La transgénèse

Le travail récent sur la transgénèse s'est concentré sur l'utilisation des biotechnologies pour la production de nouvelles plantes tolérantes aux stress abiotiques et/ou possédant une valeur nutritionnelle améliorée. Cependant, la transgénèse reste à ce jour une voie expérimentale essentiellement destinée à analyser les fonctions des gènes.

1.1. La transgénèse : définition et méthodologies

La transgénèse correspond à l’obtention d’organismes génétiquement modifiés (OGM), c’est-à-dire qu’elle consiste à transférer vers une plante un gène dont la fonction ou les données d’expression font supposer qu’il est favorable pour le caractère étudié.

L’origine biologique des gènes utilisés peut être diverse. Les avancées biotechnologiques réalisées ces dernières années permettent maintenant d’introduire plusieurs gènes à la fois.

Ceci est important à noter dans le contexte de l’amélioration de la tolérance à la sécheresse puisque ce processus complexe repose sur des réponses impliquant de nombreux gènes.

Chez le maïs, différentes méthodes existent pour la production de plantes transgéniques, telles que l’électroporation de culture d’embryons immatures, la transformation de suspensions cellulaires ou de cals embryogéniques par biolistique (bombardement de microparticules) et le transfert de gène via Agrobactérium tumefaciens.

La transformation via A. tumefaciens, une bactérie gram-négative correspondant à un parasite génétique capable d’insérer une portion d’ADN dans le génome, et la biolistique demeurent les méthodes les plus largement utilisées (Naqvi et al., 2010). Pour permettre la sélection des maïs contenant le ou les transgènes d’intérêt, différents gènes sont introduits en supplément dans les constructions, tels que les gènes GFP et bar qui codent respectivement une protéine fluorescente et une protéine impliquée dans la résistance à des herbicides. De plus, la transgénèse permet de contrôler le stade de développement, le tissu et le niveau d’expression des gènes introduits pour une fonction optimale grâce à la région

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20 promotrice introduite en amont de la séquence codante. C'est une considération importante si on désire qu’un gène donné agit seulement à un stade spécifique, dans un organe spécifique, ou dans des conditions spécifiques de stress. La panoplie de promoteurs disponibles pour la transgénèse chez le maïs reste à ce jour encore relativement limitée.

A l’heure actuelle, les principales cultures transgéniques sont le soja, le maïs, le coton et le colza qui sont principalement modifiés pour des caractères agronomiques, tels que la tolérance à des herbicides (HT) et/ou la résistance à des insectes (Bacillus thuringiensis-Bt). Sur une base mondiale, les cultures transgéniques représentent 77 %, 26

% et 49 % des cultures totales de soja, de maïs et de coton, respectivement. Actuellement, 60 % de toute la récolte transgénique cultivée correspond à la tolérance à l’herbicide (HT).

Entre 2007 et 2008, le secteur du maïs transgénique cultivé aux USA a augmenté de 28 % à 48 % et cette tendance est probablement toujours en augmentation (Raymond Park et al., 2010).

1.2. La transgénèse comme outil de connaissance de la fonction des gènes

Suite au séquençage et à l’identification des séquences correspondant aux gènes dans un génome, il faut attribuer à chacun d’entre eux une fonction biologique, c'est-à-dire de déterminer à quoi sert la protéine qu’il code dans le fonctionnement de l’organisme. Ce travail repose, d’une part, sur les connaissances déjà acquises sur d’autres organismes puisque, de manière générale, certaines parties des séquences des gènes sont très conservées au travers des règnes, et d’autre part, sur l’étude de l’impact de l’absence ou de la sur-expression de ces gènes sur le fonctionnement des plantes.

