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- la reproduction à l’identique par multiplication végétative à partir de fragments de tissus, - l’accélération des générations grâce à la culture d’embryons immatures, - le sauvetage d’embryons interspécifiques produits lors de croisements entre espèces distantes, - la modification du nombre et de l’organisation des chromosomes (ploïdie), - la recombinaison entre génomes d’espèces différentes par croisement ou fusion de protoplastes (cellules auxquelles on a retiré leurs parois) - l’augmentation de la variabilité génétique en intervenant sur les organites du cytoplasme des cellules (mitochondries et chloroplastes), - la modification de l’information génétique au niveau de l’ADN par mutagénèse ou transgénèse, - la sélection génétique assistée par marqueurs grâce aux progrès de la génomique.
Les biotechnologies permettent d’augmenter la diversité génétique naturelle. Les 4000 variétés agricoles ainsi que les 2500 variétés potagères inscrites au catalogue français ont été créées en faisant souvent appel à ces technologies. 2. Les biotechnologies pour modifier les caractéristiques des plantes 21.La modification des niveaux de ploïdie* 211.Le doublement du nombre chromosomique 212.L'haplodiploïdisation 22. La recombinaison entre génomes 23. Les échanges d’organites cytoplasmiques 24. La modification de l’information génétique nucléaire 241. La mutagénèse 242. La transgénèse 25. La sélection assistée par marqueurs et la génomique 26. Les modifications ciblées des génomes
La reproduction à l'identique par multiplication végétative permet de reproduire immédiatement un génotype* sélectionné. Chez les espèces où cette technique est possible, elle simplifie beaucoup les méthodes de sélection et augmente leur efficacité ainsi que la rapidité de réponse du sélectionneur à la demande de l’utilisateur (agriculteur, consommateur, industriel). La maîtrise de la micropropagation*, par régénération d’une plante à partir de fragments de tissus, a permis d'augmenter le rendement de la multiplication végétative. De plus, elle permet de produire des plants de grande qualité sanitaire (par élimination des virus souvent présents chez les plantes traditionnellement multipliées par voie végétative) avec, éventuellement, une valeur ajoutée par prémunition, bactérisation* ou mycorhization*. La micropropagation est largement utilisée chez certaines espèces (exemple le fraisier). 12. L’accélération des générations Pour accélérer les générations, la culture d'embryons immatures est un moyen, utilisé dans l'amélioration de certaines plantes, comme chez le tournesol et le maïs, pour raccourcir la durée d’une génération. Ainsi chez ces espèces, trois générations par an deviennent possibles. Cela permet donc de raccourcir la durée de la création d’une variété. Les croisements entre espèces distantes (voir ci-dessous) sont souvent stériles, bien qu’il puisse y avoir formation d’un embryon, car celui-ci avorte très tôt ; dans ce cas, la culture in vitro d’embryons, récupérés peu de temps après la fécondation, permet d’éviter leur avortement. 2. Les biotechnologies pour modifier les caractéristiques des plantes Un grand nombre d’espèces végétales sont polyploïdes, c’est-à - dire qu’elles possèdent un nombre de chromosomes qui est un multiple supérieur à deux du nombre haploïde de base. C’est le cas par exemple de la pomme de terre, du poireau, de la luzerne, de la canne à sucre. La découverte de la colchicine en 1936 a ouvert la voie au doublement du nombre chromosomique d’espèces diploïdes. A la mitose*, cette substance empêche en effet la séparation des chromosomes* obtenus par duplication des chromosomes de la cellule mère. Il en résulte un doublement du nombre chromosomique. Cette technique est entrée dans la pratique courante de l'amélioration de certaines graminées fourragères (ray-grass) ou légumineuses fourragères (trèfle violet), de la betterave (avec la création d'hybrides triploïdes), de plantes florales.... Il apporte des caractères