Une percée qui améliore considérablement la capacité des chercheurs à créer des plantes et des champignons génétiquement modifiés

22 Décembre 2024 Publié dans #amélioration des plantes, #OGM, #NGT

Une percée qui améliore considérablement la capacité des chercheurs à créer des plantes et des champignons génétiquement modifiés

Andy Murdock, Innovative Genetics Institute, Université de Berkeley*

Carte simplifiée du vecteur binaire, ou plasmide, montrant l'ADN inséré qu'un chercheur a l'intention d'insérer dans l'organisme hôte, la région du squelette et l'origine de la réplication, qui est au centre de cette recherche.

La capacité d'ingénierie génétique des plantes est en grande partie due à un aide microscopique : une bactérie appelée Agrobacterium tumefaciens. Dans la nature, Agrobacterium provoque des tumeurs dommageables chez les plantes à fleurs, y compris certaines cultures importantes sur le plan économique, mais sa capacité à insérer son propre ADN dans les plantes hôtes est à la fois ce qui en fait une nuisance pour les agriculteurs et un outil puissant pour la biotechnologie.

De nouvelles recherches publiées aujourd'hui [4 novembre 2024] dans Nature Biotechnology par le laboratoire de M. Patrick Shih, chercheur à l'Innovative Genomics Institute (IGI) de l'Université de Berkeley et vice-président adjoint de la Division des Matières Premières et directeur de la Conception des Biosystèmes Végétaux au Joint BioEnergy Institute (JBEI), montrent que certaines modifications simples apportées à Agrobacterium peuvent améliorer considérablement l'efficacité de l'introduction d'ADN dans un génome, également appelée « transformation », et ouvrir de nouvelles possibilités de transformer d'autres plantes cultivées et des champignons.

Le processus de transformation médiée par Agrobacterium, ou AMT (Agrobacterim-mediated transformation), est devenu un outil de plus en plus utilisé en biotechnologie végétale et fongique au cours des dernières décennies.

« L'AMT, à un niveau très élevé, n'est qu'un outil permettant d'insérer de l'ADN dans des cellules cibles », explique M. Matthew Szarzanowicz, premier auteur de l'étude. « Dans la nature, c'est un pathogène végétal qui insère un petit morceau de son propre ADN dans la plante, provoquant une tumeur qui héberge la bactérie. »

Les chercheurs ont coopté et simplifié ce système dans les années 1980 pour permettre aux biologistes des plantes d'introduire de l'ADN dans les génomes des plantes. Le système bactérien, plus complexe, a été simplifié en un petit plasmide circulaire appelé « vecteur binaire » qui a été conçu pour contenir l'ADN intéressant et le transporter dans les cellules végétales.

Au cours des dernières décennies, les phytotechniciens qui pratiquent l'AMT n'ont pas beaucoup réfléchi à la structure du vecteur binaire lui-même : ils utilisent des vecteurs qui ont été utilisés par d'autres laboratoires dans le passé, y ajoutent leur ADN et espèrent que tout ira pour le mieux. La séquence du squelette du vecteur binaire a fait l'objet de relativement peu d'attention.

« Ce que nous voulions savoir, c'est s'il s'agit d'un système optimisé », explique M. Szarzanowicz. « Nous avions l'impression que la réponse était négative, car il n'y avait jamais eu de tentative d'ingénierie pour l'optimiser pour l'AMT. »

Les limites de la transformation des plantes

« L'un des problèmes est que la grande majorité des plantes ne peuvent pas être transformées par Agrobacterium, ce qui pose un problème de diversité », explique M. Shih. « Mais même pour celles que l'on peut transformer, le spectre de l'efficacité de la transformation peut être assez large. »

Pour la biotechnologie, l'efficacité est essentielle. La transformation d'une plante prend du temps, nécessite beaucoup de ressources et est coûteuse. Moins il y a d'échecs, plus la transformation à grande échelle est rapide et peu coûteuse.

Les chercheurs de l'IGI et du JBEI s'intéressent particulièrement au sorgho pour ses applications possibles dans la production de biocarburants avancés et de bioproduits, ainsi que pour l'élimination du carbone atmosphérique. Mais le sorgho ne coopère pas toujours.

« Nous pouvons le transformer à l'aide d'Agrobacterium, mais cela coûte beaucoup d'argent et de temps », explique M. Shih. « Si l'on pouvait augmenter et accélérer le processus de transformation de la plante et obtenir plus d'événements à partir d'un seul tir au but, cela permettrait d'économiser beaucoup de temps et d'argent. »

Plus de copies, plus de succès

La séquence du squelette du vecteur binaire contient une région connue sous le nom d'origine de réplication, qui est le point de départ de la réplication de l'ADN – essentielle pour qu'un plasmide puisse se reproduire. Cette région contrôle également le nombre de copies du plasmide produites, qui peut aller d'une seule copie à plusieurs centaines. Des publications antérieures suggéraient qu'un plus grand nombre de copies pouvait conduire à une transformation plus efficace. L'équipe a cherché à savoir si elle pouvait contrôler ce phénomène en créant des plasmides dont le nombre de copies était de plus en plus élevé.

