Amélioration Génétique des Plantes PDF

haleine, il faut compter plusieurs années, voire une décennie, selon les espèces, pour créer une nouvelle variété et la mettre sur le marché. Les techniques d'haplodiploïdisation et de culture d'embryons immatures permettent de raccourcir la durée des cycles de sélection, en diminuant le temps néces...

haleine, il faut compter plusieurs années, voire une décennie, selon les espèces, pour créer une nouvelle variété et la mettre sur le marché. Les techniques d'haplodiploïdisation et de culture d'embryons immatures permettent de raccourcir la durée des cycles de sélection, en diminuant le temps nécessaire à la fixation et à la multiplication des génotypes intéressants. III.5 Méthodes modernes d’amélioration génétique III.5.1 Hybridation somatique III.5.1.1 Obtention des protoplastes La présence de la paroi pectocellulosique des cellules est une des barrières aux échanges d'information génétique. On peut séparer les cellules d'un tissu végétal grâce à l'action d'enzymes qui dégradent la cellulose et les matières pectiques de la paroi. Des agents stabilisants sont ajoutés au milieu pour empêcher l'éclatement de la cellule. On obtient ainsi des cellules « déshabillées », qui deviennent sphériques : les protoplastes. Ces derniers peuvent être obtenus à partir de n'importe quel tissu végétal, mais ce sont généralement les parenchymes des jeunes feuilles qui sont utilisés pour leur préparation. III.5.1.2 Fusion des protoplastes et hybridation somatique Pendant la reproduction sexuée, les informations génétiques contenues dans le cytoplasme sont transmises par la mère. En revanche, la fusion de protoplastes conduit à une hybridation des noyaux, mais aussi à celle des cytoplasmes. On parle d'hybridation somatique (car issue de cellules non reproductrices de la plante). Cette méthode est très Amélioration génétique des plantes FOTSO Moïse 31 intéressante pour le transfert et l'amélioration de caractères à hérédité cytoplasmique, comme la stérilité mâle. L’hybride somatique ainsi formé subit un traitement afin d’induire la division des cellules. Elle aboutit à la formation de cals. Ensuite, la différenciation des tissus est provoquée pour reformer une plante entière. Lors de l’hybridation somatique ou fusion entre protoplastes, tous les échanges sont possibles entre les deux unités. On peut ainsi obtenir des degrés de fusion très variables. Il peut arriver qu’on obtienne à la fois une fusion des noyaux et des cytoplasmes. Ce cas est très utilisé pour transférer les gènes nucléaires. On peut aussi obtenir seulement une fusion unique des cytoplasmes qui donnent des cybrides possédant un cytoplasme composite ou recombiné. III.5.1.3 Quelques applications de l’hybridation somatique La production de la Pomate. A la recherche des tomates cultivables à basse température, Melchers et al. en 1978 réalisa des hybrides entre la tomate et la pomme de terre par fusion des protoplastes. La nouvelle espèce obtenue appelée pomate, stérile, est issue de cette fusion. L’allemand Lewen Dorr réussira en 1994 à produire une pomate viable et produisant des fruits. Pommes de terre plus résistantes aux virus et mildiou. La pomme de terre cultivée, Solanum tuberosum, est une espèce chez laquelle l'introduction de caractères par fusion de Amélioration génétique des plantes FOTSO Moïse 32 protoplastes est facilement réalisable. Ainsi, on a pu introduire par hybridation somatique des gènes de résistance aux virus, au mildiou, à partir des espèces sauvages d'Amérique du Sud, notamment Solanum brevidens. III.5.2 Sélection assistée par les marqueurs Les marqueurs moléculaires peuvent être utilisés pour un segment particulier d’ADN relié à un caractère intéressant. Les caractères peuvent être déterminés par un ou plusieurs gènes. L’objectif de la sélection à l’aide de marqueurs d’ADN est d’accélérer la sélection et de pouvoir sélectionner directement les caractères recherchés. En effet, les rétrocroisements sont utilisés pour réaliser l'introgression d'un gène dans une variété élite. Cependant, pour obtenir une ligné convertie à 97 %, il faut un minimum de 7 back-cross (rétrocroisements). Or, avec l'aide des marqueurs moléculaires, quatre rétrocroisements suffisent pour arriver au même résultat car on peut à chaque génération choisir les plantes ayant recombiné le plus petit segment chromosomique. Cette