Grâce à la transgénèse, il est possible d’inactiver ou de faire exprimer en quantité plus importante un certain nombre de gènes du génome d’une plante au sein de ses cellules, puis d’évaluer l’impact de ces modifications sur son comportement dans une condition de culture donnée, sur son métabolisme ou encore sur l’expression d’autres gènes impliqués dans le même processus cellulaire. Cette approche, appelée génomique fonctionnelle, est aujourd’hui utilisée à une grande échelle pour A. thaliana et le riz. Elle a permis de déterminer la fonction de nombreux gènes parmi les 30 000 environ que comportent les génomes de ces deux plantes. Elle est bien évidemment appliquée à la compréhension des mécanismes de tolérance à la sécheresse. C’est de cette façon que les facteurs de transcription DREB présentés précédemment (voir § 1.3.3.2) ont été caractérisés, leur absence et leur sur-expression entraînant respectivement une moins bonne et une meilleure tolérance des plantes à la sécheresse. C’est aussi le cas des gènes codant les aquaporines ou encore des gènes codant des enzymes impliquées dans la

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21 synthèse des osmoprotectants pour le maintien d’une pression cellulaire suffisante pour le bon fonctionnement des cellules.

L’intérêt de travailler sur des plantes modèles est d’avoir à disposition les outils génétiques et moléculaires les plus performants pour comprendre les mécanismes cellulaires et physiologiques à la base du fonctionnement des plantes. A plus long terme, les connaissances acquises peuvent être transférées à d’autres espèces végétales proches. A.

thaliana est par exemple un excellent modèle pour le colza alors que le riz constitue un modèle pour la plupart des autres céréales.

1.3. La transgénèse comme outil pour l’amélioration de la tolérance à la sécheresse Les premièrs transgènes utilisés correspondaient à « des gènes d'action simple », c'est-à-dire des gènes responsables de la modification d’un seul métabolite connu pour conférer une tolérance accrue à la sécheresse. Les gènes utilisés étaient ainsi impliqués dans la synthèse d’osmoprotectants, tels que la glycine bétaïne, la synthèse d’acides gras, les processus de détoxification, de transport de l’eau, la régulation de la transcription ou la transduction (pour revue voir Bhatnagar-Mathur et al., 2008). De nos jours, les transgènes utilisés codent le plus souvent des protéines régulatrices, telles que des facteurs de transcription.

De nombreux travaux sont actuellement en cours au sein des sociétés semencières pour l’amélioration de la tolérance à la sécheresse du maïs grâce à la transgénèse. La société Monsanto, en collaboration avec BASF, annonce ainsi depuis quelques années une mise sur le marché américain de la première variété de maïs transgénique présentant un meilleur comportement vis-à-vis du déficit hydrique. Cette commercialisation qui aura lieu très vraisemblablement en 2012 (Gaufichon et al., 2010), résulte de l’introduction de gènes issus des bactéries Escherichia coli ou Bacillus subtilis et codant une ARN chaperonne CSP (« cold shock protein ») facilitant l’assemblage des édifices protéiques complexes (Castiglioni et al., 2008). L’expression des gènes CspA (E. coli) ou CspB (B. subtilis) permet un maintien de la photosynthèse et donc de la croissance, au stade végétatif comme au stade reproducteur, lorsque les plantes sont soumises à un déficit hydrique. Les augmentations de rendements moyens sont compris entre 4,6% et 7,5% par rapport aux plantes contrôles. D’autres sociétés semencières, telles que les sociétés Pioneer, Syngenta et Limagrain mènent le même type de programme et avancent des échéances de cinq à sept ans.

Le maïs transgénique qui va être mis sur le marché par Monsanto et BASF aux Etats Unis ne contient qu’un seul transgène. Toutefois, les deux compagnies continuent

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22 activement l’identification et les tests d’autres gènes impliqués dans l’amélioration de la tolérance à la sécheresse et annoncent la publication prochaine d’un autre candidat moléculaire sérieux (Gaufichon et al., 2010) La prochaine génération de plantes transgéniques tolérantes au stress hydrique sera le résultat de programmes de recherche comme celui-ci visant à trouver la meilleure combinaison de gènes (de deux à cinq probablement) pour optimiser les rendements en conditions de déficit hydrique. On parle d’empilement de gènes (plusieurs transgènes pour introduire plusieurs caractères). Il a ainsi été récemment montré que des maïs transgéniques sur-exprimant les gènes betA (codant une choline deshydrogénase d’E. coli impliquée dans al synthèse de la glycine bétaïne) et TsVP (codant une V-H⁺-PPase de Thellungiella halophila) présentaient une teneur en eau relative (« relative water content », RCW) plus élevée, une croissance plus vigoureuse, une protandrie plus réduite et des rendements plus important en condition de déficit hydrique par comparaison aux lignées sauvages (Wei et al., 2010).