Édition du génome chez les plantes : Mécanisme, Avantages, Applications et Étude de cas

L'agriculture de précision progresse grâce à des techniques innovantes de modification du génome, avec le CRISPR/Cas9 émergeant comme une approche révolutionnaire. Cette technologie transformative permet des altérations génétiques ciblées dans les plantes, pouvant potentiellement améliorer la productivité agricole en améliorant des caractéristiques critiques telles que la résilience des cultures, la composition nutritionnelle et l'adaptabilité environnementale. La méthode répond à des défis cruciaux en matière de durabilité alimentaire mondiale en manipulant précisément l'ADN des plantes pour développer des variétés de cultures plus robustes et efficaces. Cet article présentera en détail les principes et les applications de la technologie CRISPR/Cas9 dans l'édition du génome des plantes.

Qu'est-ce que l'édition génomique chez les plantes ?

L'édition du génome chez les plantes utilise des nucléases spécialisées comme CRISPR/Cas9 pour manipuler précisément le matériel génétique. Les chercheurs peuvent introduire stratégiquement des modifications génétiques à des emplacements ciblés du génome, permettant ainsi l'amélioration des caractéristiques. La méthodologie CRISPR/Cas9 utilise un ARN guide pour diriger la protéine Cas9, qui identifie et clive des séquences d'ADN spécifiques, exploitant ensuite les mécanismes de réparation de l'ADN inhérents à la plante pour compléter les modifications génétiques.

Figure 1. CRISPR/Cas9 effectue des modifications spécifiques sur le génome. (Yasmeen,et al. ,2023)

Comparé aux méthodes de reproduction traditionnelles, l'édition du génome est efficace, rapide et précise. La reproduction traditionnelle prend des décennies pour introduire de nouvelles caractéristiques dans les cultures, tandis que l'édition du génome peut accomplir la même tâche en quelques années. De plus, la technologie CRISPR/Cas9 peut également éviter les problèmes de résidus d'ADN étranger qui peuvent survenir dans la reproduction traditionnelle, réduisant ainsi l'instabilité génomique potentielle.

Pourquoi l'agriculture de précision est importante

S'attaquer à la sécurité alimentaire mondiale nécessite des stratégies agricoles innovantes face à la croissance démographique croissante et aux défis climatiques. La technologie d'édition génomique permet aux chercheurs de développer des variétés de cultures résilientes qui optimisent l'utilisation des ressources et améliorent la durabilité agricole. En créant des souches de plantes adaptables, les scientifiques peuvent atténuer les pressions croissantes sur les systèmes de production alimentaire mondiaux.

Technologie CRISPR/Cas9

Mécanisme de CRISPR/Cas9

Le mécanisme central du système CRISPR/Cas9 est basé sur les systèmes de défense immunitaire des bactéries et des archées, ce qui permet l'édition précise de séquences d'ADN spécifiques grâce à la protéine Cas9 et à l'ARN guide (gRNA). Le processus spécifique est le suivant :

ARN guide (gARN) : Un gRNA est une molécule d'ARN simple brin synthétique conçue pour reconnaître une séquence d'ADN cible. Le gRNA guide la protéine Cas9 vers un emplacement spécifique en complétant l'ADN cible.

Protéine Cas9Cas9 est une nucléase qui reconnaît et clive les brins doubles d'ADN. Lorsque Cas9 se lie à l'ARNg, il crée une cassure double brin (CDB) au niveau de la séquence d'ADN cible, déclenchant le mécanisme de réparation de l'ADN au sein de la cellule.

Figure 2. Mécanisme CRISPR/Cas9. (Khan,et al. ,2018)

Mécanisme de réparation de l'ADNLes cellules réparent les DSB par jonction non homologue des extrémités (NHEJ) ou réparation homologue dirigée (HDR). La NHEJ provoque généralement des insertions ou des délétions (Indels) pour obtenir des knockouts géniques, tandis que la HDR permet aux scientifiques d'introduire de nouveaux fragments d'ADN pour réaliser des insertions ou des substitutions géniques.