technique consiste à rendre visible une variation de la séquence de l’ADN autour d’un ou plusieurs gènes qui déterminent un caractère recherché. Après isolement de l’ADN, celui-ci est traité par des enzymes de restriction et par des «étiquettes» radioactives ou fluorescentes. Ces enzymes sont naturellement présentes dans certaines bactéries. Elles sont actuellement le plus souvent produites par génie génétique sous forme d’enzymes recombinantes, bien qu’on puisse les extraire aussi des bactéries. Après traitement de l’ADN, on recherche sur l’échantillon en bande des différents fragments d’ADN les bandes qui sont reliées au caractère souhaité de la plante. Cette méthode n’est pas utilisée pour pratiquer une transgénèse, mais elle permet d’analyser l’ADN de chaque descendant pour effectuer une présélection sur la présence d’un caractère connu. Amélioration génétique des plantes FOTSO Moïse 33  III.5.3 Sélection par haplodiploïdisation L'haplodiploïdisation est une méthode utilisée en amélioration génétique pour obtenir des plantes diploïdes (2n) à partir des plantes haploïdes (n). Ainsi, au lieu de partir de cellules somatiques (2n), on peut partir d’une cellule sexuelle (n) pour régénérer une plante. Lorsque le développement de la nouvelle plante se fait à partir des gamètes mâles (pollen), on parle d'androgénése et lorsqu’il se fait à partir des gamètes femelles (ovule), on parle de gynogenèse. Par exemple, des anthères ou des grains de pollen immatures sont cultivés in vitro pour forcer les grains de pollen à développer des structures pluricellulaires et en particulier des embryons avec un seul jeu de chromosomes (plantes haploïdes). Lorsque de telles plantes ou embryons haploïdes sont traités avec des produits provoquant un doublement des chromosomes, par exemple de la colchicine, ils retrouvent leur nombre normal de chromosomes (diploïdes) et donc leur fertilité. Les plantes ainsi obtenues forment des lignées pures (homozygotes, autofécondées, consanguines). C'est donc une technique rapide de production de lignées pures en une seule étape au lieu de 7 à 8 générations comme dans la sélection classique. Cette méthode permet d'observer l'expression aussi bien des gènes récessifs que des gènes dominants. Ceci est particulièrement intéressant en sélection. Amélioration génétique des plantes FOTSO Moïse 34  III.5.4 Culture des embryons immatures La technique de culture d'embryons immatures permet d'éviter l’avortement de l’embryon mais également de contourner la phase de maturation ou de dormance de la graine. En effet, par cette technique, les embryons sont prélevés quelques jours après la fécondation et non à maturité de la graine et cela permet ainsi de réaliser plusieurs générations par an. Selon les espèces, les embryons sont prélevés plus ou moins tôt après la fécondation. Les embryons sont ensuite mis en culture sur un milieu synthétique pour régénérer une plante entière. Cette technique permet donc un gain de temps, par réduction de la durée entre deux générations. On peut cultiver plusieurs générations par an et accélérer les procédures classiques de sélection : la fixation et la conversion de lignées, car plusieurs cycles d'autofécondations ou de rétrocroisements successifs peuvent être réalisés chaque année. Application au tournesol La technique de culture d'embryons immatures est très pratiquée chez le tournesol où les phénomènes de dormance des graines sont particulièrement forts. Elle est particulièrement facile à mettre en œuvre, et permet d'obtenir 4 à 5 générations successives par an, au lieu d'une seule en culture normale, car le cycle végétatif est ramené à 80 jours. Elle est utilisée pour réaliser la fixation de lignées, et l'introduction de gènes de résistance. Les jeunes graines sont prélevées 8 à 15 jours après la fécondation, selon le génotype. Elles sont désinfectées et disséquées. Les embryons ainsi isolés sont mis en culture en boîte Amélioration génétique des plantes FOTSO Moïse 35 de pétri. Au bout de 3 à 5 jours, on observe la formation de cotylédons chlorophylliens. Ils sont alors transférés en milieu d'enracinement, jusqu'à l'apparition d'un système racinaire assez développé. Les plantules ainsi obtenues sont alors mises en acclimatation puis repiquées sur support enrichis d’engrais. III.5.5 La transgénèse ou génie génétique Le génie génétique désigne l'ensemble des techniques