Des chercheurs de Stanford ont conçu des circuits génétiques synthétiques qui pourraient aider les plantes à s'adapter aux pressions exercées par le changement climatique

Des chercheurs de Stanford ont conçu des circuits génétiques synthétiques qui pourraient aider les plantes à s'adapter aux pressions exercées par le changement climatique

Laura Castañón, Stanford News*

L'activité des circuits génétiques synthétiques qui traitent la présence ou l'absence de signaux spécifiques dans les feuilles des plantes a été mesurée à haut débit en plaçant des rondelles de feuilles dans des plaques à 96 puits. Lorsque les bonnes combinaisons d'entrées sont délivrées aux feuilles, elles deviennent vertes et la fluorescence peut être mesurée à l'aide d'un lecteur de plaques. (Crédit photo : Jennifer Brophy)

En utilisant des gènes synthétiques, des chercheurs de Stanford ont pu modifier la structure des racines des plantes. Leurs travaux pourraient rendre les cultures plus efficaces dans la collecte des nutriments et de l'eau, et plus résistantes aux pressions croissantes du changement climatique.

De plus en plus, la production alimentaire mondiale est menacée par les effets du changement climatique. Alors que les inondations, les sécheresses et les vagues de chaleur extrêmes deviennent plus fréquentes, les cultures doivent pouvoir s'adapter plus rapidement que jamais.

Des chercheurs de l'université de Stanford travaillent sur les moyens de manipuler les processus biologiques des plantes afin de les aider à se développer de manière plus efficace dans diverses conditions. Jennifer Brophy, professeur adjoint de bio-ingénierie, et ses collègues ont conçu une série de circuits génétiques synthétiques qui leur permettent de contrôler les décisions prises par différents types de cellules végétales. Dans un article publié récemment dans Science, ils ont utilisé ces outils pour faire pousser des plantes dont la structure des racines a été modifiée. Leurs travaux constituent la première étape de la conception de cultures mieux à même de capter l'eau et les nutriments du sol et fournit un cadre pour concevoir, tester et améliorer les circuits génétiques synthétiques pour d'autres applications dans les plantes.

« Nos circuits génétiques synthétiques vont nous permettre de construire des systèmes racinaires très spécifiques ou des structures foliaires très spécifiques afin de déterminer ce qui est optimal pour les conditions environnementales difficiles que nous savons à venir », a déclaré Brophy. « Nous rendons l'ingénierie des plantes beaucoup plus précise. »

Un code de programmation pour les plantes

Les variétés de plantes génétiquement modifiées actuelles utilisent des systèmes relativement simples et imprécis qui amènent toutes leurs cellules à exprimer les gènes nécessaires pour, par exemple, résister à des herbicides ou des parasites. Pour parvenir à un contrôle fin du comportement des plantes, Brophy et ses collègues ont construit un ADN synthétique qui fonctionne essentiellement comme un code informatique avec des portes logiques guidant le processus de décision. Dans ce cas, ils ont utilisé ces portes logiques pour spécifier quels types de cellules exprimaient certains gènes, ce qui leur a permis d'ajuster le nombre de ramifications du système racinaire sans modifier le reste de la plante.

Les circuits génétiques synthétiques conçus pour recâbler l'expression des gènes dans les racines des plantes pourraient être utilisés pour modifier leur mode de croissance. (Crédit photo : Jennifer Brophy)

La profondeur et la forme du système racinaire d'une plante influent sur son efficacité à extraire différentes ressources du sol. Un système racinaire peu profond avec de nombreuses ramifications, par exemple, est plus efficace pour absorber le phosphore (qui reste près de la surface), tandis qu'un système racinaire plus profond qui se ramifie à la base est plus efficace pour collecter l'eau et l'azote. Grâce à ces circuits génétiques synthétiques, les chercheurs pourraient cultiver et tester différents modèles de racines afin de créer les cultures les plus efficaces dans différentes circonstances. Ou, à l'avenir, ils pourraient donner aux plantes la capacité de s'optimiser elles-mêmes.

« Nous avons des variétés modernes de plantes qui ont perdu leur capacité à réagir à la présence de nutriments dans le sol », a déclaré José Dinneny, professeur associé de biologie à l'École des Sciences Humaines et des Sciences et l'un des principaux auteurs de l'article. « Le même type de portes logiques qui contrôlent la ramification des racines pourrait être utilisé, par exemple, pour créer un circuit qui tienne compte des concentrations d'azote et de phosphore dans le sol, puis génère une sortie optimale pour ces conditions. »

Des organismes modèles aux cultures modernes

Brophy a conçu plus de 1.000 circuits potentiels pour pouvoir manipuler l'expression des gènes dans les plantes. Elle les a testés dans les feuilles de plants de tabac, pour voir si elle pouvait faire en sorte que les cellules des feuilles créent une protéine phosphorescente que l'on trouve chez les méduses. Elle a trouvé 188 modèles qui ont fonctionné, et les chercheurs les ont téléchargés dans une base de données d'ADN synthétique pour que d'autres scientifiques puissent les utiliser dans leurs travaux.

Exemples de circuits génétiques synthétiques traitant la présence ou l'absence de signaux spécifiques dans les feuilles des plantes. Lorsque les feuilles reçoivent les bonnes combinaisons d'entrées, elles deviennent vertes. (Crédit photo : Jennifer Brophy)

Une fois qu'ils ont obtenu des modèles fonctionnels, les chercheurs ont utilisé l'un des circuits pour créer des portes logiques qui modifieraient l'expression d'un gène de développement spécifique dans un type précisément défini de cellule racinaire d'Arabidopsis thaliana, une petite plante adventice souvent utilisée comme organisme modèle. En changeant le niveau d'expression de ce seul gène, ils ont pu modifier la densité des ramifications dans le système racinaire.

Maintenant qu'ils ont démontré qu'ils pouvaient modifier la structure de croissance d'un organisme modèle, les chercheurs ont l'intention d'appliquer ces mêmes outils aux cultures commerciales. Ils étudient la possibilité d'utiliser leurs circuits génétiques pour manipuler la structure des racines du sorgho, une plante qui peut être transformée en biocarburant, afin de l'aider à absorber l'eau et à effectuer la photosynthèse plus efficacement.

« Le changement climatique modifie les conditions agricoles dans lesquelles nous cultivons les plantes dont nous dépendons pour la nourriture, les carburants, les fibres et les matières premières pour les médicaments », a déclaré Brophy. « Si nous ne sommes pas capables de produire ces plantes à grande échelle, nous allons être confrontés à de nombreux problèmes. Ce travail vise à garantir que nous disposerons de variétés de plantes que nous pourrons cultiver, même si les conditions environnementales dans lesquelles nous les cultivons deviennent moins favorables. »

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Les autres co-auteurs de cette recherche à Stanford sont les techniciens de recherche Katie J. Magallon et Kiril Kniazev, l'associée de recherche Lina Duan, le chercheur postdoctoral Prashanth Ramachandran et l'étudiante diplômée Vivian Zhong. M. Dinneny est également membre de Stanford Bio-X.

Ces travaux ont été financés par le Département de l'Énergie des États-Unis, le Burroughs Wellcome Fund, le Chan Zuckerberg Biohub et le programme HHMI-Simons Faculty Scholars.

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Contacts médias : Taylor Kubota, Stanford News Service : (650) 724-7707 ; tkubota@stanford.edu

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*Source : Synthetic genetic circuits could help plants adapt to climate change | Stanford News