Biotechnologies végétales, amélioration des plantes, domestication, développement durable, biologie végétale

1. 1
Les
biotechnologies
végétales
:
créa3on
de
biodiversité
dans
les
génomes
végétaux
et
améliora3on
des
plantes
Loïc
Lepiniec
IJPB,
INRA-­‐AgroParisTech,
Versailles
et
LabEx
SPS
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

2. 2
Les
biotechnologies
végétales
• Introduc3on
– Enjeux
sociétaux
et
l’amélioraKon
des
plantes
– L’amélioraKon,
de
la
domesKcaKon
aux
praKques
actuelles
• Les
apports
des
biotechnologies
– Biologie
cellulaire
et
régénéraKon
– Biologie
moléculaire
et
génomique
– CréaKon
et
uKlisaKon
de
la
biodiversité
moléculaire
• La
transgénèse
– Bases
cellulaires
et
moléculaires
de
la
transgénèse
– Exemples
d’uKlisaKons
potenKelles
– Etat
actuel
des
cultures
• Conclusions
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

3. 3
12
10
8
6
4
2
0
Un
contexte
mondial
en
évolu3on
rapide
Consommation d’d’énergie (Qbtu / yr)
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
Population
mondiale
Consommation
d’énérgie
2000
2050
2100
Population (Milliards)
1900 1950
Années
from Energy Projections IIASA / WEC, Population Projections: United
Nations “Long-Range World, Population Projections”. Adapted from R.
Beachy
• Une
demande
croissante
des
produits
de
l’agriculture
:
– AugmentaKon
de
la
populaKon
(6
à
9
Mds)
– ÉvoluKon
des
habitudes
alimentaires
– Epuisement
du
carbone
fossile
– Nécessite
d’augmenter
de
70%
la
producKon
(Banque
Mondiale,
World
Dev.
Rep.
2008)
• Contraintes
environnementales
– Impact
de
l’agriculture
sur
l’environnement,
– Changement
climaKques
– LimitaKon
des
ressources
(terres
agricoles,
eau,
énergie,
ferKlisants,
biodiversité…)
• Conclusion,
il
faut
produire
plus
et
mieux…
nécessité
d’une
intensifica3on
durable
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

4. Comment
relever
le
défi
d’une
intensifica3on
durable?
4
Améliora3on
des
plantes
Bonne
gesKon
des
ressources
(eau,
sols,
énergie,
biodiversité)
PraKques
agricoles
Intensifica3on
Durable
PraKques
industrielles
OrganisaKon
socio-­‐économique
et
poliKque
soutenant
le
développement
agricole
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

5. Contribu3on
possible
de
l’améliora3on
géné3que?
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012
5
-­‐ Au
cours
des
60
dernières
années,
les
rendements
des
principales
cultures
ont
été
mul3pliés
par
5
-­‐ L’améliora3on
géné3que
a
contribué
pour
+
de
50%
-­‐ Compte
tenu
du
contexte
actuel
-­‐ augmentaKon
des
besoins
en
produits
agricoles
(+
70%)
-­‐ Crise
environnementale,
limitaKon
intrants,
sols,
eau
-­‐ L’améliora3on
géné3que
devra
faire
plus
et
mieux…
-­‐ Comment
les
biotechnologies
ont
déjà
et
peuvent
encore
y
contribuer?

6. 6
Maïs,
~ 7000
ans
Haricot,
pomme
de
terre
~
10,000
ans
L’améliora3on
géné3que
des
plantes
and by genetic, linguistic and skeletal
human populations. The clearest such
insight review articles
Blé,
orge,
pois,
~
13,000
ans
Fertile
Crescent
West Ethiopia
Africa
China
Centres of origin of
food production
The most productive
agricultural areas of the modern world
hgp://arstechnica.com
Riz
et
soja
~
9000
ans
their permanent gardens, orchards and pastures, instead of migrat-ing
to follow seasonal shifts in wild food supplies. (Some
Eastern US
Sahel
Mesoamerica
New
Guinea
Andes and
Amazonia
of
plant and
homelands of
orange-shaded
5.1 of
productive areas
cereals and
yellow-shaded
overlap
that China
the most
States
United
The
different
which the wild
domesticable
other areas
those
Diamond, J. (2002) Nature 418: 700-707, Purugganan and Fuller (2009), Nature 457: 843-848)
Riz,
haricot
~
8500
ans
L’amélioraKon
des
plantes
débute
avec
la
sédentarisaKon
de
l’homme,
il
y
a
10000
ans,
dans
différentes
régions
(une
dizaine).
Millet
~
5000
ans
sorgho
~
4000
ans

7. 7
1
La sélection apparaît avec l’agriculture
La domestication L’adaptation en Europe L’extension des
Premiers
maïs Populations
Hybrides
L’ancêtre
sauvage
Téosinte
Apparition
au Mexique
Présence
en Amérique
Introduction
dans le sud de l’Europe
zones de culture
Exemple du maïs
Création des premiers
hybrides en France
-7000 ans
1494
1947
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
1
quintaux/hectare
et
10
février
2012
90
quintaux/hectare
L’exemple
du
maïs
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012
source:
GNIS

8. 8
Clark
et
al.,
2006
La
domes3ca3on
concerne
quelques
gènes
majeurs
Le
gène
TB1
(TEOSINTE
BRANCHED
1)
-­‐
code
un
facteur
de
transcripKon
(TCP)
-­‐
contrôle
la
structure
branchée
de
la
plante
-­‐
Sa
surexpression
entraine
une
dominance
apicale
accrue
et
le
développement
d’une
Kge
unique
et
épaisse
chez
le
maïs
culKvé
Doebley, et al.. (2006) Cell 127: 1309-1321,
Le
gène
TGA1
(TEOSINTE
GLUME
ARCHITECTURE
1)
-­‐
Code
un
facteur
de
transcripKon
(SBP)
-­‐
contrôle
le
développement
des
glumes
-­‐
sa
mutaKon
produit
des
grains
nus
et
fixés
à
l’épi
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

9. 9
recessive allele q (center) and wild wheat (left) with the recessive allele
have slender, fragile spikes.
(Fourth row) The massive fruit of cultivated tomato (right) next to the
miniscule fruit of its progenitor (left).
(Fifth row) A wild sunflower plant (left) has many small heads borne
on multiple slender stalks, whereas a cultivated sunflower plant (right)
Exemples
similaires
chez
d’autres
plantes
Quelqhaus ea ssi
nggèle nlaergse
hseoadn bto
rrnees opn oa nthiscak bstalelk.s
de
-­‐
L’égrainage
du
panicule
de
riz
sauvage
(qSH1
et
sh4)
gathered from another location. Key to the domestica-tion
process would be a subsequent switch from allow-ing
-­‐
La
structure
edible wild compacte
species et
to naturally solide
de
resow l’épis
themselves
de
blé
(Q)
in burned fields, to sowing seed gathered the previous
season. Once this practice was established, selection
and crop improvement could begin.
Although cereals and other field crops were likely to
have been domesticated in the context of large fields
cleared by burning or by spring floods along rivers,
other domesticates may have had their beginnings
as weeds near seasonal campgrounds (Anderson,
1969). Hunter-gatherers often follow seasonal migra-tory
schedules, visiting the same specific sites at
given times every year. The disturbance of the natural
vegetation and middens at these sites provided fertile
ground for the types of colonizing species that were
the progenitors of our crops. Seeds discarded with
the “kitchen” trash one year would sprout into a new
crop by the time the group returned the following year.
If they preferentially collected seeds and fruit from
plants with the most desirable traits, then over time
the frequency of plants with these favored phenotypes
would increase in their garden crop. Eventually, no
new wild seeds and fruits would be collected and a
switch to deliberate sowing of seeds would occur.
The early agricultural practices just described have
Doebley
et
al.
(2006),
Cell,
127:
-­‐ La
taille
réduite
de
plusieurs
plantes
culKvées
est
contrôlée
par
des
homologues
du
gène
GAI
impliqué
dans
la
biosynthèse
d’une
hormone,
chez,
le
blé
(Rht),
le
maïs
(Dwarf
8),
ou
le
colza
(Bzh)
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