nouveaux : grande taille des organes, amélioration de la digestibilité des fourrages, pérennité.... La maîtrise du doublement chromosomique permet de restaurer la fertilité d’hybrides interspécifiques qui sont souvent stériles. Après hybridation interspécifique, elle permet donc la création d'espèces nouvelles (comme le Triticale) ou la resynthèse d'espèces allopolyploïdes (c’est-à -dire formées par la juxtaposition de deux génomes, comme le colza). Là encore c'est une source de nouvelle variabilité génétique. A partir de la dédifférenciation d’une cellule reproductrice (microspores ou ovules) elle consiste à induire le développement d’un embryon (haploïde), dont le nombre chromosomique sera doublé. Elle permet donc le passage direct de l'état hétérozygote* à l'état homozygote*. Réalisée à partir de microspores, on parle d’androgénèse et à partir d’ovules, on parle de gynogénèse. Elle peut aussi être obtenue in vivo par croisement interspécifiques (par exemple les fleurs de blé pollinisées par du pollen de maïs donnent des embryons haploïdes), ou par des génotypes inducteurs qui entraînent le développement d’embryons haploïdes (cas du maïs). Il suffit alors de doubler le nombre chromosomique des embryons haploïdes (soit in vitro, soit in vivo). C’est une technique qui entraîne un gain de temps dans l'obtention des lignées pures (100 % homozygotes). Cette technique, quand on peut l’utiliser, bouleverse complètement l'organisation de la sélection de nouvelles variétés. Pour accroître la variabilité génétique et introduire des gènes de résistance aux maladies le sélectionneur fait souvent appel aux croisements interspécifiques. Ceux-ci, sont souvent associés au sauvetage d’embryons, suivi ou non de doublement chromosomique pour restaurer la fertilité (voir ci-dessus). Après plusieurs cycles de sélection et de recroisements par l'espèce dite receveuse que l’on veut améliorer, on aboutit à une plante qui n’a gardé qu’un fragment de chromosome de la plante donneuse, fragment qui porte le gène à transférer. C’est ainsi que l’on a pu transférer la résistance au piétin verse d'Aegilops (une graminée sauvage) au blé, malgré la grande distance génétique entre ces deux especes. C’est un exemple de transgénèse avant la lettre. La réunion dans un même génome de deux génomes d’espèces différentes peut aussi être réalisée par fusion de protoplastes (cellules sans leur paroi cellulosique). La maîtrise de la fusion de protoplastes permet des échanges de mitochondries* et de chloroplastes* entre cellules, voire des recombinaisons entre génomes mitochondriaux : c'est une source de nouvelle variabilité génétique. Un exemple est donné par la mise au point de la stérilité mâle Ogura chez le colza. La stérilité mâle obtenue à partir de celle du radis était déficiente en chlorophylle, or elle était nécessaire pour produire des variétés hybrides ; il fallait donc corriger ce défaut. La stérilité mâle étant contrôlée par les mitochondries et la déficience chlorophyllienne par les chloroplastes, il a été possible par fusion de protoplastes de la lignée mâle stérile avec des protoplastes d’une lignée fertile, d’obtenir une lignée mâle stérile (avec les mitochondries entraînant la stérilité mâle) et non déficiente au niveau chlorophyllien (avec les chloroplastes de la lignée fertile). De tels échanges de mitochondries entre cellules de plantes se produisent parfois au niveau des contacts entre greffon et porte-greffe. Au sens large, la mutagénèse artificielle correspond à l’induction de nouveaux caractères par des modifications aléatoires au niveau du génome : translocation ou inversion de segments chromosomiques, micro-délétions*, changement dans la séquence des bases (A, T, G et C) au niveau de la molécule d’ADN. Au sens restreint elle est limitée à ces derniers types de modifications. Les micro-délétions d’ADN peuvent être obtenues par traitement au rayonnement gamma (Cobalt 60) et les substitutions de bases peuvent être obtenues par des agents chimiques, dits mutagènes, comme le MSE (méthyle