SPECIAL GENOMIQUE VEGETALE
L’INRA au Salon International de l’Agriculture : connaître le
vivant, améliorer les variétés
ACTUALITE DE LA RECHERCHE
Qu’est ce que la génomique ?
Le melon résiste au puceron : à la recherche du gène
responsable
Sélectionner des pommiers résistants aux maladies
pour diminuer l’usage des pesticides
Comprendre l’élaboration du bois pour produire du
papier en respectant l’environnement
Comment les plantes réagissent aux stress : étude
globale de la réponse des gènes
Qu’est-ce que la
génomique ?
Dresser l’inventaire de l’ensemble des gènes d’un organisme pour
étudier leur
fonction : tel est l’objet de l’analyse des génomes, ou “ génomique
”, discipline
née à la fin des années 80. La génomique se compose de deux volets
complémentaires : la génomique structurale qui décrit l’organisation
du génome,
réalise son séquençage et dresse l’inventaire des gènes, et la
génomique
fonctionnelle, qui étudie la fonction des gènes, leur mode de
régulation et leurs
interactions. L’émergence et le développement actuel de la génomique
sont liés
aux progrès des techniques de la biologie moléculaire, en particulier
le
séquençage à haut débit et l’analyse de l’expression des gènes,
ainsi qu’aux
avancées intervenues en bio-informatique.
Génomique structurale
Pour les végétaux, l’analyse des génomes se concentre principalement
sur deux
organismes modèles, le riz et l’arabette des dames (ou Arabidopsis),
représentant les deux grand types de végétaux, respectivement
les monocotylédones et les dicotylédones. Les génomes de ces deux
espèces sont relativement petits et présentent une similitude
avec les génomes des espèces apparentées : les gènes sont le plus
souvent très similaires, et leur organisation sur les chromosomes
est souvent conservée d’une espèce à l’autre. En pratique, cette
ressemblance ne manque pas d’intérêt ; elle permet d’explorer
les génomes les plus complexes à partir de l’analyse des génomes
les plus simples. La séquence du génome d’Arabidopsis est entièrement
connue depuis la fin de l’année 2000. Le nombre de gènes de cette
espèce est estimé à 26000. Le séquençage du riz est en cours.
Génomique fonctionnelle
Au delà de cette connaissance fine du génome, l’enjeu aujourd’hui
est d’élucider la fonction des gènes. Pour y parvenir, on fait
appel à des approches globales du génome.
Ainsi, il est aujourd’hui possible d’étudier de façon simultanée
l’expression de la totalité des gènes d’Arabidopsis, grâce à la
technique des puces à ADN. Ceci renseigne sur la fonction de grands
ensembles de gènes (développement des organes de la plante, résistance
aux stress, …). L’autre méthode largement utilisée consiste à
inactiver, ou au contraire faire surexprimer un gène pour observer
des anomalies dans le développement des plantes, et en déduire
le rôle du gène. Moins de 5% de la fonction des gènes d’Arabidopsis
est connue à ce jour.
Enjeux pour l’amélioration des plantes
La génomique embrasse l’ensemble du génome. Les objets de cette
génomique ne sont donc pas les composants individuels d’un système
biologique, mais bien le système considéré dans sa globalité.
Dans le sillage de ces travaux, se profile pour la recherche sur
les plantes une nouvelle période, où l’étude globale du génome
devient partie intégrante de la biologie végétale et la renouvelle
: c’est l’émergence de la biologie intégrative, capable d’appréhender
les phénomènes biologiques depuis la molécule jusqu’à l’organisme
en situation réelle dans son environnement. Au delà des connaissances
fondamentales, c’est l’amélioration des plantes et la conservation
des ressources génétiques qui devraient à terme profiter de ces
avancées scientifiques.