10. L’améliora3on
repose
sur
l’u3lisa3on
de
la
biodiversité
10
La
domesKcaKon
a
reposé
essenKellement
sur
l’existence
et
la
sélecKon
de
quelques
gènes
(allèles)
à
effets
forts
(qualitaKfs)
L’amélioraKon
actuelle
repose
sur
l’existence
de
variabilité
d’un
plus
grand
nombre
de
gènes
(d’allèles)
à
effets
souvent
plus
fins
et
complexes
(quanKtaKfs
et
interacKfs).
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

11. Les
principes
de
l’améliora3on
des
plantes
Les biotechnologies Les Source:
GNIS
11
Les principes de l’amélioration des plantes
Exemple de la pomme de terre
Diversité
existante Croisement
• Plus productives
• Plus résistantes aux
maladies et aux parasites
• Mieux adaptées
au sol et au climat
• Mieux adaptées
aux techniques culturales
• Régularité des formes
• Qualité culinaire
• Adaptées aux transformations :
frites, chips, pommes de terre
surgelées, fécule…
entre individus choisis
pour leurs
caractères intéressants
Collections de plus
de 3 500 formes
sauvages ou cultivées
Nouvelle
variété
Objectifs de sélection des variétés
Les biotechnologies
dans un programme de sélection
Connaître
le génome
Marqueurs moléculaires
Cartes génétiques
Sélection assistée
par marqueurs
Génomique
étapes
de la sélection
Recenser
le matériel génétique
existant
Observer, choisir et croiser
le matériel de départ
Créer
des lignées
ou les parents de l’hybride
Fixer
les caractères
Évaluer
la valeur agronomique
et technologique de
la nouvelle variété
Inscrire
la nouvelle variété
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

12. 12
Les
méthodes
de
sélec3on
ont
évolué
1) Depuis
la
domes3ca3on,
pra3quait
essen3ellement
la
sélec3on
massale
-­‐
Choix
des
meilleures
populaKons,
(porte)
graines
sur
leurs
performances
propres
-­‐
Permis
l’amélioraKon
de
populaKons
de
plantes
autogames
(blé,
orge,…)
2)
A
par3r
du
milieu
du
19ième
siècle,
mise
en
place
de
la
sélec3on
généalogique
-­‐
basée
sur
la
sélecKon
d’individus
et
leurs
performances
en
descendance
(de
Vilmorin)
-­‐
l’amélioraKon
d’espèces
autogames
et
allogames
(fécondaKon
croisée),
ex
begeraves
3)
Au
20
ième
s.
u3lisa3on
des
cartes
géné3ques
puis
des
marqueurs
moléculaires
-­‐ Grace
à
l’uKlisaKon
des
lois
de
G.
Mendel
-­‐ Etablissement
des
bases
de
la
sélecKon
des
hybrides
de
maïs
par
Shull
(1908)
-­‐ Culture
des
premières
variétés
de
maïs
hybride
aux
Etats-­‐Unis
(1933)
-­‐ Etablissement
des
premières
cartes
généKques
du
maïs
par
Emerson
(1935)
-­‐ Débuts
de
la
sélecKon
assistée
par
marqueurs,
à
parKr
de
1980
A.
Gallais
(2011)
Méthodes
de
créaKon
de
variétés
en
AmélioraKon
des
plantes,
Ed
Quae
D.
De
Vienne
(1998),
Les
marqueurs
moléculaires
en
généKque
et
biotechnologies
végétales,
Ed
INRA

13. 13
Exemple
de
résultats
de
l’améliora3on,
le
blé
7000
av
JC
Domes3ca3on
du
blé
tendre
en
mésopotamie
1600:
arrive
probablement
à
5
Qx/ha
1800
fer3lisa3on/principe
de
res3tu3on,
10
Qx/ha
1900
«
Révolu3on
»
agronomique,
intrants,
machinisme,
géné3que
1960
«
Révolu3on
Verte
»
dans
les
pays
en
voie
développement
1980:
65
Qx/ha
2000:
80
Qx/ha
(France)
plant breeder and Nobel Laureate
Norman Borlaug 1914-2009
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

14. 14
Limites
des
techniques
d’améliora3on
conven3onnelles
Les
limites
inhérentes
à
la
reproduc3on
sexuée
Difficultés
de
réaliser
des
croisements
entre
espèces
Risques
d’introducKon
de
caractères
indésirables
dans
la
nouvelle
variété
Délais
pour
créer
une
nouvelle
variété
liés
aux
cycles
de
végétaKon
Et
au
nombre
de
généraKons
nécessaires
Les
avantages
des
biotechnologies
Créer
et
mieux
exploiter
la
diversité
faciliter
les
croisements
interspécifiques
Connaître
le
génome
et
maîtriser
l’apport
de
nouveaux
caractères
Diminuer
la
durée
de
créa3on
variétale
Adapté
du
GNIS
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

15. 15
• Introduc3on
– Enjeux
sociétaux
et
l’amélioraKon
des
plantes
– L’amélioraKon,
de
la
domesKcaKon
aux
praKques
actuelles
• Les
apports
des
biotechnologies
– Biologie
cellulaire
et
régénéraKon
– Biologie
moléculaire
et
génomique
– CréaKon
et
uKlisaKon
de
la
biodiversité
moléculaire
• La
transgénèse
– Bases
cellulaires
et
moléculaires
de
la
transgénèse
– Exemples
d’uKlisaKons
potenKelles
– Etat
actuel
des
cultures
• Conclusions
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

16. Les biotechnologies
Les
Biotechnologies
dans
un
programme
de
sélec3on
16
dans un programme de sélection
Les biotechnologies Les biotechnologies
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012
Connaître
le génome
Marqueurs moléculaires
Cartes génétiques
Sélection assistée
par marqueurs
Génomique
Exploiter
la diversité
Sauvetage d’embryons
interspécifiques
Fusion de protoplastes
Transgénèse
Diminuer
la durée de création
Haplodiploïdisation
Culture d’embryons
immatures
Les étapes
de la sélection
Recenser
le matériel génétique
existant
Observer, choisir et croiser
le matériel de départ
Créer
des lignées
ou les parents de l’hybride
Fixer
les caractères
Évaluer
la valeur agronomique
et technologique de
la nouvelle variété
Inscrire
la nouvelle variété
Biologie
moléculaire
Biologie
Cellulaire
Source
:
GNIS
Transgénèse
Connaître
le
génome
Exploiter
la
diversité
Accélérer
la
créaKon