permettant d'introduire et de faire exprimer dans un organisme vivant un ou des gènes provenant de n'importe quel autre organisme. Les organismes ainsi obtenus sont dits Organismes Génétiquement Modifiés (OGM). Le génie génétique utilise les techniques de biologie moléculaire qui permettent de préparer les séquences d'ADN qui seront introduites (on parle de construction génétique) et les techniques permettant de transférer le gène. Il s'agit donc d'un outil aux applications extrêmement variées et qui permet en particulier d'intervenir avec précision sur le patrimoine génétique des êtres vivants. La transgénèse permet d'apporter des solutions à des problèmes très variés, qui touchent aussi bien l'agronomie, la santé, l'industrie ou l'environnement. Pratiquement, cette méthodologie permet d'identifier un gène spécifique parmi les nombreux gènes d'un organisme. Ce gène est d'abord amplifié afin qu'il soit plus facilement accessible, et par la suite il est isolé des autres molécules d'ADN. Il peut enfin être réinséré dans une molécule d'ADN d'origine différente, permettant ainsi de transférer l'information génétique d'une cellule vers une autre. Le résultat obtenu est un ADN recombiné. Le génie génétique permet également d'apporter des modifications à des gènes (mutagenèse dirigée) qui, par conséquent, produiront des protéines modifiées. On distingue deux principales caractéristiques du génie génétique en comparaison de la sélection classique basée sur la reproduction sexuée : En génie génétique, la source de gènes est très étendue. On peut franchir la barrière des espèces, des genres et des règnes. Ainsi, il est possible d'introduire des caractères qu'il ne serait pas possible d'introduire par sélection classique. Le transfert d'un gène précis en génie génétique. Elle permet de transférer le seul gène désiré et non de transférer plusieurs gènes comme lors de la reproduction sexuée. Amélioration génétique des plantes FOTSO Moïse 36  Le génie génétique ou transgénèse vise deux actions particulières : - Introduire un nouveau caractère (introduction d'un gène de résistance à des insectes, à des pathogènes, à des herbicides, production de molécules d'intérêt industriel ou pharmaceutique) - Inactiver un caractère préexistant : La stratégie antisens est la voie la plus couramment utilisée. Elle consiste à bloquer l'expression d'un gène cible. Une copie « inversée » de ce gène est introduite, d'où le nom de la technique. Les ARN messagers (ARNm) produits par la copie originelle du gène et par celle introduite sont complémentaires. Ils s'hybrident donc et forment une molécule d'ARN double brin. Cette molécule aberrante est dégradée. Ainsi l'expression du gène est bloquée et le caractère ne s'exprime plus. Cette technique a permis d'obtenir des espèces végétales à teneur en lignine réduite, des tomates et des melons à maturation retardée, ou des pommes de terre contenant moins d'amidon. Amélioration génétique des plantes FOTSO Moïse 37  III.5.5.1 Le génie génétique et l’agriculture De nombreux travaux de génie génétique concernent l'introduction de gènes de résistance aux insectes ou aux herbicides, et dans une moindre mesure, à certains virus et maladies. Associées à un usage raisonné d'herbicides et de pesticides, ces plantes transgéniques vont améliorer l'efficacité de l'agriculture, tout en respectant encore mieux l'environnement. Exemple 1 : Chez le maïs, la résistance à la pyrale (insecte papillon) est conférée par le gène Cry A, appelé communément Bt. Ce gène permet dans les cellules du maïs, la production d'une protéine qui se transforme en toxine dans le tube digestif de la pyrale. Chez les autres animaux et chez l'homme, cette protéine est simplement digérée sans aucun effet toxique. Exemple 2 : Par transgénèse, il est possible d'obtenir des plantes résistantes aux virus. Ces plantes transgéniques synthétisent des protéines qui bloquent la multiplication et le développement des virus. Ainsi, il a été possible d'obtenir des courgettes et des melons résistant au virus de la mosaïque du concombre Exemple 3 : En créant des nouvelles variétés de plantes, le génie génétique contribue à l’enrichissement du patrimoine végétal Exemple 4 : Des travaux de génie génétique ont permis de modifier la teneur en amidon chez la pomme de terre, afin d'augmenter la teneur en matière sèche, et de disposer ainsi de pommes de terre