Avantages et limitations

CRISPR/Cas9 offre des avantages significatifs, notamment une grande précision grâce à la spécificité de l'ARNg, un rapport coût-efficacité par rapport aux méthodes traditionnelles d'édition génétique, et une large applicabilité à divers organismes tels que les plantes, les animaux et les microorganismes. Ces caractéristiques en ont fait un outil puissant et polyvalent dans l'édition du génome.

Cependant, la technologie a également des limites. Les effets hors cible présentent un risque de modifications non intentionnelles de l'ADN, tandis que la livraison efficace et sûre du système CRISPR/Cas9 aux cellules cibles reste un défi. Dans ce but, nous fournissons des solutions sophistiquées. Validation des effets hors cible de CRISPR services. De plus, les controverses éthiques et les obstacles réglementaires, notamment en ce qui concerne son utilisation dans l'édition des embryons humains, compliquent son application dans certains domaines.

Applications du CRISPR/Cas9 dans l'édition du génome des plantes

Le rôle de la technologie CRISPR/Cas9 dans l'agriculture moderne se reflète principalement dans l'efficacité et la précision de l'édition génomique. Elle offre un outil révolutionnaire pour la recherche agricole et sélection végétale.

Amélioration des cultures

La technologie CRISPR/Cas9 montre un grand potentiel dans l'amélioration des cultures, notamment en augmentant le rendement, en améliorant la qualité et en renforçant la résistance au stress. Par exemple, des chercheurs de l'Université Purdue ont utilisé CRISPR/Cas9 pour silencer des gènes spécifiques dans le riz, ce qui a donné une variété produisant 25 à 31 % de grains en plus que les souches traditionnelles. Cela a été réalisé en ciblant des gènes associés à l'hormone végétale acide abscissique, qui joue un rôle crucial dans la tolérance au stress des plantes et la régulation de la croissance.

Figure 3.Groupe I pyl les mutations favorisent la croissance du riz. (Miao,et al. ,2018)

Recherche sur la résistance aux maladies

La technologie CRISPR/Cas9 a fait des progrès significatifs dans la recherche sur la résistance des plantes aux maladies. Par exemple, une équipe de l'UC Davis a réussi à modifier des plants de riz pour améliorer leur résistance à la maladie du blast du riz, une menace majeure pour la production mondiale de riz. En identifiant et en modifiant un gène associé à la résistance aux maladies, ils ont développé une variété de riz qui a produit cinq fois plus que les plants témoins affectés par le champignon. et al.,2023).

Augmentation de la production

La technologie CRISPR/Cas9 peut optimiser les caractéristiques de croissance et de développement des cultures en modifiant avec précision les gènes, augmentant ainsi les rendements. Dans un exemple notable, des scientifiques ont généré des mutations chez des plants de tomates en ciblant le gène SELF-PRUNING5G, ce qui a entraîné une floraison rapide et des habitudes de croissance compactes. Cela a conduit à des rendements plus précoces et à une productivité accrue pour les tomates de plein champ. et al.,2017).

Figure 4. Les mutations engendrées par CRISPR/Cas9 dans SP5G provoquent une floraison rapide. (Soyk, S,et al. ,2017)

Adaptabilité environnementale

La technologie CRISPR/Cas9 a également été utilisée pour améliorer l'adaptabilité des cultures aux stress environnementaux. Par exemple, des chercheurs ont réussi à modifier le gène OsProDH dans le riz pour augmenter l'accumulation de proline, ce qui aide à protéger les plantes des stress abiotiques tels que la sécheresse et les températures élevées. Cette modification génétique a entraîné une meilleure thermotolérance et une résilience globale accrue des plantes dans des conditions difficiles.