17. 17
Méthodes
de
micropropaga3on
in
vitro
pousse axillaire Mul8
Des applications de la Le sauvetage
d’embryons
La culture
de méristèmes
La multiplication
conforme
embryon
méristème
noeud
3plica3on
in
vitro
de
3ssus
végéta3fs
-­‐
Sauvetage
d’embryons
;
tomate,
tournesol,
courgege,
laitue,…
-­‐
Culture
de
méristèmes:
pomme
de
terre,
arKchaut,
dahlia,
vigne,
ail,
fraisier,…
-­‐
Microbouturage
:
figuier,
séquoia,
pins,
eucalyptus,
peuplier,
merisier,
framboise,
vigne…
-­‐
ApplicaKons
-­‐ PropagaKon
clonale
(végétaKve)
-­‐ MulKplicaKon
rapide,
gains
de
temps
importants
-­‐ ÉliminaKon
de
viroses
(méristème
et
thermothérapie)
-­‐
Autres
techniques
-­‐ Embryogenèse
somaKque
-­‐ ObtenKon
et
fusion
de
protoplastes
et
régénéraKon
-­‐ HaploïdisaKon
Source
:
GNIS
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

18. Bref
rappel
historique
sur
les
biotechnologies
cellulaires
18
-­‐
Culture
«
in
vitro
»
de
cellules,
de
3ssus
et
régénéra3on
1902
Découverte
de
la
to3potence
des
cellules
végétales,
Haberland.
1930
Culture
de
Kssus
végétaux
1939
culture
indéfinie
de
cambium,
Gautheret
1950
culture
in
vitro,
développée
par
Morel
et
MarKn,
sur
la
pomme
de
terre.
1952
assainissement
par
culture
de
méristème
de
dahlia,
Morel
et
Mar3n
1957
rôle
équilibre
auxine/cytokinine
dans
le
contrôle
de
la
formaKon
d’organes
1958,
obten3on
des
premiers
embryons
soma3ques
de
caroie
Reinert
et
Stewart
1960
première
mulKplicaKon
végétaKve
in
vitro
de
l’orchidée,
Morel
1964
cultures
de
cellules
sexuelles
mâles
chez
le
Datura
par
Guha
et
Maheshwari.
1965
culture
de
cellules
végétales
1967
plantes
haploïdes,
Bourgin
1971
protoplastes
de
tabac
1978
premières
fusions
de
protoplastes,
par
Melchers.
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

19. 19
Exemples
de
bouturage
et
microbouturage
Bouturage,
Technique
ancestrale
:
-­‐1100
ans,
néolithique,
figuier
parthenocarpique,…
Geranium,
Rosiers,
Groseillers….
Développement
Industriel
pour
des
plantes
variées:
Rosiers,
Orchidées,
FruiKers…
Adapté
de
Y.
Chupeau
microbouturage
et
culture
de
méristème
apical
:
Guérison
de
Dalhia
ageints
d’une
maladie
à
virus
Morel
et
MarKn,
1952.
Extension
à
la
pomme
de
terre,
puis
à
de
nombreuses
plantes…
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

20. Embryogénèse
Soma3que
et
Sauvetage
d’embryons
20
L’embryogenèse
soma3que
-­‐
Exemple,
producKon
de
plants
de
conifères
Lelu
et
Thomson
2000
/
M.
jullien
Sauvetage
d'embryons
-­‐
Sauvetage
par
culture
in
vitro
d’embryons
non
viables.
-­‐
Exemple,
embryons
obtenus
par
croisements
entre
tournesols
culKvés
et
sauvages.
-­‐
Les
espèces
sauvages
de
tournesol
=
réservoir
de
résistances
aux
pathogènes
(résistant
au
mildiou
et
au
ScleroKnia)
x
Adapté
de
F.
Nogué
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

21. 21
21
L’ o b t e n t i o n d e p ro t o p l ast es
Cellules
végétales
débarrassées
de
leur
paroi
pecto-­‐cellulosiques
(cf
H.
H.)
Pa r e nch yme
d e j e u n es f e u ill es
Di g est i o n
e n z yma t i q u e
d e l a p a ro i
E n z y mes
d e l yse
d e l a p a ro i
p ect oce ll u l osi q u e
A j o u ts
d ’ é l éme n ts
st a b ilisa n ts
sucres,
sels minéraux
Susp e nsi o n
d e p ro t o p l ast es
Fusion,
transforma3on,
régénéra3on
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

22. 22
Applica3ons
:
Fusion
de
protoplastes
et
régénéra3on
La
maîtrise
de
la
culture
et
de
la
fusion
de
protoplastes
(A)
et
de
la
régénéra3on
de
colza
(B)
ont
permis
la
régénéra3on
de
CYBRIDES
(CY),
hybrides
cytoplasmiques.
Cege
approche
a
permis
par
exemple
de
transferer
la
stérilité
mâle
Ogura
portée
par
l’ADN
mitochondrial
(O)
au
colza
normal
(N).
Disposer
d’une
stérilité
mâle
chez
le
colza
facilite
la
créaKon
des
hybrides
F1.
G.
PelleMer,
INRA
Versailles
Adapté
de
M.
Jullien
A
B
C
O
CY
N
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

23. Etamines
Pollen
23
Haplo(diplo)ïdisa3on
L’haploïdisaKon
est
l’obtenKon
d’
individus
provenant
d’un
seul
parent
(sans
fécondaKon).
Après
un
doublement
(spontanée
ou
induit
ou
«diploïdisaKon»)
du
nombre
de
chromosomes
cela
conduit
à
des
lignées
parfaitement
homozygotes
2n
(«
pures
»).
Elle
permet
donc
des
gains
de
temps
et
d’efficacité
considérables
pour
la
fixa3on
de
caractères
par
rapport
à
des
cycles
classiques
de
croisements.
From
Y.
Chupeau
Haploïdisa<on
spontanée
polyembryonie
(ex:
asperge),
androgenèse
in
situ
(ex:
tabac)
et
gynogenèse
in
situ
(ex:
maïs,
colza).
Androgenèse,
à
par<r
des
gamètes
mâles
(plus
de
150
espèces)
• formaKon
d’embryons
à
parKr
d’étamine
de
Datura
(1966,
Guha
et
Maheswari)
• ObtenKon
de
plantes
haploïdes
à
parKr
de
grains
de
pollen
de
tabac
(1967
Nitsch
et
Bourgin)
• Datura,
Tabac,
Riz,
Colza,
Orge,
Blé,
Pomme
de
terre,
Maïs,...
Gynogenèse
-­‐
Culture
d’ovaires/ovules
(1976)
:
Orge,
Blé,
Tabac,
Riz,
Gerbera,
Maïs,
Begerave,…
-­‐
Croisements
interspécifiques
(1964)
:
Pomme
de
terre,
Orge,
Melon,
Blé,
Luzerne,...
-­‐
UKlisaKon
de
pollen
irradié
(1983)
:
Orge,
Blé,
Pétunia,
Melon,
Caroge,
Concombre,
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

24. Les biotechnologies
dans un programme de sélection
24
La
génomique
dans
l’améliora3on
Les biotechnologies Les Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012
Biologie
Cellulaire
Connaître
le génome
Marqueurs moléculaires
Cartes génétiques
Sélection assistée
par marqueurs
Génomique
étapes
de la sélection
Recenser
le matériel génétique
existant
Observer, choisir et croiser
le matériel de départ
Créer
des lignées
ou les parents de l’hybride
Fixer
les caractères
Évaluer
la valeur agronomique
et technologique de
la nouvelle variété
Inscrire
la nouvelle variété
ObjecKfs
:
Localiser
et
séquencer
les
gènes
Etudier
leur
foncKon
Les
uKliser
pour
créer
de
la
variabilité
et
comme
marqueurs
pour
la
sélecKon
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