Contacts scientifiques:
David Bouchez, Laboratoire de Biologie Cellulaire, Centre INRA
de Versailles
Herman Höfte, Laboratoire de Biologie Cellulaire, Centre INRA
de Versailles
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Presse Info Janvier 2001
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Le melon résiste
au puceron : à la recherche du gène
responsable
Le gène Vat, qui confère au melon
une résistance aux attaques de pucerons, est sur le point d’être
isolé par une équipe de l’INRA1. L’existence de ce gène a été
mise en évidence au début des années 80 à l’INRA chez une variété
de melon d’origine coréenne. Il a depuis été introduit, grâce
à des croisements classiques, dans près de 80% des variétés de
melon cultivées actuellement en France. L’isolement du gène permet
d’envisager de le transférer, par transgénèse, à d’autres espèces
que le melon. Connaître la fonction de ce gène à l’échelle moléculaire
doit permettre de comprendre les mécanismes de la résistance au
puceron, ce qui pourrait déboucher sur la mise au point de nouvelles
stratégies de lutte.
Percer le mystère des relations
plante-puceron
Le mécanisme moléculaire par lequel ce gène confère une résistance
au puceron demeure inconnu. Les chercheurs ont seulement pu caractériser
cette résistance : elle est spécifique à l’espèce de puceron Aphis
gossypii, qui est la principale espèce de puceron identifiée sur
le melon. Son mode d’action est double : elle empêche que les
colonies de pucerons s’installent sur les organes de la plante
et elle rend impossible la transmission par le puceron des virus
dont il est habituellement le vecteur2. Isoler le gène doit permettre
de comprendre les bases moléculaires de ce double mécanisme, ce
qui pourrait permettre la mise au point de nouvelles méthodes
de lutte contre les pucerons, comme par exemple des bio-insecticides.
On peut également envisager de transférer le gène, par transgénèse,
à d’autres espèces de plantes sensibles à ce puceron, comme par
exemple le cotonnier.
Encadrer le gène pour l’isoler
Pour pouvoir isoler un gène au sein d’un génome qui en contient
plusieurs milliers, la stratégie utilisée consiste à délimiter
de façon aussi précise que possible la portion du génome dans
laquelle on va rechercher ce gène. On commence donc par baliser
le génome de la plante avec de nombreux points de repère (les
marqueurs moléculaires du génome), régulièrement répartis. Il
faut ensuite identifier les marqueurs qui encadrent au plus près
le gène. Pour cela, on effectue des croisements entre plantes
résistantes et non résistantes : les marqueurs les plus proches
du gène sont ceux qui sont toujours présents chez les plantes
résistantes. Parallèlement, les chercheurs ont constitué une collection
de fragments d’ADN de grande taille issus d’une plante résistante,
donc porteuse du gène. Ils ont ensuite recherché (et isolé), au
sein de cette collection, un fragment portant les marqueurs qui
flanquent le gène, et qui contient donc le gène. Il s’agit maintenant,
par approximations successives, d’isoler un petit fragment d’ADN
qui contienne les deux marqueurs. Le gène recherché peut alors
être localisé en analysant la séquence d’ADN ou en utilisant la
transgénèse : si un fragment d’ADN, introduit dans une plante
sensible, la rend résistante, c’est qu’il est porteur du gène
recherché.
(1) Ce travail dit de “ clonage positionnel ” du gène Vat est
mené dans le cadre du Groupement d’Inétrêt Scientifique Génoplante.
(2) d’où la dénomination Vat : Virus Aphid Transmission resistance
Contacts scientifiques :
Michel Pitrat, Unité de Génétique et amélioration des fruits et
légumes, Centre de recherche d’Avignon
Abdelhafid Bendahmane, Unité de Génomique végétale, Centre de
recherche de Versailles-Grignon
Presse Info - janvier 2001
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Sélectionner des pommiers résistants
aux maladies
pour diminuer l’usage des pesticides
La lutte chimique contre les champignons parasites du pommier
peut conduire à effectuer une trentaine de traitements par an.
