués n'ont pas encore mobilisé la communauté scientifique. Grâce à un consortium international, emmené par l'Université de Pretoria, en Afrique du Sud, l'eucalyptus reçoit enfin les lauriers qu'il mérite, donnant, du même coup, accès à la phylogénie du clade des Rosidées, une sous-classe comprenant plus de 70 000 plantes à fleurs.
Les nombreuses espèces d'eucalyptus, souvent proches génétiquement et interfécondes, ont permis de développer une grande diversité de variétés hétérozygotes. Afin de démêler cette richesse génétique, les chercheurs ont donc analysé le génome d'un individu unique, surnommé « Brazuki », un Eucaplyptus grandis de 17 ans issu d'une première génération. Ces travaux représentent le séquençage et l'assemblage de plus de 640 mégabases.
Sur les 36 376 gènes supposés coder des protéines, plus de 34 % sont issus d'une duplication en tandem, c'est-à-dire de la duplication d'un exon au sein du même gène, ce qui facilite l'apparition de nouvelles fonctions protéiques. Selon les chercheurs, il s'agit du taux de duplication en tandem le plus élevé jamais observé dans le règne végétal. Sans surprise, Brazuki présente aussi un nombre très important de gènes impliqués dans le métabolisme des terpènes, de petits hydrocarbures prisés par l'industrie dont le plus connu est sans doute l'eucalyptol. Associé à une aptitude exceptionnelle à s'adapter à de nouvelles conditions environnementales – les eucalyptus sont cultivés partout dans le monde –, ce métabolisme des terpènes explique en grande partie l'intérêt que peut représenter ces arbres pour les industries forestière et des bioénergies. Ils sont d'ores et déjà cultivés pour fabriquer du papier, des biomatériaux, des huiles de terpènes, du bois d'œuvre, des biocarburants... Et ces données génomiques de référence ne manqueront pas de créer encore de nouvelles perspectives d'exploitation.

Myburg AA et al. (2014) Nature, doi:10.1038/nature13308

Le mildiou est plutôt d'origine mexicaine

Agnès Vernet — 2014-06-03T03:00:00Z

Un pathogène et son hôte peuvent avoir une histoire évolutive légèrement différente. Il semble que le mildiou soit dans ce cas.

Le mildiou est une maladie de la pomme de terre causée par Phytophthora infestans, un oomycète désormais répandu dans le monde entier. Si l'origine andine des pommes de terre est établie, l'histoire évolutive de son principal pathogène reste débattue. Certaines analyses penchent en faveur d'une apparition dans les Andes quand d'autres suggèrent plutôt une naissance au Mexique. Un groupe de chercheurs – affiliés à différentes structures telles que le James Hutton Institute en Écosse, le laboratoire de recherche sur les plantes horticoles du Département américain de l'agriculture et le Centre international de la pomme de terre de Pékin – apporte sa participation à la discussion. Ils ont réalisé des analyses phylogéographique sur les séquences de quatre gènes provenant de souches de P. infestans prélevées au quatre coins du monde et d'autres membres du genre Phytophthora – P. phaseoli, P. mirabilis, P. ipomeæ et P. andina – réputés comme des parents proches du pathogène responsable du mildiou. Leurs résultats suggèrent plutôt une provenance mexicaine de l'ancêtre des P. infestans actuels. Contrairement à l'idée simple qui veut qu'un pathogène spécifique et son hôte coévoluent depuis la même zone géographique, l'agent responsable du mildiou et la pomme de terre se seraient ainsi rencontrés un peu plus tard dans leur histoire respective, dans un espace et un temps qui reste à déterminer.
Identifier l'origine d'un pathogène est un élément crucial pour comprendre ses mécanismes évolutifs. Les chercheurs espèrent faciliter l'obtention de plantes dotées d'une résistance pérenne à la maladie. P. infestans est en effet une menace pour l'agriculture mondiale : responsable de la Grande famine de 1840, il coûte globalement plus de 6 milliards de dollars par an.

Goss EM et al. (2014) Proc Natl Acad Sci USA, doi:10.1073/pnas.1401884111

La marque du mildiou sur des feuilles de pomme de terre.
© avec l'aimable autorisation de David Cooke/The James Hutton Institute

Le champignon qui voulait la peau de la banane

Agnès Vernet — 2014-05-21T03:00:00Z

Un variant du champignon responsable de la fusariose de la banane a été identifié en Afrique. La maladie est désormais présente dans la plupart des zones de production.

Le champignon du sol Fusarium oxysporum sp. cubense (FOC) est responsable d'une fusariose de la bananeraie – ou maladie du Panama – altérant gravement les cultures. Le mycopathogène existe sous « cinq races ou formes spécialisées entraînant, chacune, sous certaines conditions – type de sol, climat, intensification de la culture, drainage – des dégâts vasculaires importants sur différents groupes variétaux de bananiers, les rendant pratiquement improductifs », expliquent les chercheurs du laboratoire Systèmes de culture bananiers plantains ananas du Cirad.
Les formes 1, 2, 3 et 4 ont été découvertes au cours du XX^e siècle, chacune ayant des spécificités en termes de variétés et de conditions environnementales de culture. Décrite en 1990, la forme T4 affecte les variétés du groupe Cavendish mais restait, jusqu'à présent, confinée aux zones tropicales humides asiatiques (Taïwan, Indonésie, Malaisie, Chine du sud, Australie et Philippines). Elle vient d'être identifiée au Mozambique et en Jordanie, ce qui traduit une extension de son territoire d'influence.
La principale cause de la dissémination du FOC est le mouvement de matériel végétal provenant de plantations sensibles et infectées. Comme pour de nombreux pathogènes du sol, les moyens de lutte sont limités et consistent essentiellement en une mise en quarantaine plus ou moins longue des foyers élargis. L'amélioration génétique conventionnelle des variétés reste une solution potentielle encore peu explorée par la recherche internationale.
Le respect des règles de mouvement du matériel végétal et la large adoption par l'agro-industrie bananière des plants conçus in vitro devraient, selon les chercheurs du Cirad, limiter les risques actuels. La dispersion de la race T4 n'en reste pas moins sous surveillance.

Source : Cirad

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