Des cultures plus productives et plus tolérantes au stress grâce à l’édition multiplex de gènes
De nombreux gènes régissent les caractéristiques qui déterminent le rendement des cultures et la tolérance aux conditions défavorables, et l’identification des cultures présentant ces caractéristiques souhaitables implique généralement le criblage de vastes populations de plantes croisées. Alors que des décennies de biologie moléculaire végétale ont permis d’identifier de nombreux mécanismes de rendement et de tolérance au stress, les possibilités de mise en œuvre restent limitées. «Bien que la sélection se soit améliorée grâce aux marqueurs génétiques et à la mutagénèse aléatoire(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), elle reste très gourmande en temps et en ressources», explique Dirk Inzé(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), coordinateur du projet BREEDIT, financé par le Conseil européen de la recherche(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre). Selon Dirk Inzé, de l’Institut flamand de biotechnologie, hôte du projet, l’une des principales raisons est qu’«il est pratiquement impossible de prédire quelle combinaison de gènes à faible effet doit être modifiée pour obtenir le résultat souhaité». Cette difficulté est aggravée par le volume même des données nécessaires pour représenter le plus grand nombre possible de combinaisons de gènes à partir d’une vaste collection. À partir de 60 gènes liés au rendement, BREEDIT a combiné des techniques conventionnelles de sélection et d’édition de gènes pour identifier les combinaisons qui aboutissent aux phénotypes de rendement ou de tolérance au stress souhaités. «Bien que nous ayons obtenu une preuve de concept pour le maïs, l’approche BREEDIT est applicable à de nombreuses cultures», ajoute Dirk Inzé.
Révolutionner l’approche de la «génétique inversée»
La nouveauté de BREEDIT a consisté à partir d’une large sélection de gènes candidats impliqués dans un caractère de culture donné et à développer une approche destinée à tester autant de combinaisons de gènes d’ordre supérieur que possible pour améliorer ce caractère. Les mutations ont été créées en appliquant l’édition de gènes CRISPR/Cas9(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre). Des constructions «SCRIPT», qui indiquent au gène EDITOR où effectuer la modification, ont été appliquées à 12 gènes différents d’une plante de maïs. Le croisement de ces plantes avec des plantes contenant d’autres constructions SCRIPT (contenant donc différents gènes mutés) a généré d’autres combinaisons de mutations. Au total, cinq SCRIPT différents ont été utilisés, représentant 60 gènes liés à la croissance. «Cette approche a permis d’éliminer davantage de membres des réseaux de régulation génétique que les expériences ne ciblant que quelques gènes, ce qui a donné lieu à de nouvelles combinaisons de gènes influençant davantage les caractéristiques des plantes», explique Dirk Inzé. Les phénotypes des plantes contenant ces éditions multiplex de gènes (mutations multiples) ont ensuite été contrôlés à différents stades de développement. Le maïs au stade du semis a fait l’objet d’un criblage phénotypique pour les caractéristiques de croissance intéressantes, afin d’obtenir un ensemble de données de plus de 6 000 semis. Ces données ont été analysées à l’aide d’outils avancés d’apprentissage automatique. Les populations prometteuses ont été testées à maturité par une plateforme de phénotypage automatisée, PHENOVISION(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), recourant à l’imagerie visuelle et hyperspectrale tout au long du cycle de vie des plantes. «On a trouvé des plants de maïs capables de produire plus de biomasse dans des conditions d’eau et de sécheresse. En outre, nous avons identifié l’édition de gènes qui a permis de modifier l’architecture de la plante, la largeur de la tige et d’améliorer le rendement des semences», explique Dirk Inzé.
Les plans de commercialisation étendront les caractéristiques et les cultures ciblées
L’Europe étant confrontée aux effets négatifs du changement climatique sur la production alimentaire, le besoin de nouvelles cultures adaptées au climat se fait de plus en plus pressant. L’approche de BREEDIT pourrait contribuer à accélérer la création de telles cultures, tout en favorisant une agriculture plus durable. À cette fin, l’équipe évaluera ensuite certaines des combinaisons d’édition les plus prometteuses du projet en vue d’un développement ultérieur. Entre-temps, l’approche de BREEDIT a déjà attiré l’attention de ses collaborateurs commerciaux, ce qui a donné lieu à la création d’une entreprise dérivée RAINBOW CROPS(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), qui étendra le concept à de nouvelles caractéristiques et à de nouvelles cultures. «Le succès de l’édition de gènes de BREEDIT s’est limité aux serres, il doit maintenant être reproduit dans les champs. En outre, alors que BREEDIT s’est concentré sur la désactivation des gènes, nous pouvons également expérimenter l’activation des gènes au fur et à mesure que les connaissances sur leurs fonctions augmentent», note Dirk Inzé.