25. 25
Historique
de
l’étude
des
génomes
et
de
l’ADN
1900.
Mise
en
applicaKon
des
lois
de
Mendel
sur
l'hérédité
1911.
NoKon
de
liaison
généKque,
Morgan,
(Nobel
1933)
1953.
DescripKon
de
la
structure
en
double
hélice
de
l'ADN
Watson,
Wilkins,
et
Crick
(Nobel
1962)
1960.
Découverte
du
code
généKque
Crick,
Nirenberg,
Mathaeri
et
Ochoa
(Nobel,
1968)
1965.
Découverte
des
enzymes
de
restricKon
Aber,
Smith
et
Nathans
(Nobel
1978)
1973.
ADN
recombinant,
Berg
(Nobel
1980)
1977.
Séquençage
de
l’ADN,
Gilbert
et
Sanger
(Nobel
1980)
1983.
Clonage
par
amplificaKon
in
vitro
(PCR),
Mullis
(Nobel,
1993)
1990
Co-­‐suppression,
silencing
et
miRNA,
(Mello,
Fire,
Nobel
2006)
49
La c a r t o g r a p h i e d e s ma rq u e u rs m Exemple de cart e géné tique de marqueurs RFLP che z la pomme Pr i nci p e d e d é t e rmi n a t i o n d e l a d ist a nc e g é n é t i q u e e n t r e d e u x l ocus A Parents homozygot es
éloignés géné tiquement
GP39
PSC
CP49 CP65(a)
GP85(a)
GP1(b) GP17
Descendance F2 La distance génétique entre les deux locus exprimée en centiMorgan,
PAL(d)
A }est fonction du pourcentage
- A B
- a b
Type parent al
A B de recombinés
a b
- A b
- aB }Type recombiné d
Chromosome
I
CP100
Chromosome
II
Chromosome
III
Chromosome
IV
Chromosome
V
Chromosome
VI
Chromosome
VII
GP93 CP65(b) GP22 CP43(d) PAT(a) CP16
CP94(a)
GP36(b)
GP92
GP36(a) GP74(GP74(c)
GP40(a)
CP14
WX
GP87(d)
GP33(b)
GP91(b)
GP35(e)
PAL(f)
GP91(a)
pI471
CP20(a)
PAL(b)
GP97
PAL(c)
GP85(GP74(PAL(a) CP53
GP87(c)
Actin
GP78
GP31
GP21
GP35(d)
GP28(b)
GP35(b)
GP87(a)
CP72
PAL(e)
GP35(a)
GP85(c) CP59
CP47
CP51(b)
CP51(a)
rbcS-1
CP15(a)
GP1(a)
GP25
GP80
CP6
4CL(a)
CP32(d)
GP1(c)
GP74(a)
GP74(d)
GP23
GP35(c) CP70(c)
rbcS-c
CP48(a)
CP15(b)
GP86
GP33(a)
GP98
GP26
rbcS-2
PC116
PAT(b)
GP1(d)
GP90
CP64(a)
CP64(b)
CP11
CP69(a)
GP33(d)
CP69(b)
GP33(c)
CP19
GP88
GP28(a)
CP62
CP13
GS
-­‐
L’ADN
est
le
support
moléculaire
de
l’informaKon
généKque
-­‐
C’
est
une
chaine
(2
brins)
de
quatre
molécules
(A,T,
G,
C)
-­‐
Il
a
une
structure
idenKque
chez
tous
les
organismes
vivants
-­‐
Sa
réplicaKon
et
sa
transmission
induisent
des
variaKons
-­‐ Une
évoluKon
permanente
des
génomes
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

26. 26
Les
génomes
végétaux
et
leur
séquençage
>
20
Espèces
végétales
séquencées
depuis
2000
Arabidopsis
thaliana.
-­‐
La
taille
des
génomes
végétaux
varie
de
façon
considérable
Arabidopsis
140
Mb,
Blé
16
000
Mb
(malgré
un
nombre
de
gènes
équivalent
par
génome
;
~
30
000
gènes)
-­‐
Une
fracKon
importante
de
certains
génomes
est
consKtuée
de
séquences
dites
non
codantes
et/ou
répétées
(e.g.
transposons).
Cassava
Sorghum
Potato
Tomato
Maize
Sugarcane
Papaya
Medicago
Genome
size
of
all
published
crop
genomes
(shown
in
green)
and
the
five
most
important
producKon
crops
with
unpublished
genome
sequences
(shown
in
blue)..
Morell
et
al.
(2012)
Nature
Review
GeneKcs,
13:85-­‐96
Nature Reviews | Genetics
18,000
16,000
14,000
12,000
10,000
8,000
6,000
4,000
2,000
0
Genome size (Mb)
No published sequence
Published sequence
Average angiosperm
Cucumber
Peach
Strawberry
Foxtail millet
Cacao
Rice
Grape
Pigeonpea
Soybean
Sugar beet
Barley
Bread wheat
Orange
Figure 1 | Crop genome size. Genome Lepiniec
size of L.
all Séminaire
published Biotechnologies
crop genomes -­‐
9
et
10
(shown février
2012
in green) and the five most
important production crops with unpublished genome sequences (shown in blue). The average angiosperm genome

27. 27
• Inventaire
Bénéfices
directes
du
séquençage
des
génomes:
des
gènes
«puta3fs»
grâce
aux
ouKls
bioinformaKques
• Etude
de
leur
polymorphisme
(génotypage),
caractérisaKon
des
allèles
• Etude
de
l’expression
de
ces
gènes
(puces
à
ADN,
ESTs
etc…)
• SimplificaKon
du
lien
entre
phénotype
et
gène
impliqué
(marqueur)
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012
From
M.
Caboche

28. 28
Iden3fica3on
de
gènes
par
comparaison
des
génomes
51
La cartographie comparée
Amidon-Waxy
Hauteur
des plantes
Grain rouge
Absence
de ligule
Génome
de l’espèce :
Blé 1
Maïs
Date de
Riz
floraison Numéro
6
5
du chromosome
Zone de
présence d’un
caractère :
Source : Devos et Gale, 1997
X
Basée
sur
la
conservaKon
de
la
co-­‐localisaKon
/
de
l’ordre
des
loci
homologues
le
long
des
chromosomes
(synténie)
due
à
la
parentée
évoluKve
des
génomes
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

29. U3lisa3on
de
marqueurs
moléculaires
pour
la
selec3on
29
- Il est beaucoup PRECIS et RAPIDE de suivre un caractère avec un marqueur moléculaire
qu’à partir du phénotype (mesure indirecte et relative du caractère)
- Exemple de l’introgression du gène Bt d’une lignée donneuse dans une lignée cultivée
Phenotype:
résulte
de
l’expression
d’un
caractère
et
de
son
interacKon
avec
l’environnement
Photo credit LemnaTec; Anderson, L.K.et al.. (2006).
La sélection assistée par marqueurs
Exemple de l’introgression du gène Bt Chromosome
I
CG100
CG161
CG259
CG363
CG320
Bt
CG415
CG263
CG378
CG264
CG489
CG324
CG312
CG267
CG143
CG246
Back-cross 1
Chromosome
I
CG100
CG161
CG259
CG363
CG320
CG415
CG263
CG378
CG264
CG489
CG324
CG312
CG267
CG143
CG246
Bt Back-cross 2
Chromosome
I
CG100
CG161
CG259
CG363
CG320
CG415
CG263
CG378
CG264
CG489
CG324
CG312
CG267
CG143
CG246
Back-cross Lignée élite
Source
:
GNIS
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

