Une équipe de l'Université de Nebraska-Lincoln met au point une technique pour accélérer l'identification des gènes du maïs
Geitner Simmons, IANR Media*
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M. Vladimir Torres-Rodriguez prélève un échantillon d'une feuille de maïs dans une serre remplie de plants de maïs.
Photo : Lina Lopez, Schnable Lab
M. Vladimir Torres-Rodriguez, associé postdoctoral au sein du laboratoire Schnable, a développé et testé une méthode innovante d'analyse des gènes, axée sur l'ARN, qui améliore considérablement la capacité à identifier les gènes du maïs.
Le génome d'une plante de maïs contient près de 40.000 gènes, soit des milliers de plus que le génome humain. Mais 15 ans après la publication de la première ébauche du génome du maïs, le rôle que jouent 98 % de ces gènes dans la fabrication d'une plante de maïs ou dans la détermination de la réaction du maïs à différentes conditions de croissance reste inconnu.
Les méthodes conventionnelles visant à déterminer la fonction de chaque gène se sont révélées lentes et coûteuses, mais les scientifiques de Husker ont fait un grand pas en avant dans l'identification de la fonction des gènes du maïs. Les travaux ont été menés par M. Vladimir Torres-Rodriguez, associé postdoctoral travaillant avec M. James Schnable, professeur et spécialiste de la génétique du maïs au département d'agronomie et d'horticulture de l'Université de Nebraska-Lincoln.
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M. James Schnable
Leurs conclusions, récemment publiées dans The Plant Journal, pourraient permettre de créer plus rapidement des variétés de maïs plus résistantes et d'élargir l'accès des producteurs à des cultures améliorées en identifiant plus rapidement et plus précisément les fonctions des gènes individuels du maïs. M. Torres-Rodriguez est l'auteur principal de l'article intitulé « Population-level gene expression can repeatedly link genes to functions in maize » (l'expression génétique au niveau de la population peut relier de manière répétée les gènes à leurs fonctions dans le maïs).
La technique qu'il a mise au point et testée avec l'équipe de chercheurs du laboratoire Schnable spécialisés dans le maïs utilise l'ARN plutôt que l'ADN. Cette approche innovante a permis d'identifier environ 10 fois plus de gènes de maïs affectant la durée de floraison que les méthodes d'identification des gènes basées sur l'ADN couramment utilisées.
Une meilleure identification des fonctions des gènes pourrait réduire le coût de mise sur le marché des variétés de maïs génétiquement modifiées, ce qui se traduirait par une concurrence accrue et de meilleurs prix pour les agriculteurs, a déclaré M. Schnable, qui a contribué l'année dernière à l'achèvement historique de la cartographie du génome du maïs.
Seule une poignée de grandes entreprises de semences disposent des ressources nécessaires pour investir des centaines de millions de dollars dans le développement de nouveaux produits génétiquement modifiés. Mais des approches plus rapides et plus précises, comme celle démontrée par l'UNL, pourraient réduire les coûts et ouvrir le marché.
Pour rendre ce projet possible, l'équipe de Husker a mesuré les niveaux d'ARN de plus de 39.000 gènes du maïs dans chacune des quelque 700 variétés de maïs, en utilisant des plantes cultivées à la Havelock Farm de l'université à Lincoln. Les chercheurs ont combiné ces mesures d'ARN avec des mesures des plantes de maïs elles-mêmes, recueillies à Lincoln et par des collaborateurs de l'Université d'État du Michigan.
Pour que le projet fonctionne, il a fallu adopter de nouvelles approches, non seulement sur ordinateur, mais aussi sur le terrain, a déclaré M. Schnable, président du Nebraska Corn Checkoff. L'équipe devait prélever des échantillons de chaque plante de maïs en moins de deux heures et les congeler rapidement avant que les conditions environnementales ne puissent décomposer rapidement l'ARN qui était la clé de l'analyse de M. Torres-Rodriguez.
La réalisation de ces conditions a nécessité un équipement spécial conçu par M. Jonathan Turkus, un directeur de recherche qui travaille avec M. Schnable au Center for Plant Science Innovation de l'université. M. Turkus a fabriqué l'équipement à l'aide d'imprimantes 3D et d'autres outils du makerspace du Nebraska Innovation Campus.
Le résultat, selon M. Torres-Rodriguez, est que « l'UNL a produit le plus grand ensemble de données de mesures d'expression génétique du maïs au monde ».
« Vladimir a dû créer un pipeline logiciel pour analyser ces données », a déclaré M. Schnable à propos des innovations de M. Torres-Rodriguez. Ce travail a nécessité « la réaffectation d'autres outils, la recherche d'autres moyens de traiter les données et la mise au point de toutes les nouvelles étapes de contrôle de la qualité pour s'assurer que tout fonctionnait correctement. C'était une entreprise extraordinaire. »
M. Torres-Rodriguez poursuivra le projet par l'analyse génétique d'autres caractéristiques du maïs. L'objectif, selon M. Schnable, est de « s'assurer que, dans plusieurs décennies, lorsqu'un agriculteur du Nebraska conduira son tracteur, le maïs planté possède les caractéristiques génétiques nécessaires pour être performant et tolérer des conditions plus difficiles ». Grâce à des projets comme celui-ci, l'UNL se positionne comme l'institution de recherche vers laquelle les entreprises, qu'il s'agisse de géants ou de petites start-ups, peuvent se tourner pour obtenir des ensembles de données sur le maïs, de l'expertise ou un soutien sur le terrain.
Un premier exemple de collaboration avec le secteur privé a permis de lancer ce projet. M. Schnable travaillait avec M. Brad Zamft, un scientifique californien qui dirigeait une équipe chargée de mettre au point de nouveaux outils d'intelligence artificielle pour l'agriculture.
« Brad m'a demandé un ensemble de données plus important », explique M. Schnable. « À l'époque, nous utilisions le plus grand ensemble de données de ce type qui existait dans le secteur public. Il a réfléchi un moment, puis s'est demandé ce que cela coûterait de bien faire les choses. »
En fin de compte, les deux chercheurs ont travaillé ensemble pour obtenir une subvention de 650.000 dollars pour le projet dans le cadre du programme « Advanced Research Projects Agency-Energy » du Département Américain de l'Énergie.
« Il ne fait aucun doute dans mon esprit que l'Université du Nebraska est une puissance technologique agricole », a déclaré M. Zamft, responsable d'un projet de biologie végétale furtive à X, la division « moonshot factory » d'Alphabet qui explore un large éventail d'innovations scientifiques. « L'expertise dont nous avons fait l'expérience, les collaborations dans lesquelles nous nous sommes engagés, ont été délicieusement productives et je pense qu'elles pourraient avoir un impact réel sur le monde. Je ne suis pas sûr que notre équipe aurait pu aller aussi loin sans le soutien des chercheurs de l'université. »
Selon M. Schnable, l'UNL a une réelle opportunité à saisir.
« Nous voulons être, et nous sommes en train de le devenir, l'endroit où les gens de tout le pays viennent faire de la recherche de pointe sur le maïs », a-t-il déclaré.
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