sulfonate d’éthyle), appliqués au niveau des graines ou des cellules en culture (par exemple en présence d’un herbicide pour sélectionner la résistance à cet herbicide). Ce type de mutagénèse est de même nature que celle à la base de la variation à l’intérieur des espèces et qui résulte d’événements se produisant spontanément soit au niveau des chromosomes, soit au niveau de la chaîne d’ADN , sous l’action de facteurs extérieurs, mutagènes, comme les UV, le rayonnement cosmique et de nombreuses molécules produites par les plantes ou les champignons. On estime par exemple qu’entre un grain de blé semé et celui qu’il donnera à la génération suivante, une quinzaine de mutations se produisent spontanément dans son génome. Vous avez dit mutagénèse ? Vous avez dit OGM cachés ? Le séquençage à haut débit des génomes permet de faire des comparaisons, au nucléotide près, entre une plante et un de ses descendants, par reproduction sexuée. Il en ressort que le taux "spontané" de mutation (changement au niveau de l'ADN sans préjuger de son effet sur un gène) est de l'ordre de 1 sur 140 millions de nucléotides (Ossowski S. et al.2010.The rate and molecular spectrum of spontaneous mutations in Arabidopsis thaliana.Science.327, 92-94) La même comparaison cette fois entre une plante et un descendant après traitement mutagène (comme l'éthyl méthane sulfonate ou EMS, mutagène classique utilisé chez les plantes) fait ressortir de son côté une multiplication de ce taux par un facteur 500 environ (Greene E.A. et al.2003.spectrum of chemically induced mutations from a large-scale reverse-genetic screen in Arabidopsis. Genetics.164, 731-740) Les expériences de mutagénèse chez une espèce sont le plus souvent réalisées par les scientifiques sur quelques milliers d'individus dont on dérive par autofécondation autant de lignées de plantes. En supposant que les mutations ainsi induites soient toutes différentes d'une lignée à l'autre, on est donc en face d'environ un million de fois plus de mutations avec 2000 lignées issues de mutagénèse, effectif avec lequel le scientifique peut opérer la sélection de son choix, qu'avec une seule lignée reproduite sans mutagénèse. Sans mutagénèse, le scientifique devrait procéder à une sélection sur 500 fois plus de plantes, soit environ 1 million de lignées de plantes, ce qui échappe totalement auc capacités matérielles d'un laboratoire. Un million de plantes est, par exemple, un effectif minimum d'un hectare de blé, où un agriculteur récolte en moyenne de l'ordre de 80 quintaux, c'est-à -dire environ 150 millions de grains, donc de lignées potentielles. Par conséquent, tout agriculteur sème et produit chaque année, sur un seul hectare, beaucoup plus de mutants que n'importe quel laboratoire qui réalise des expériences de mutagénèse. Sans le savoir ! Cependant, la majorité de ces mutations ponctuelles peuvent être "silencieuses", c'est-à -dire sans effet sur les caractéristiques agronomiques. De plus, le scientifique qui sélectionne une mutation ne peut être certain qu'elle résulte de son traitement mutagène : elle peut aussi, avec une probabilité de 1 sur 500 être spontanée. Les mutants, à coup sûr, sont toujours cachés ! Incidemment, cela pose le problème de la stabilité d'une variété lignée chez les plantes autogames comme le blé. En effet, si l'agriculteur veut utiliser des "semences de ferme", c'est-à -dire mettre de côté une partie de sa récolte pour la ressemer, les faits présentés plus haut montrent que, dans les graines récoltées, il y a un risque d'apparition d'une forte hétérogénéité génétique qui s'ajoute à celle due au résidu de fécondation croisée qui existe chez les plantes autogames. L'agriculteur a donc intérêt à renouveler ses semences assez rapidement. Ce problème ne se pose pas de la même façon avec les variétés hybrides puisque l'agriculteur renouvelle ses semences chaque année. Cependant, à long terme, il peut y avoir un problème de maintien des caractéristiques des parents des hybrides. D’une façon générale, la transgénèse consiste