30. +
simples
et
faciles
à
caractériser,
changement
d’un
nucléoKde
30
U3lisa3on
de
marqueurs
moléculaires
pour
la
caractérisa3on
de
loci
d’intérêt
Deux
grandes
approches
pour
établir
le
lien
entre
un
phénotype
et
un
génotype
(des
allèles)
Le
principe
est
toujours
d’étudier
la
co-­‐ségréga3on
Etude
de
liaison,
en
descendance
de
2
parents
connus
entre
un
phénotype
et
des
marqueurs
ADN
Géné3que
d’associa3on
En
uKlisant
la
diversité
généKque
naturelle
QTL
(QuanKtaKve
Trait
Loci)
LD
(Linkage
Desequilibrium)
-­‐
Deux
types
d’évolu3ons
importantes
concernent
-­‐ Développement
de
marqueurs
(SNP),
l’uKlisaKon
de
puces
de
génotypage
très
denses
et/ou
le
débit
du
“re-­‐séquençage”.
Voir
Morell
et
al.
(2012)
Crop
genomics
:
advances
and
applicaKons,
Nature
Review
GeneKcs
-­‐ la
généra3on
d’un
nouveau
type
de
popula3ons
“intermédiaires”
qui
combinent
celles
présentées
(croisements
de
parents
mulKples)
-­‐
Ouvrent
la
voie
à
des
approches
plus
globales
de
sélec3on
génomique
(combinaisons
d’allèles)
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

31. 31
Les
origines
des
muta3ons
et
leurs
u3lisa3ons
-­‐
Les
mutaKons
s’accumulent
en
permanence
avec
les
généraKons
(erreurs
de
réplicaKon
et/ou
de
réparaKon
de
l’ADN)
-­‐ Cege
accumulaKon
peut-­‐être
sKmulée
par
la
présence
d’agents
mutagènes
-­‐ biologiques
(inserKon
de
retrovirus,
transposons),
-­‐ physiques
(rayonnements),
ou
chimiques
et
-­‐ Et
l’échange
de
matériel
géné3que
avec
d’autres
espèces
-­‐
Les
mutaKons
sont
de
nature
diverse
• AAATGCATAAAA
TGCTAGGTCCGCCGATATATAACCC
Séquence
ancestrale
• AAATGCATAATA
TTCTAGGTCCGCCGATATATAACCC
Ponctuellle
• AAATGCATAAAA
TGCTAGGT-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐ATATATAACCC
DéléKon
• AAATGCATAAAA
TGCTAGGTCCGCCGGGCGGCCCATATATAACCC
InserKon
• Elles
consKtuent
la
base
de
la
sélecKon
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

32. Exemple
de
muta3ons
spontanées
sources
de
diversité
32
Chou-fleur
Romanesco
Bruxelles
Chou cultivé
Chou sauvage
Broccoli
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

33. Acquisi3on
de
gènes
par
croisements
interspécifiques
:
33
Exemple
de
la
tomate
10
%
du
génome
(3000
gènes)
des
tomates
culKvées
proviennent
de
croisements
avec
d’autres
espèces
L. esculentum
L. pimpinellifolium*
L. cheesmanii*
L. parviflorum
L. chmielewskii
L. chilense
L. hirsutum*
L. pennellii*
L. peruvianum*
From
www.eu-­‐sol.net
Lycopersicon
ancestral
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

34. 34
Les
croisements
interspécifiques
spontanés,
le
blé
Triticum urartu
Ae. Section Sitopsis
Triticum æstivum
Génome
A
Génome
B
Génome
D
Blé dur
Blé tendre
Espèces
créées
par
croisements
interspécifiques
spontanés
:
blé,
hexapolyploïdes
cotonnier,
colza,
moutarde
brune,
fraisier,
tabac,
peuplier,
pêcher-­‐amandier,…
Adapté
de
G.
PelleKer
Triticum aestivum
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

35. Polyploïdisa3on,
une
source
importante
de
diversité
Figure
1
-­‐
Schema3c
phylogene3c
tree
of
flowering
plants.
BR1
–
monocots+eudicots
duplicaKon;
BR2
–
Eudicot-­‐wide
duplicaKon;
BR3
–
Core
eudicot-­‐wide
duplicaKon;
BR4
–
Rosid-­‐wide
duplicaKon.
Y
Jiao
et
al.
(2012)
A
genome
triplicaKon
associated
with
early
diversificaKon
of
the
core
eudicots
35
Genome
Biology
2012,
13:R3
C’
est
une
duplica3on
du
génome
Peut
être
naturelle
Caféier
arabica
(4X=44),
Dactyle
(4X=28),
Luzerne
(4X=32)…
• Des
plantes
aujourd’hui
considérées
comme
diploïdes
sont
d’anciens
tétraploïdes.
Ex
Maïs,
vigne,
Peuplier,
fraisier
• Mise
sen
évidence
d’au
moins
3
duplicaKons
successives
chez
les
dicotylédones
Peut
être
induite
induite:
1937,
Blakeslee
découvre
l’acKon
de
la
colchicine
Est
à
l’origine
de
très
nombreuses
muta3ons
-­‐ Remaniements
chromosomiques
-­‐ InserKons
et
déléKons
-­‐ AcKvaKon
de
transposons
-­‐ Dérive
rapide
/
néofoncKonalisaKon
(baisse
de
la
pression
de
sélecKon
-­‐ RégulaKons
épigénéKques
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

36. 36
Les
transposons
Liseron
Sélection vers 1940, insertion d’un helitron,
from Choi et al., Plant Journal 2007)
Choux fleur
Sélection vers 1975, insertion d’un
retrotransposon (Lu et al., Plant Cell 2006)
Photo: www.acenologia.com
insertion d’un retrotransposon
(Kobayashi et al., Science 2004)
-­‐ Ce
sont
des
éléments
généKques
mobiles
responsables
de
nombreuses
mutaKons
sélecKonnées
en
amélioraKon
Adapté
de
F.
Nogué
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