Pour ce faire, l'équipe a examiné quatre origines de réplication différentes utilisées dans les AMT, a créé des mutants aléatoires et a utilisé un test d'évolution dirigée qui lui a permis de sélectionner les individus ayant un nombre de copies plus élevé.

« Nous sommes alors retourné en arrière et avons retrouvé toutes ces mutations, et nous avons montré que, pour un certain nombre d'entre elles, elles augmentaient effectivement le nombre de copies. Nous avons ensuite utilisé ces plasmides pour le vecteur binaire que la bactérie utilise pour introduire l'ADN dans le génome de la plante », explique M. Shih.

En augmentant le nombre de copies, l'équipe a confirmé qu'elle pouvait améliorer l'efficacité de la transformation, et les résultats ont été encore plus spectaculaires que prévu. Ils ont pu améliorer l'efficacité de la transformation des plantes jusqu'à 100 % et celle des champignons jusqu'à 400 %, tout cela en ajoutant de simples mutations ponctuelles à l'origine de réplication.

Outre l'amélioration de la capacité des scientifiques à insérer des gènes dans les plantes, cette découverte a également des implications significatives pour l'édition de gènes CRISPR dans les plantes.

« L'un des grands problèmes, non seulement pour les plantes, mais aussi pour d'autres choses que nous voulons modifier, est la livraison des réactifs CRISPR », explique M. Shih. « Vous introduisez CRISPR-Cas9, vous effectuez votre modification et vous vous en débarrassez, de sorte qu'il n'y a pas de transgénèse, mais il faut pouvoir l'introduire dans la cellule en premier lieu. La plupart du temps, nous le faisons avec Agrobacterium, et la question est donc de savoir comment nous pouvons acheminer plus efficacement le réactif Cas9 pour effectuer cette modification. »

MM. Shih et Szarzanowicz espèrent que ces travaux permettront d'affiner le contrôle de la transformation et d'éliminer un goulet d'étranglement important dans l'ingénierie des plantes et des champignons.

« Il est à espérer que les chercheurs en phytotechnie examineront ces travaux et se diront qu'il y a peut-être d'autres choses auxquelles nous devrions penser lorsque nous essayons d'optimiser ces systèmes et que nous pourrons peut-être utiliser cet ensemble d'outils pour commencer à bricoler chez d'autres espèces afin de voir ce qui fonctionne le mieux », déclare M. Szarzanowicz.

Jeunes plants d'Arabidopsis issus de la même expérience de transformation et exprimant un pigment rapporteur rouge, démontrant la variabilité des résultats de la transformation. L'amélioration de l'efficacité de la transformation et du contrôle des résultats peut grandement contribuer aux applications de la biotechnologie végétale dans le monde réel. (Photo : Matthew Szarzanowicz)

M. Shih s'intéresse à l'impact de cette approche sur les applications fongiques ainsi que sur les plantes.

« Agrobacterium n'a pas évolué pour transformer les champignons, mais cela peut arriver, et nous pouvons donc améliorer ce processus », explique M. Shih. « Nous disposons désormais de ce châssis pour tenter de mieux transformer de nombreux champignons non pertinents sur le plan industriel, mais qui présentent un grand intérêt pour différentes industries, qu'il s'agisse d'entreprises pharmaceutiques ou de sociétés qui fabriquent des biomatériaux à partir de champignons. »

Plus d'informations ici : Matthew J. Szarzanowicz, Lucas M. Waldburger, Michael Busche, Gina M. Geiselman, Liam D. Kirkpatrick, Alexander J. Kehl, Claudine Tahmin , Rita C. Kuo, Joshua McCauley, Hamreet Pannu, Ruoming Cui, Shuying Liu, Nathan J. Hillson, Jacob O. Brunkard, Jay D. Keasling, John M. Gladden, Mitchell G. Thompson, Patrick M. Shih. Binary vector copy number engineering improves Agrobacterium-mediated transformation (l'ingénierie du nombre de copies du vecteur binaire améliore la transformation par Agrobacterium). Nature Biotechnology. https://doi.org/10.1038/s41587-024-02462-2

Ce travail a été soutenu en partie par le DOE Joint BioEnergy Institute (https://www.jbei.org) soutenu par le Département Américain de l'Énergie, l'Office of Science, l'Office of Biological and Environmental Research, par le biais du contrat DE-AC02-05CH11231 entre le Lawrence Berkeley National Laboratory et le Département Américain de l'Énergie.

Contact pour les médias : Andy Murdock, andymurdock@berkeley.edu

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Andy Murdock est titulaire d'un doctorat en biologie intégrative de l'Université de Berkeley, où il s'est intéressé à la phylogénétique des plantes vertes et à l'évolution des génomes végétaux. Avant de rejoindre l'IGI en tant que directeur de la communication, Andy a géré la communication en matière de recherche pour le bureau du président de l'UC, édité des revues pour Informa Life Sciences et travaillé dans l'industrie du voyage en tant que rédacteur en chef pour Airbnb et rédacteur numérique pour Lonely Planet. Les écrits d'Andy ont été publiés dans Vox, BBC, Discovery, le Washington Post, le San Francisco Chronicle, et bien d'autres encore.