L’INRA coordonne un programme de recherche européen, D.A.R.E
1, qui vise à obtenir des variétés de pommiers résistantes
à la tavelure et à l’oidium, les deux principaux champignons attaquant
le pommier. Ce projet, lancé en 1998, a déjà permis d’identifier
de nouveaux gènes de résistance et de les localiser sur le génome
du pommier. Il sera ainsi possible de créer de nouvelles variétés
pour substituer les variétés actuelles, trop sensibles aux champignons
parasites. Ceux-ci présentent par ailleurs plusieurs races susceptibles
d'évoluer. Les chercheurs disposent désormais d’une méthode issue
des progrès de la génomique, la sélection assistée par marqueurs.
Elle permet de repérer, beaucoup plus facilement que par les moyens
classiques, les descendants d’un croisement qui portent les meilleures
combinaisons de gènes de résistance.
Les chercheurs de l’INRA ont testé la résistance à la tavelure
de pommiers issus du croisement entre deux variétés, Prima et
Fiesta. Ils ont ainsi identifié une nouvelle résistance basée
sur un gène unique, dénommé Vg, et ont localisé ce gène sur la
carte du génome du pommier. Ce gène ne confère la résistance totale
qu'à une seule race du champignon. En utilisant une démarche similaire,
les chercheurs ont également identifié et localisé plusieurs régions
du génome impliquées dans une résistance partielle, sous le contrôle
de plusieurs gènes.
La résistance basée sur un seul gène (monogénique) est facile
à introduire par croisement mais présente l’inconvénient d’être
facilement contournée par de nouvelles races du parasite. Ainsi,
le gène Vf de résistance à la tavelure, largement présent dans
les variétés récemment introduites, est actuellement mis en défaut
par de nouvelles souches présentes dans plusieurs pays européens.
D’où l’intérêt d’associer, dans une même variété, des résistances
monogéniques et des résistances basées sur plusieurs gènes (polygéniques).
La combinaison de différentes résistances pourrait donner des
résistances durables face à l'évolution potentielle des champignons.
Sélectionner une variété de pommier cumulant plusieurs modes de
résistance (et pour plusieurs parasites) est très complexe : il
est ainsi difficile de repérer parmi les descendants d’un croisement
les meilleurs combinaisons de gènes, car les gènes de résistance
totale masquent généralement la présence de gènes de résistance
partielle.
De plus, l’expérimentation de nombreuses souches de champignons
sur de nombreux descendants d’un croisement est très lourde. D’où
l’intérêt des marqueurs moléculaires du génome : il s’agit de
point de repères, répartis régulièrement sur l’ensemble du génome,
qui permettent de vérifier, par un simple test sur l’ADN, la présence
dans une plante de gènes que l’on cherche à sélectionner.
Etudier les bases génétiques de la résistance et développer de
nouvelles méthodes de sélection ne suffit pas à mettre au point
de nouvelles variétés : il faut également étudier la diversité
des souches des champignons pathogènes et identifier des ressources
génétiques (variétés traditionnelles et modernes, espèces sauvages
apparentées) pouvant constituer de nouvelles sources de résistance.
Il faut également étudier l’intérêt que les consommateurs portent
à des aliments minimisant l’usage de pesticides. Tous ces volets
sont abordés dans ce projet européen, qui réunit les chercheurs
de huit pays et un groupement de pépiniéristes.
(1) D.A.R.E : Durable Apple Resistance in Europe
Contact scientifique :
Yves Lespinasse, Unité d'Amélioration des Espèces Fruitières et
Ornementales, INRA Angers
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Comprendre
l'élaboration du bois pour produire du papier en respectant l’environnement
Le peuplier est une espèce utilisée pour la production de pâte
à papier.