37. 37
PA
C HIAM
S ER AUP
FOR TUNA B ESAR
15 MAR ONG UNKNOWN
PA R OC
B LUE
ROSE
B PI
76 R EX OR O SUPR EME
KIT C HILI
S AMB A
original rice genome
S INAWPA GH
UNKNOWN
Mutations
C INA LA T IS A IL TEX AS R SB R GEB 24
PA TNA B LUE
B ONNET
PETA
DGWG C P231 S LO
17 B ENONG
IR 86 C P
SLO
17 S IGA DIS
IR 95
Inversions
IR 127
IR 8 C HOW
S UNG IR 262
IR 1103 TADUKAN V E LLA IKA R
IR 400 T S A I
Y UA N
C HUNG
IR 1006 MUDGO
TETEP
IR 1163 IR 238 TN1
IR 1416 IR 1641
IR 1402
IR 22 TKM6 IR 746A
IR 1704
O.
nivara
IR 1870 IR 1614
IR 2006 IR 579 IR 747 IR 24/
IR 661 IR 1721
IR 773
A B PI
121 GAM
PAI
IR 1915
B IR 1833 GAM
PA I
15 IR 1561 IR 1737
IR 1916 IR 833 IR 2040
IR 2146 IR
2055
IR 2061
IR 5236 IR 5338 Ultimate Landraces
GAM PAI TSAI YUAN CHUNG
IR 5657 DEE GEO WOO GEN BENONG
CINA Unknow n
IR 18348 LATISAIL CHOW SUNG
TADUKAN MUDGO
IR 64 KITCHILI SAMBA TETEP
PA CHIAM SINAWPAGH
SERAUPBESAR 15 UNKNOWN (JAPANESE)
NAHNG MON S 4 O. nivara (IRGC 101508)
VELLAIKAR MARONG PAROC
C O
18
NA HNG
MON
S 4
NMS
4
IR 64
è
Recombinations Translocation
s
Deletions
è
Accumula3on
de
ces
muta3ons
pour
créer
un riz cultivé
Slide courtesy of Ingo Potrykus
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

38. 38
U3lisa3on
de
la
mutagenèse
La
mutagenèse
ar3ficielle
est
très
u3lisée
depuis
le
milieu
du
20ème
et
la
démonstraKon
de
l’héritabilité
des
altéraKons
(mutaKons)
provoquées
par
les
radiaKons
(1927),
puis
la
diversificaKon
des
agents
mutagènes,
physique
(rayons, γ,
UV,
X),
chimiques
-­‐
En
2000,
+
de
2200
variétés
recensées
par
la
FAO
sont
issues
de
mutagenèses
ar3ficielles
1948,
Begerave
mutaKon
monogerme
(démariage
inuKle)
1986
Pois
proteagineux
mutaKon
«
afila
»
facilitant
la
récolte
1930
Rose
Couleur
orangée
ajoutée
à
la
palege
de
couleurs
1984
Pamplemousse
Aspermie,
Couleur
rouge
de
la
pulpe
1985
Cerisier
AutoferKlité
1970
Riz
Qualité
du
grain
1976
Tournesol
richesse
en
acide
oléique
1985
Forsythia
Port
compact
+
Orge
à
brasserie
semi-­‐nanisme
(plus
de
150
variétés)
+
Colza
richesse
en
acide
oléique.
/
RéducKon
acide
linolénique,
glucosinolates
-­‐ Une
nouvelle
méthode,
le
TILLING
(Targeted
Induced
Local
Lesion
IN
Genome)
permet
de
faire
de
la
«
généKque
réverse
»,
c’est
à
dire
d’idenKfier
des
mutants
affectés
dans
un
gène
donné
(dont
on
connaît
la
foncKon)
et
pour
lequel
on
cherche
de
nouveaux
allèles
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

39. 39
Conclusions
• Les
mutaKons
sont
donc
à
la
base
de
l’évoluKon,
de
l’adaptaKon
des
espèces,
de
la
domesKcaKon
ou
de
la
sélecKon.
• Les
données
génomiques
montrent
que
le
monde
vivant
consKtue
un
pool
de
gènes
qui
évolue
en
permanence
• La
quasi
unicité
du
code
généKque
permet
des
transferts
«
horizontaux
»
nombreux
et
variés
-­‐ Cas
des
α-­‐protobactéries
⇒
Mitochondries
…⇒Champignons,
Animaux
-­‐ Cas
des
cyanobactéries
(photosynthéKques)
⇒
Chloroplastes
⇒
Plantes
Archaea
J.R.
Brown
(2003)
Nature
Reviews
GeneKcs
Euryarchaeota
Animals
Plants
Slime moulds
Korarchaeota Crenarchaeota
Low G+C
gram
positives
a
b
Thermotogales
Eukaryotes
Fungi
Microsporidia
Entamoeba
Apicomplexa (such as Plasmodium)
Euglena
c
'Cenancestor'
Kinetoplasta (such as Trypanosoma)
Parabasalia (such as Trichomonas)
Metamonda (such as Giardia)
Mitochondrial loss
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012
R E V I E W S
Box 1 | The universal tree of life
High G+C
gram
positives
Bacteria
δ/ε purples
α purples
γ/β purples
Spirochaetes
Fusobacteria
Flexibacter/Bacteriodes
Cyanobacteria
Thermus
Aquifex
Putative origins of organelles
Chloroplasts
Mitochondria
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012
In the late 1970s,Woese,Fox and co-workers15,16 pioneered the molecular systematics of prokaryotes. DENDOGRAMSbased

40. 40
Le
Génie
Géné3que
naturel
d’Agrobacterium
Elysia
chloroMca
0,5
mm
LB
ADN-T
simple
brin
VirD2
Rumpho
et
al,
2008,
PNAS,105(46)
17867
Agrobacterium
tumefaciens
AttR L’arrimage de la bactérie à la cellule
végétale est contrôlé par les produits
de quelques gènes
du chromosome bactérien
Chv
CelA
VirG+PO
4
Gènes vir
Plasmide Ti
ADN-T
RB
Vir B
VirD2
VirE2
ADN-T
VirA
Oses,
acides organiques,
phénols...
Paroi végétale
Cellule
végétale
blessée
VirE2
Opine
Auxine
Cytokinine
Cellule végétale
viable et activée
Membrane
nucléaire
Chromosome
végétal
ADN-T
double brin
Noyau végétal
Chloroplaste
Y.
Chupeau
(2001)
M&S
Figure 3. Un processus naturel de transfert d’ADN. Les agrobactéries ont développé la capacité d’exciser une
portion d’un plasmide particulier (Ti), puis de l’exporter en l’adressant efficacement aux noyaux de cellules végé-tales.
Après l’ancrage, par les produits de gènes chromosomiques, d’une agrobactérie sur la paroi d’une cellule
A.
rhizogenes
sur
Kalanchoe,
INRA
A.
tumefaciens
sur
Tabac,
Y.
Chupeau
(2001)
M&S
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

41. 41
Plan
• Introduc3on
– Enjeux
sociétaux
et
amélioraKon
des
plantes
– De
la
domesKcaKon
aux
praKques
actuelles
• Les
apports
des
biotechnologies
– Biologie
cellulaire
et
régénéraKon
– Biologie
moléculaire
et
Génomique
– CréaKon
et
uKlisaKon
de
la
biodiversité
moléculaire
• La
transgénèse
– Bases
cellulaires
et
moléculaires
de
la
transgénèse
– Exemples
d’uKlisaKons
potenKelles
– Etat
actuel
des
cultures
• Conclusions
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

42. 42
Bases
théoriques
de
la
transgenèse
• Universalité du code génétique:
• Rend possible l’utilisation de la séquence d’un gène
quelle que soit son origine: plante, bactérie, animal
• Existent des vecteurs de transfert de gènes
• Font pénétrer un fragment d’ADN dans la cellule
et le génome végétal
• Biologique (agrobacteries, virus)
• Physiques (biolistique, injection, électroportation),
• Chimiques (PEG, liposomes)
• Totipotence cellulaire :
• Rend possible la régénération de plantes entières
à partir d’une cellule (pas forcément nécessaires avec
certains vecteurs biologiques)
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012
adapaté
de
C.
PanneKer