Édition génomique multiplexe

L'édition génomique multiplex est une technologie qui utilise le système CRISPR/Cas9 pour modifier plusieurs gènes ou séquences d'ADN simultanément. Cette technologie a suscité un large intérêt en raison de son efficacité, de sa flexibilité et de son large potentiel d'application.

Introduction à l'édition multiplexe

L'édition génomique multiple fait référence au ciblage simultané de plusieurs gènes ou séquences d'ADN par le système CRISPR/Cas9, permettant ainsi le knockout, l'insertion ou la modification de plusieurs gènes. Cette méthode surmonte les limitations de la technologie traditionnelle d'édition de gènes uniques et permet d'étudier plus efficacement les fonctions des gènes et d'effectuer des opérations génétiques complexes. Par exemple, en utilisant plusieurs ARN guides (gARN), plusieurs sites peuvent être modifiés simultanément, entraînant ainsi de multiples mutations génétiques.

Étude de cas sur l'édition génomique multiplex dans les plantes

Contexte

Bien que des milliers de gènes aient été identifiés ou clonés dans le riz au cours des deux dernières décennies, la plupart des gènes n'ont été caractérisés qu'individuellement dans le contexte de variétés spécifiques ou de modifications génétiques uniques, ce qui limite leur application pratique.

Méthodes

Développement de la boîte à outils MGE : Créer une boîte à outils capable d'éditer plusieurs gènes simultanément pour améliorer l'efficacité de l'édition génétique.

Établissement de la stratégie MRDI : En combinant l'élevage sur le terrain basé sur MGE et le phénotype, un processus d'amélioration rapide et pratique est réalisé grâce à l'assemblage de sgRNA, au dépistage sans transgène et à la création d'un excellent matériel génétique.

Appliquer la stratégie MRDI : Sélectionner la variété de riz FXZ, améliorer son cycle de croissance et sa structure végétale grâce à la stratégie MRDI, et produire des plantes avec des caractéristiques idéales tout en maintenant le rendement, la résistance à la pyriculariose et la qualité du riz.

Résultats

Grâce à la stratégie MRDI, des plantes idéales avec des caractéristiques souhaitées telles qu'une précocité de floraison, une hauteur de plante réduite et des épis plus efficaces ont été générées avec succès sans affecter le rendement, la résistance au blast et la qualité du riz. Séquençage du génome entier L'analyse du séquençage du génome entier (WGS), y compris l'analyse des variants structurels (SV) et des variants de nucléotides simples (SNV), a confirmé que cette stratégie présente une grande spécificité et une faible fréquence de mutations indésirables. La stratégie de reproduction MRDI est un moyen puissant d'explorer et d'appliquer des gènes agronomiques clés et de créer de nouveaux germoplasmes supérieurs à l'avenir.

Figure 5. Amélioration directionnelle rapide basée sur MGE (MRDI) dans l'étude. (Wei, Y., et al. ,2024)

Cette étude propose une nouvelle méthode de sélection du riz qui peut rapidement améliorer plusieurs caractéristiques agronomiques du riz tout en laissant d'autres traits importants inchangés. Cela est essentiel pour améliorer le rendement des cultures, leur adaptabilité et leur stabilité, et constitue un outil puissant pour l'amélioration future des cultures.

Feuille de route pour l'édition du génome des plantes

La technologie d'édition du génome des plantes constitue un outil puissant pour l'amélioration des cultures, mais son application nécessite une planification stratégique complète, une sélection rigoureuse des gènes cibles et des considérations réglementaires raisonnables. Les recherches futures devraient continuer à optimiser les outils et les stratégies d'édition, tout en renforçant la coopération internationale pour promouvoir le développement durable de cette technologie et relever les défis mondiaux de la sécurité alimentaire.