mieux adaptées à la fabrication de fécule, de purée ou de chips. Des gènes ont également été transférés chez le colza pour modifier la teneur en acides gras ou pour obtenir des huiles contenant des nouveaux acides gras recherchés en alimentation humaine. Exemple 5 : Il est possible grâce au génie génétique d'obtenir des plantes de maïs, colza, soja à teneurs élevées en acides aminés, notamment en méthionine et lysine, et des maïs enrichis en huile. Concernant l'alimentation humaine, des travaux sont menés pour diminuer les propriétés allergènes du riz et du soja. Pour obtenir ce résultat, on cherche à introduire dans la plante un transgène qui inhibe la synthèse de la protéine allergisante. Exemple 6 : De nombreuses plantes transgéniques ont été développées pour obtenir une tolérance à ces herbicides. Il s'agit de variétés de betterave, colza, coton, maïs, pomme de terre et soja. Amélioration génétique des plantes FOTSO Moïse 38  III.5.5.2 Risques perceptibles liés au génie génétique Le génie génétique est susceptible d’aggraver l’insécurité alimentaire et la faim car il encouragera les monocultures, plus vulnérables aux maladies et ravageurs. Il rendra aussi les agriculteurs plus dépendants des multinationales qui exigeront des rémunérations pour les semences génétiquement modifiées et brevetées. Ces monocultures peuvent entraîner une perte continue de la biodiversité. Le pollen des cultures issues du génie génétique peut contaminer les espèces sauvages et réduire aussi la biodiversité. III.6. Méthodes de contournement de l’incompatibilité 1) Traitement thermique du pistil  Description: Le fait d’exposer la plante ou son pistil pendant un certain temps à de hautes températures peut permettre de franchir certaines des barrières d’incompatibilité entre espèces qui existent au niveau du pistil. Après ce traitement thermique, le pollen peut parvenir à cheminer dans le pistil pour atteindre l’ovaire.  Applications: Cette technique est surtout utilisée dans le domaine des plantes ornementales (par exemple les lis). 2) Pistil coupé  Description: Cette technique est utilisée lorsque les grains de pollen germent sur les stigmates mais que leurs tubes polliniques ne poussent pas suffisamment loin dans le pistil. L’ovule n’est alors jamais fécondé. On peut quelquefois permettre la fécondation en coupant tout ou partie du pistil de la plante femelle et en déposant le pollen mélangé à un jus de stigmates à l’endroit de la coupe. Le tube pollinique n’a maintenant plus qu’une courte distance à franchir en grandissant, ce qui augmente les chances de fécondation. Amélioration génétique des plantes FOTSO Moïse 39  3) Pistil greffé  Description: Cette technique peut être utilisée lorsque le pollen ne parvient pas à germer sur les stigmates de la plante femelle. Il faut d’abord déposer le pollen sur un stigmate d’une plante de la même espèce pour le faire germer. Lorsque les tubes polliniques commencent à croître dans le pistil, ce dernier est coupé juste en dessous du point atteint par les tubes polliniques, puis il est greffé sur la base d’un pistil de la plante femelle choisie. Lorsque les deux pistils sont joints, les tubes polliniques continuent à descendre dans le pistil de la plante femelle pour aller féconder l’ovule.  Applications: Pour des raisons pratiques, cette technique n’est utilisable que pour des plantes possédant un pistil relativement long et épais. On l’utilise donc surtout pour des plantes d’ornement comme les lis. 4) Technique du pollen mentor  Description: La technique dite du pollen mentor peut être utilisée pour résoudre certains problèmes de reconnaissance et de croissance. Le pollen de la plante père est mélangé à du pollen de la même espèce que la plante mère. Ce dernier pollen a au préalable été partiellement inactivé par irradiation; il peut encore germer mais non féconder. Les tubes polliniques du pollen mentor «guident» les tubes polliniques de la plante père désirée vers l’ovaire de la plante mère pour le féconder. On peut aussi utiliser du pollen mentor non irradié, et donc toujours fécond, mais c’est moins efficace à cause de la compétition qui s’instaure entre les deux pollens pour féconder l’ovaire de la plante mère.  Applications: Cette technique est surtout utilisée pour la sélection des plantes d’ornement. 5) Pollinisation in vitro Amélioration génétique des plantes FOTSO Moïse 40