Auxines et Nutrition des Plantes

Cours de Biotechnologies Végétales

• Ce cours est destiné aux étudiants de L3 en Biotechnologie végétale et amélioration.
• Présenté par : Fatima Benmouaffeki
• Année universitaire : 2023/2024

Objectifs des Biotechnologies Végétales

• Ensemble de techniques qui utilisent la culture in vitro et la biologie moléculaire pour contourner les limites de la reproduction sexuée (culture in vitro).

Définition des Biotechnologies Végétales

• Ensemble de techniques qui mettent en jeu la culture in vitro et la biologie moléculaire pour contourner les limitations de la reproduction sexuée, aidant à la mise au point de nouvelles techniques en laboratoire.

Totipotence Cellulaire

• Propriété fondamentale des cellules végétales, la capacité de certaines cellules ou groupes de cellules prélevées sur un organe végétal à régénérer un individu complet.
• Énoncée par Haberlandt en 1902 et vérifiée par la découverte des hormones végétales.

Processus de Régénération

• Différenciation cellulaire: processus par lequel les cellules se spécialisent et acquièrent différentes fonctions.
• Dédifférenciation: processus par lequel les cellules spécialisées revêtent un état non spécialisé.
• Multiplication: processus de division cellulaire.

Objectifs des Biotechnologies Végétales (ouvertes)

• Créer de nouvelles variétés de plantes: adaptées aux besoins de l'agriculteur (techniques culturales, conditions climatiques, résistance aux maladies, meilleure efficacité racinaire, meilleur rendement), adaptés aux besoins du consommateur (homme, animal) et à des utilisations non-alimentaires (molécules thérapeutiques, production de matières renouvelables, piégeage de polluants).
• Produire des métabolites: composés spécialisés d'origine végétale avec des applications en pharmacologie, cosmétique, agroalimentaire et biocontrôle.

Limites et Avantages de la Reproduction Sexuelle vs. Biotechnologies

• Reproduction sexuée: Des difficultés à réaliser des croisements entre espèces et des risques d'introduction de caractères indésirables dans la nouvelle variété et des délais liés aux cycles de végétation et au nombre de générations nécessaires.
• Biotechnologies: possibilité de mieux exploiter la diversité, de faciliter les croisements interspécifiques, de connaître et maîtriser le génome, et de réduire la durée de création variétale.

Culture in Vitro

• Ensemble de techniques de multiplication végétative visant à régénérer une plante à partir d'explants, en milieu artificiel spécifique, pour différentes étapes de développement, des hormones, des sucres, des vitamines, des acides aminés, des sels minéraux qui peuvent être liquides ou gélosés.
• La culture in vitro permet la multiplication, à grande vitesse, d’organismes et tissus.
• Explants : organe prélevé (feuille, racine, morceau d'organe, bourgeon) tissu (méristèmes, épiderme), cellule protoplastes.

Applications de la Culture in Vitro

• Reproduire une plante à l’identique et la multiplier en grande quantité.
• Réduire le coût de production ou les mettre sur le marché dans les plus courts délais.
• Préserver des espèces rares et menacées, conserver la biodiversité.
• Élaborer de nouvelles variétés de plantes plus rapidement.
• Obtenir des plantes saines.

Facteurs influençant la Réactivité de la Culture in Vitro

• L'âge de la plante-mère
• La date du prélèvement de l'explant
• La localisation de l'explant sur la plante
• La taille et la nature de l'explant
• L'espèce végétale sur laquelle l'explant est prélevé.

Les 4 grandes étapes d'une culture in vitro:

• Stade 0: Conditionnement des plantes mères
• Stade 1: Initiation ou mise en place des cultures
• Stade 2: Multiplication
• Stade 3: Enracinement ou rhizogenèse
• Stade 4: Sevrage et acclimatation

Micropropagation

• Technique de multiplication végétative in vitro permettant la production de clones de plantes.
• Exploite la totipotence des cellules végétales.
• L'explant, tissu végétal fragmenté est mis en culture in vitro, où la plante peut être régénérée d'une façon asexuée.

Totipotence

• Aptitude des cellules végétales à exprimer la totalité de leurs potentialités pour régénérer un organisme entier.

Dédifférenciation-Redifferentiation

• Processus par lequel des cellules spécialisées perdent leur spécialisation, afin de régénérer un organisme entier.
• Processus par lequel une cellule se spécialise.

Culture de Fragments Nodaux

• Peut concerner des plantes avec une dominance apicale,
• Le milieu de culture est sans hormones ou avec une faible concentration de BAP (cytokinine)

Division de Touffe

• Pour les plantes sans dominance apicale.
• Il y a plusieurs phases de multiplication, et de développement, ainsi qu'une phase de division des pousses formées.

Multiplication des plantes

• Méthodes rapides de multiplication pour obtenir de grandes quantités de plantes.
• Utilisation d'un nombre de bourgeons axillaires.

Micropropagation à partir d'explants sans méristèmes

• Explants: fragments de tige, feuille, bourgeons axillaires sans méristèmes
• Multiplications: méthode a des avantages pratiques par l'obtention rapide de nombreux explants.
• Techniques: morphogenèse directe ou indirecte dans un cal.

Culture de protoplastes

• Technique permettant de séparer les cellules d'un tissu végétal de leur paroi cellulaire.
• Cultures de cellules (et aussi de tissus) sans paroi, donc sans obstacles pour réintégrer de l'ADN nouveau.