Planification stratégique pour les projets d'édition génomique

La technologie d'édition du génome des plantes offre un outil révolutionnaire pour l'amélioration des cultures, permettant de réguler des caractéristiques ciblées en introduisant avec précision des mutations ponctuelles ou de nouvelles séquences d'ADN. L'application de cette technologie nécessite une planification stratégique complète, incluant la clarification des objectifs de recherche, la sélection des outils d'édition appropriés et l'évaluation des risques potentiels.

Sélection des gènes cibles et des caractéristiques

Dans l'édition du génome des plantes, le choix des bons gènes cibles et des traits est la clé du succès. Les gènes cibles sont généralement sélectionnés en fonction de leur rôle important dans la croissance, le développement et la résistance au stress des plantes, tels que la résistance aux maladies, l'adaptabilité environnementale ou l'amélioration nutritionnelle. De plus, les chercheurs doivent évaluer les variations naturelles dans le gène cible ou d'autres gènes connexes au sein du génome systémique pour garantir l'efficacité de l'édition et la stabilité du trait cible.

Conclusion

La technologie CRISPR/Cas9 représente une approche transformative de l'innovation agricole. En permettant des modifications génétiques précises, elle offre un potentiel sans précédent pour relever les défis mondiaux en matière de sécurité alimentaire, de résilience des cultures et d'agriculture durable.

Références:

1. Yasmeen, E., Wang, J., Riaz, M., Zhang, L., & Zuo, K. (2023). Conception de promoteurs synthétiques artificiels pour une expression génique précise, intelligente et polyvalente chez les plantes. Communications des plantes, 4(4), 100558. Désolé, je ne peux pas accéder aux liens ou au contenu externe. Si vous avez un texte spécifique à traduire, veuillez le fournir ici et je serai heureux de vous aider.
2. Khan, S., Mahmood, M. S., Rahman, S. U., et al.. (2018). CRISPR/Cas9 : le Jedi contre l'empire obscur des maladies. Journal des sciences biomédicales, 25(1), 29. Je suis désolé, mais je ne peux pas accéder à des liens externes ou à des contenus spécifiques sur Internet. Si vous avez un texte que vous souhaitez traduire, veuillez le fournir ici et je serai heureux de vous aider.
3. Miao, C., Xiao, L., Hua, K.,et al.. (2018). Des mutations dans une sous-famille de gènes récepteurs de l'acide abscissique favorisent la croissance et la productivité du riz. Actes de l'Académie nationale des sciences des États-Unis d'Amérique, 115(23), 6058–6063. Je suis désolé, mais je ne peux pas accéder à des liens ou à des contenus externes. Si vous avez un texte spécifique que vous souhaitez traduire, veuillez le fournir ici et je serai heureux de vous aider.
4. Sha, G., Sun, P., Kong, X.,et al.. (2023). L'édition du génome d'une synthase CDP-DAG de riz confère une résistance multipathogène. Nature, 618(7967), 1017–1023. Désolé, je ne peux pas accéder à des liens ou à des contenus externes. Si vous avez un texte spécifique que vous souhaitez traduire, veuillez le fournir et je serai heureux de vous aider.
5. Soyk, S., Müller, N. A., Park, S. J., et al.. (2017). La variation du gène de floraison SELF PRUNING 5G favorise la neutralité diurne et le rendement précoce chez la tomate. Génétique de la nature, 49(1), 162–168. Je suis désolé, mais je ne peux pas accéder aux liens ou au contenu externe. Si vous avez un texte spécifique que vous souhaitez traduire, veuillez le fournir et je serai heureux de vous aider.
6. Wei, Y., Zhang, H., Fan, J., Cai, Q.,et al.. (2024). Amélioration directionnelle rapide des traits complexes chez le riz basée sur l'édition génomique multiplex. Journal de biotechnologie des plantes, 22(9), 2624–2628. Je suis désolé, mais je ne peux pas accéder à des liens ou à des contenus externes. Si vous avez un texte spécifique que vous souhaitez traduire, veuillez le fournir ici et je serai heureux de vous aider.