à introduire un gène supplémentaire dans le génome d’un organisme vivant (bactérie, animal , plante, etc). Ce gène est identifié grâce aux outils de la génomique et cloné, ce qui permet ensuite de le modifier à volonté avant de le transférer dans le génome de la plante receveuse. Le transfert d’un gène d’une espèce à une autre est un phénomene qui s’est produit spontanément au cours de l’évolution des organismes et dont les génomes gardent trace. La séquence d’ADN transférée, ou transgène, est en général une construction qui comprend trois séquences : - un promoteur qui permet de contrôler l’expression du gène dans un organe ou un tissu à un moment donné. Il peut être constitutif, avec une expression permanente dans tous les organes, mais à des taux variables, ou inductible sous l’action d’un signal interne à la plante ou déclenché par un facteur extérieur, par exemple une piqûre d’insecte. Ce dernier type de promoteurs fait l’objet de recherches importantes. Ainsi une plante résistante aux insectes ne produirait la protéine ou tout autre molécule toxique pour les insectes que s’il y avait un début d’attaque de la plante par les insectes ; - la séquence codante du gène d’intérêt, assortie d’introns* intervenant dans son fonctionnement ; - une séquence de fin de lecture. Le transfert lui-même peut se faire selon deux procédés : - soit indirectement, par l’intermédiaire d’une bactérie, Agrobacterium tumefaciens. Cette bactérie, agent de la galle du collet chez les plantes, a la propriété remarquable de transférer naturellement à la plante une séquence de son ADN (dit ADN-T) pour lui faire produire des substances dont elle a besoin pour son développement. Le principe est alors de remplacer cet ADN-T par le gène à transférer : la bactérie insère alors ce gène dans le génome de la plante. Ce transfert se fait à partir de fragments de tissus de la plante cocultivés in vitro avec la bactérie. - soit directement, par projection à très grande vitesse (sur des cellules, des fragments de tissus, des méristèmes ou des embryons immatures, cultivés in vitro) de micro-billes de métal porteuses du gène à transférer. C’est la technique de biolistique, surtout utilisée chez les monocotylédones (céréales en particulier). Dans les deux cas il faut pouvoir repérer, parmi les plantes régénérées à partir du matériel végétal traité, les plantes transformées (porteuses du transgène). Pour cela on introduit simultanément un gène marqueur, dit marqueur de sélection. C’est parmi les plantes porteuses de ce marqueur que se trouvent avec une forte probabilité les plantes porteuses du transgène. Les marqueurs les plus classiquement utilisés sont les résistances à un antibiotique ou à un herbicide. Après action de ces substances lors de la culture in vitro, seules les cellules transformées se multiplient. On ne récupère donc que des plantes transformées. Dans les méthodes actuelles de transformation, le marqueur et le transgène n’étant pas liés, l’élimination du marqueur se fait par tri en descendance. Dans les méthodes actuelles de la transgénèse, le site d’insertion n’est pas maîtrisé. Des recherches en cours, déjà très avancées, permettront : - d’insérer le transgène à un locus* choisi à l'avance en utilisant le procédé de recombinaison homologue, - de modifier de façon ciblée un gène de la plante. La transgénèse est un outil puissant pour le sélectionneur, car elle donne accès à une variabilité nouvelle (résistance aux insectes, aux maladies, aux stress abiotiques, nouvelle composition chimique,…) Les approches de biologie synthétique sont maintenant utilisées pour construire des voies métaboliques dans une plante appropriée et lui faire produire des composés issus d’un processus complexe. Ces approches qui reposent sur la transgénèse et le « stacking » de gènes (c’est-à -dire « l’empilage » de plusieurs transgènes dans un même génotype) ouvrent des perspectives de développement en chimie verte et dans le domaine des médicaments. L’amélioration des plantes consiste pour l’essentiel à réunir