L'hybridation somatique

• Technique de fusion de protoplastes pour surmonter la difficulté de reproduction sexuée.
• Introduit des propriétés génétiques de deux parents dans une même plante, en l'enlevant dans une solution et puis en les fusionnant.

Création variétale par fusion de protoplastes

• Obtenir de nouvelles variétés de plantes.
• Fusionner des protoplastes.
• La régénération d'individus complets (et viables).

La fusion de protoplastes

• Protoplastes = cellules végétales sans paroi
• Deux méthodes: chimique et électrique
• Il est possible de provoquer des fusions entre des cellules de différentes espèces.

Le devenir des hétérocaryons

• La fusion entre deux cellules conduit à la formation d'un hétérocaryon.
• Hétérocaryon: il contient différents types de noyaux (noyaux parents).
• Ce cal est plus riche génétiquement que le zygote, et sa destinée dépend des cellules fusionnées. Il a tendance à perdre du contenu des chromosomes.

La micropropagation : A partir d'explants avec méristèmes

• Technique de multiplication, utilise les méristèmes caulinaires et racinaires pour la culture.

La culture de méristèmes

• Culture de tissus végétaux à partir des méristèmes (zones à croissance rapide).
• Utilisé pour éliminer les virus.

Les technologies de clonage

• La micropropagation
• La culture de méristèmes
• L’embryogenèse somatique

L'androgenèse

• Technique de régénération de plantes haploïdes à partir de cellules mâles (ex: microspores ou grains de pollen).
• Outil utile pour les programmes d'amélioration des plantes.

Technique de culture d'anthères

• Obtention de cultures d'anthères complètes.
• Culture d'anthères intacts sur un milieu solide, à partir d'explants ou d'un cal.

L'obtention d'haploïdes à partir des organes mâles

• Utilisation de la culture d'anthères ou de microspores pour obtenir des haploïdes.

Facteurs d'induction de l'androgenèse

• Facteur génotype: Certaines familles et espèces sont plus prédisposées à l'androgenèse que d'autres.
• Facteur physiologique: L'environnement de la plante donneuse (températures, hygrométrie, stade de microsporogenèse), et Prétraitment (températures basses), ainsi que, le type de dimorphisme pollinique.

Gynogenèse

• Technique permettant la production de plantes haploïdes à partir d’ovules non fécondés..
• Réduction du risque d'obtention de plants albinos (par rapport à l'androgenèse).

Haplodiploïdisation par croisements interspécifiques et intergénériques

• Utilisation des croisements interspécifiques ou intergénériques pour créer des hybrides et obtenir des haploïdes.

Sauvetage d'embryons interspécifiques

• Technique de prélèvement d'embryons immatures lors de croisements interspécifiques pour les mettre en culture in vitro.

Création de variabilité (Mutagénèse)

• Technique pour induire des mutations.
• Méthodes: radiations ionisantes, mutagenèse chimique.

Variation somaclonale

• Variation génétique qui se produit lors de la culture in vitro..
• Types: variation génétique (héritable) ou variation épigénétique (non héritable).

Source des variations somaclonales

• Variations préexistantes: liées aux variations préexistantes dans les cellules de l'explant.
• Nouvelles modifications génétiques: liées à la division cellulaire anarchique, sous l'effet de régulateurs de croissance.

Avantages de la variation somaclonale

• Source de diversité génétique.
• Peu coûteuse.
• Découverte de nouveaux variants.
• Résistance à certains stress

Inconvénients de la variation somaclonale

• Absence de contrôle sur la quantité et l'importance des mutations.
• Instabilité des caractères obtenus.
• Variation somaclonale
• Difficulté dans le suivi des cultures in-vitro.

Mutagénèse ciblée (édition du génome)

• Technique permettant de modifier précisément le génome d'une plante.
• Exemple: CRISPR/Cas9.

La transgénèse

• Transfert de gènes d'une espèce à une autre.
• Méthodes: Agrobacterium, Biolistique, Electroporation

Les conditions du succès de la transgenèse végétale:

• Pénétration l'ADN étranger dans le noyau cellulaire.
• Intégration dans le génome de l’hôte.
• Expression du gène d’intérêt.
• Sélection et régénération de plantes transformées.
• Résistance à un antibiotique.

Les différentes stratégies de la transgénèse

• Introduire un nouveau caractère: transfert de gènes.
• Inactiver un caractère: utiliser le gène cible.

Les étapes de la transgénèse:

• Identifier un gène d’intérêt.
• Isoler le gène ciblé.
• Intégrer le gène dans la plante.
• Sélectionner les cellules transformées.
• Régénérer les plantes.
• Évaluer l’expression du gène.
• Incorporer des croisements.

L'utilisation d'Agrobacterium

• Bactérie utilisée pour le transfert de gènes chez les plantes.
• Mécanismes: Transfert naturel de l’ADN-T, transfert de la construction génétique.

Le transfert direct

• Technique qui ne fait pas intervenir les gènes qui proviennent de la bactérie Agrobacterium.
• Méthodes: biolistique, électroporation

Législation sur les nouvelles méthodes de sélection

• Les nouvelles méthodes de sélection sont prises en compte dans les directives OGM de l'UE.
• Certaines techniques spécifiques comme la mutagenèse sont exemptées de la directive OGM.

Les variations somaclonales

• Variations génétiques (héritables) et épigénétiques (non héritables) observées lors d'une culture in vitro.
• Facteurs influençants : milieu de culture, nombre de cycles in vitro, etc