43. 43
Historique
de
l’ingénierie
géné3que
végétale
A.
rhizogenes
sur
Kalanchoe,
INRA
1907,
Agrobacterium
tumefaciens
agent
de
la
galle
du
collet
1968,
Transfère
d’informaKon
et
producKon
d’une
opine
(G.
Morel)
1975,
Plasmide
Ti
porteur
du
principe
tumoral
(Schell,
Van
Montagu)
1977,
Transfert
d’ADN
du
plasmide
Ti
dans
la
cellule
végétale
(Chilton,
Nester)
1982,
Plantes
transformées
par
exploitaKon
d’A.
rhizogenes
(Chilton,
Tempé)
1983,
Tabacs
transgéniques
résistants
à
un
anKbioKque
(Van
Montagu
et
Schell
/
Bevan,
Flavell
and
Chilton)
1984,
transfert
direct
de
gènes
dans
des
protoplastes
et
régénéraKon,
(Paskowski,
Caboche)
1985,
Premiers
essais
en
champ
de
plantes
transgéniques
aux
USA
1986,
Premières
plantes
résistantes
à
un
herbicide
1987/1993
TransformaKon
«in
planta»
d’Arabidopsis
(Feldman,
PelleKer)
1994,
1er
PGM
mis
sur
le
marché
(Tomate
FlavSav)
Calgene
1995,
Mise
sur
le
marché
de
soja,
maïs
et
coton
transgénique
aux
USA.
1998,
AutorisaKon
de
vente
de
3
variétés
de
maïs
en
France,
qui
devient
le
premier
pays
européen
à
culKver
des
PGMs
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

44. 44
Les
étapes
de
la
transgenèse
27
Le s é t a p e s d e l a t r a nsg é n è s e
Id e n t i f i e r
u n g è n e d ’ i n t é r ê t
su r u n o r g a n isme d o n n e u r
bact érie,
plant e…
Tr a nsf é r e r
l e g è n e
Ré g é n é r e r
E v a l u e r
l ’ e x p r e ssi o n
d u g è n e
Inco r p o r e r
p a r d e s cro is eme n ts
d a ns u n e v a r i é t é
co m me rci a l e
Tr a nsf o rma t i o n
b i o l o g i q u e
Tr a nsf e r t d i r e ct
Iso l e r
l e g è n e d ’ i n t é r ê t
In t é g r e r
l e g è n e d ’ i n t é r ê t d a ns u n e
co nst r uct i o n g é n é t i q u e
Mu l t i p l i e r
l a co nst r uct i o n
g é n é t i q u e
microparticules Agrobact erium
enrobé es
d’ADN
Sé l e ct i o n d e s c e l l u l e s
t r a nsf o rmé e s
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012
Source
:
GNIS

45. www.labomics.com
Grizot
et
al.
(2010)
NAR
45
Limita3on
de
la
transgénèse
Le
site
d’inserKon
dans
le
génome
reste
aléatoire
(effet
de
posiKon
sur
l’expression
du
transgène
ou
créaKon
de
mutaKons).
Les
évènements
de
transformaKon
sont
donc
parfois
similaires
à
des
mutaKons
«classiques».
Il
serait
uKle
de
pouvoir
cibler
les
modificaKons
Des
technologies
d’ingénierie
moléculaires
sont
en
cours
de
développement
Les
Nucléases
à
domaine
en
doigt
de
Zn
(ZFNs)
Les
Méganucléases
Les
protéines
TALEs
(TranscripKon
AcKvator-­‐Like
Effectors)
M.
Mahfouz
and
L.
Li
(2012)
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012
Figure 1. Representation of TALEs structural features and the possible functional domains to generate

46. Les domaines d’application de la transgénèse
L’agronomie
• La résistance à des insectes
• La résistance à des maladies
• La résistance à des herbicides
L’alimentation
• Les qualités nutritionnelles
• La maturation des fruits
• La transformation
agro-alimentaire
L’industrie
Les applications
de la transgénèse
• Les pâtes à papier
• Les huiles industrielles
• Les colorants
La santé
• Les produits sanguins
• Les vaccins
• Les protéines humaines
Cf
Ho‡e
H.
36 Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012
46

47. 47
ApplicaKons
agronomiques
:
Les
maladies
et
les
ravageurs
=>
+25%
pertes
des
récoltes
Wheat infected with wheat stem
rust Puccinia graminis
And
from
G.
PelleKer
Fusarium
sur
blé
Oomycetes
Bacteria
Insects
Wheat infected with root Fungi
knot nematode
Epi
de
maïs
Infecté
Larve
de
Pyrale
par
Fusarium
Tige
de
maïs
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

48. 48
Jaunisse
nanisante
(orge)
PLRV,
P
de
terre
Les
stratégies
an3virales
sont
parmi
les
premiers
exemples
de
plantes
transgéniques
(1986)
Une
stratégie
générale
consiste
à
acKver
les
mécanismes
de
contrôle
des
virus
en
faisant
produire
à
la
plante
transgénique
des
porKons
du
génome
du
virus,
comme
le
gène
codant
l’enveloppe
de
ce
virus
Premier
essai
en
champs,
1987, résistance à un virus de la Tomate
From
G.
PelleKer
Coat
Protein
Mediated
Resistance
1986,
From
R.
Beachy
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

49. Autre
exemple,
les
résistances
aux
insectes
Très
peu
de
solu3on
conven3onnelle
(ex.
Résistance
aux
pucerons
chez
le
melon.
Limité
à
49
cege
espèce)
Solu3ons
transgéniques
existent
-­‐
ProducKon
par
la
plante
d’une
protéine
de
B.
thuringiensis
toxique
pour
les
larves
de
lépidoptères.
From
G.
PelleKer
and
R.
Beachy
Pyrale
du
maïs
Rem
ProtecKon
simultanée
contre
les
mycotoxines
de
fusarium
(surinfecKon)
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

50. 50
Résistance
/
tolérance
aux
stress
abio3ques
-­‐
Tolérance
aux
métaux
toxiques
-­‐
Stress
hydrique,
de
nombreux
gènes
candidats
testés
Tomates
résistantes
au
sel
(200
mM
NaCl)
Surexpression
d’un
anKport
Na+
Concentre
le
Na+
dans
la
vacuole
Zhang&
Blumwald
-­‐
Nature
Biotech,
2001
transgéniques
WT
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

51. 51
Améliorera3on
de
la
qualité
La
qualité
industrielle
ou
nutri3onnelle
-­‐
AugmentaKon
de
la
teneur
en
huile
de
la
graine
(+40%)
de
colza,
par
sur-­‐expression
d’une
glycérol
3P
deshydrogénase
de
levure,
Vigeolas
et
al.
2007,
Plant
Biotech
J.)
-­‐
Doublement
de
la
teneur
en
sucre
de
la
canne
à
sucre
par
expression
d’une
isomérase
bactérienne
qui
transforme
le
saccharose
en
iso-­‐
maltulose
qui
se
trouve
séquestré,
Shiromani
et
al.,
2011,
Plant
Biotech
J.)
-­‐
L’adaptaKon
de
la
biomasse
lignocellulosique
à
ses
usages
(cf.
H.
H.)
-­‐
La
modificaKon
de
la
structure
de
l’amidon
(cf.
S.
B.)
-­‐ Autres
-­‐
ModificaKon
de
la
nature
et
de
quanKté
d’acides
gras…
-­‐
producKon
de
flavonoïdes
chez
le
riz
-­‐
inhibiKon
des
allergènes
de
tomate
-­‐
riz
riche
en
provitamine
A
(riz
doré)
-­‐
Maïs
enrichi
en
lysine
et
tryptophane
(par
sélecKon
ou
transgénèse)
…
Wild-type (top) and
antioxidant-enriched
tomatoes
β-carotene makes
the rice look
golden
Iron-enriched rice
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