les allèles des gènes les plus favorables dans un même génotype. Le séquençage des génomes de plantes permet de dresser une liste des gènes présents dans un génome et de les cartographier sur les chromosomes. Ce nombre est important (de l’ordre de 30000 gènes chez une plante diploïde). Les techniques d’identification de locus impliqués dans la variation des caractères quantitatifs (QTL) permettent d’identifier parmi les 30000 gènes ceux qui jouent un rôle important dans un caractère agronomique (ex : précocité, taille de la plante). La génomique permet d’analyser la variabilité génétique présente dans les ressources génétiques et d’identifier les allèles performants présents dans ces ressources. L’accès à ces informations aide le sélectionneur à faire un assemblage de ces allèles favorables dans une variété de façon plus rapide et avec une meilleure utilisation de la variabilité génétique qu’avec les méthodes conventionnelles : c’est la sélection assistée par marqueurs (SAM). La modification ciblée des génomes basée sur les techniques de recombinaison homologue permet de modifier à volonté la structure d’un gène sans affecter son environnement génomique. Méthode idéale, elle repose sur l’emploi de protéines qui reconnaissent spécifiquement une séquence nucléotidique dans le génome. Les protéines à doigts de zinc et les méganucléases reconnaissent spécifiquement une séquence de 14 nt et induisent une coupure de l’ADN au site reconnu, coupure suivie de réparation et de modification de la séquence reconnue. Si un ADN est introduit avec la nucléase et s’il présente une séquence homologue à la séquence reconnue par la nucléase dans le génome cible, cette séquence pourra s’insérer par recombinaison homologue. L’élaboration de ces deux types de protéines à activité nucléase pour les rendre spécifiques d’une séquence donnée est basée sur les mêmes concepts de mutagénèse et d’évolution dirigées que ceux développés pour optimiser les enzymes. Une fois optimisées, ces protéines à doigts de zinc et méganucléases pourront être employées pour modifier les séquences qu’elles reconnaissent et induire des mutations de perte de fonction ou permettre l’insertion d’une séquence par recombinaison homologue au site reconnu. Leur emploi est relativement lourd car il nécessite un long travail d’optimisation de la protéine employée pour reconnaître la séquence cible. Par ailleurs il existe généralement dans le génome d’une plante plusieurs cibles homologues d’une séquence 14nt. Ceci nécessite donc d’opérer un choix judicieux de la séquence pour assurer la spécificité nécessaire. Les champs d’application de cette technique en recherche agronomique sont essentiellement l’amélioration génétique des plantes cultivées et la chimie verte. Ces techniques peuvent être utilisées pour cibler l’insertion d’un gène, mais leur principal intérêt est de modifier directement la structure/fonction d’un gène présent dans le génome de la plante, par exemple en modifiant sa séquence. Deux sociétés de biotechnologie, Cellectis en France et Sangamo aux Etats-Unis développent cette technologie. * voir glossaire
Vrai ou faux
Question: Suicides à cause des OGM ?
Réponse: L’introduction du cotonnier Bt et le suicide des agriculteurs en Inde : Vérité ou rumeur ? Il a été montré que l’usage du cotonnier Bt n’est ni une condition nécessaire ni une condition suffisante pour le suicide des agriculteurs en Inde, qui est une réalité. Le problème des suicides existait avant l'utilisation d'OGM. C'est un problème de réforme agraire. Dans certaines régions, les paysans sont acculés à des paiements de fermage et des prêts usuriers qui mènent à la faillite. Lire l’interview de Guillaume Gruère chercheur associé à l’International Food Policy Research Institute n° 286, juillet-septembre 2009. L’article original : IFPRI Discussion Paper 00808, October 2008 Bt Cotton and Farmer Suicides in India. Reviewing the Evidence. Guillaume P. Gruère, Purvi MehtaÂBhatt, Debdatta Sengupta.
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