52. Figure 2 Carotenoid enhancement endosperm by transformation and crtI. (a) Schematic used to generate transgenic T-DNA comprised the rice (Glu) and the first intron gene from castor bean functionally fused to the chloroplast transit peptide phytoene synthase from species (psy), with a nos selectable marker cassette maize polyubiquitin (Ubi1) Lepiniec
hygromycin resistance 52
(b) Photograph of polished Enrichissement
du
riz
en
provitamine
A
:
le
riz
doré
Expression
de
2
gènes,
Psy
de
maïs
et
crt1
d’Erwinia
(Paine
et
al.
2005)
-­‐
Introgression
en
cours
dans
des
variétés
culKvées
et
première
dérégulaKon
agendue
aux
Philippines
en
2012/2013.
LB SSUcrtI nos Glu Psy nos nos
I Ubi1 hpt
Adapté
de
E.
Guiderdoni
Wild Type Np Psy/crtI Zm Psy/crtI
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

53. Research in Cologne.
In Amflora, the gene encoding the key enzyme for the synthesis of amylose, the granule
bound starch synthase (GBSS), was switched off using the so-called antisense method
through which a mirrored copy of the GBSS gene was reinserted into the genome of the
potato.
Starch Potato
20% > 98%
Amylose
2010-03-30 page 5 of Apart from the intended change in the composition of its starch, Amflora maintains all the
53
Autre
exemple
d’applica3on
industrielle
Pomme
de
Terre
produisant
Uniquement
de
l’amylopecKne
(AmfloraTM,
BASF,
InacKvaKon
de
la
Granule
Bound
Starch
Synthase)
Ø Iitérêts
industrielles
:
Ø Epaississant
(amidon
de
haut
poids
moléculaire,
de
faibles
teneurs
en
lipide
et
protéines),
transparent,,
bonne
solubilité,
characteristics of its mother variety, the starch potato variety Prevalent.
Ø Papier,
adhésifs,
texKles,
construcKon,
cosméKques
Amflora
Starch
potato
Potato
starch
Content
100%
Amylopec3n
80%
Amylopectin
Amylopectin
Switched
off gene for
key enzyme
of amylose
synthesis
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

54. 54
Le
développement
du
“molecular
farming”
Nombre
de
producKon
de
protéines
pour
la
santé
et
l’industrie
Lo
̈ıc
Faye
and
Veronique
Gomord
(2010)
Plant
Biotechnology
Journal
Volume
8,
Issue
5,
pages
525-­‐528,
Publishing activity in molecular farming classified per product (original papers). *From January to August 2009.
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

55. 55
Bilan:
les
OGM
dans
le
monde
(2011)
-­‐
160
millions
d’hectares
d’OGM
culKvées
(+
10%
surfaces
culKvées
mondiales,
+
8%
/2010),
-­‐ 29
Pays
au
total,
50%
dans
les
PED
.
USA
(69
millions
ha),
Brésil
(30),
ArgenKne
(24),
Inde
(11),
Canada
(10),
Chine
(4),
Paraguay
(3),
Pakistan
(3)
Afrique
du
Sud
(2
millions)
-­‐
La
Chine
invesKt
2,4
milliards
d’euros
sur
12
ans
dans
un
programme
massif
«OGM»
C.
James
ISAAA
2012
Source
ISAAA
2011
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

56. 56
11
plantes
cul3vées
en
2011,
-­‐
4
principales
soja
(75%
en
PGM),
coton
(82
%),
maize
(32%),
colza
(26%),
-­‐
mais
aussi
la
begerave
sucrière,
luzerne,
Papaye,
courge,
peuplier,
poivron
doux,
tomate,
pomme
de
terre,
+
riz
en
cours
et
26
espèces
avec
des
évènements
approuvés
Global Area of Biotech Crops, 1996 to 2011:
Crop (Million Hectares, Million Acres)
Global Area of Biotech Crops, 1996 to 2011:
By Crop (Million Hectares, Million Acres)
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012
Surfaces
culKvées
en
Millions
hectares
I S A A A
80
70
198
173
60
148
50
124
40
99
30
74
20
49
10
25
0
Soybean
Maize
Cotton
Canola
I S A A A
80
70
60
50
40
30
20
10
2009 2010 2011
Soybean
Maize
Cotton
Canola
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011
Acres
Source: Clive James, 2012
I S A A A
0
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011
M Acres
0
Source: Clive James, 2012

57. 57
Conclusions
-­‐
Les
espèces
évoluent
conKnuellement
et
les
hommes
ont
mis
à
profit
cege
variabilité
pour
adapter
les
végétaux
culKvés
à
leurs
besoins.
Il
sera
toujours
nécessaire
d’améliorer
les
plantes
pour
répondre
à
l’évoluKon
des
contraintes
bioKques
par
exemple
(maladies,
prédateurs)
et
assurer
des
rendements
minimum.
De
nouveaux
objec3fs
de
qualité
et
de
durabilité
s’y
ajoutent.
-­‐
Les
méthodes
classiques
de
sélec3on
restent
nécessaires,
en
parKculier
pour
les
caractères
quanKtaKfs
et
mulKgéniques.
Le
développement
de
la
génomique
facilite
et
augmente
la
puissance
de
ces
approches
et
ouvre
de
nouvelles
perspec3ves
de
sélec3on
«
génomique
».
-­‐
Les
biotechnologies
permegent
d’élargir
la
base
géné3que
u3lisable
(ex
gènes
bactériens
ou
de
levures)
et,
en
faisant
progresser
les
connaissances,
d’envisager
une
véritable
ingénierie
géné3que.
Elles
permegent
également
de
réduire
considérablement
le
temps
d’introgression
des
caractères
d’intérêt
dans
de
nombreuses
variétés
localement
adaptées
.
-­‐
Les
biotechnologies
ne
modifient
pas
les
contraintes
classiques
qui
s’imposent
à
l’amélioraKon
des
plantes
et
à
l’agriculture
(mainKen
de
la
biodiversité,
appariKons
de
résistances
aux
herbicides,
maladies,
prédateurs
ou
d’effets
non
agendus).
Mais
elles
offrent
des
ouKls
supplémentaires
pour
y
répondre.
-­‐ Que
cela
soit
pour
l’amélioraKon
convenKonnelle
ou
reposant
sur
les
biotechnologies,
la
disponibilité/diffusion
des
ressources
géné3ques
reste
un
facteur
clef
et
stratégique.
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012

58. 58
Remerciements
• P. Colonna
• M. Caboche
• Y. Chupeau
• M. Jullien
• G. Pelletier
• A. Bendahmane
• B. Chaloub
• B. Dubreucq
• E. Guiderdoni
• F. Nogué
• C. Pannetier
• M. Tepfer
• collègues du laboratoire
• INRA
• J. Tempé
• M.D. Chilton
• M. Van Montagu
• J. Schell
• R. Beachy
• GNIS (J. Greffier)
• The Plant Cell
• www.wikimedia.org
Lepiniec
L.
Séminaire
Biotechnologies
-­‐
9
et
10
février
2012