Fabriquer du papier consiste essentiellement à éliminer la lignine,
substance présente dans le bois qui entraîne un jaunissement du
papier. Les traitements utilisés, chimiques et thermiques, peuvent
être coûteux et polluants. Les chercheurs de l'INRA, en association
avec des chercheurs d'autres laboratoires dans le cadre de projets
Européens, ont mis au point des peupliers génétiquement modifiés
produisant moins de lignine. Ce résultat est le produit de nombreuses
années de recherches fondamentales sur les mécanismes de formation
du bois dans la plante. Au cours de cette période, les méthodes
de la biologie ont connu une véritable révolution, depuis les
approches désormais classiques de la biochimie jusqu'aux moyens
les plus modernes de la
génomique.
De la biochimie au génie génétique
Grâce aux moyens du génie génétique, les chercheurs ont inactivé
des gènes impliqués dans la synthèse de la lignine chez le peuplier,
pour mieux en comprendre les fonctions. Ces gènes avaient été
identifiés à partir des années 1980, grâce à la purification des
enzymes dont ils gouvernent la synthèse. Ainsi, l'enzyme CAD (alcool
cinnamylique deshydrogénase) est impliquée dans la production
des constituants élémentaires de la lignine. L'inactivation du
gène de l’enzyme CAD entraîne une diminution de la teneur du bois
en lignine, mais aussi, de façon plus surprenante, un changement
de structure. Les lignines produites sont composées de chaînes
plus courtes et s'éliminent plus facilement dans le processus
de fabrication du papier. On conçoit donc l'intérêt de peupliers
sous-exprimant la CAD pour cette production.
Le test grandeur nature
Encore fallait-il s'assurer que ces résultats, obtenus sur des
peupliers de six mois cultivés sous serre, se vérifiaient sur
des arbres produits en conditions de sylviculture classique. Des
peupliers transgéniques sous-exprimant diverses enzymes, dont
la CAD, sont cultivés en champ expérimental (avec l'autorisation
préalable de la Commission du Génie Biomoléculaire). Après quatre
ans de culture, les chercheurs ont pu vérifier que, au moins pour
une lignée transformée, la croissance était normale, que la sous-expression
des enzymes était durable dans le temps, et que les peupliers
sous-exprimant l’enzyme CAD donnaient une pâte à papier plus facile
à traiter que les peupliers non transformés.
La biosécurité avant tout
Les expérimentations menées en champ expérimental sont effectuées
en respectant des conditions très strictes afin d’éliminer tout
risque pour l'environnement, notamment les éventuels impacts sur
les peuplements naturels.
D’Arabidopsis au peuplier : l’apport de la génomique
La méthode d’inactivation des gènes a montré que la voie de biosynthèse
des lignines était plus complexe que ne le laissaient prévoir
les approches biochimiques. Les chercheurs travaillent aujourd'hui
à l'identification d'autres gènes, en utilisant cette fois les
méthodes les plus modernes de la génomique : ils ont en effet
observé qu’Arabidopsis, la plante modèle de la biologie végétale,
produisait le même type de lignine que le peuplier. Ce détour
par Arabidopsis permettra d'identifier beaucoup plus facilement
les gènes correspondant chez le peuplier.
Contacts scientifiques :
Lise Jouanin, Laboratoire de biologie cellulaire, centre INRA
de Versailles-Grignon
Catherine Lapierre, Laboratoire de chimie biologique, centre de
Versailles-Grignon
Daniel Cornu, Gilles Pilate et Jean Charles Leplé, Unité Amélioration,
génétique et physiologie forestières, Centre INRA d’Orléans
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Comment les plantes
réagissent aux stress : Etude
globale de la réponse des gènes
Des chercheurs de l’INRA1 étudient comment les plantes réagissent
et
s’adaptent à une carence en éléments minéraux nutritifs. En identifiant
les
protéines exprimées par des plantes soumises à un manque de phosphore,
ils
mettent en évidence des ensembles de gènes dont l’expression varie
en
réponse à la carence. A terme, ces travaux devraient permettre
de sélectionner
des variétés plus tolérantes aux fluctuations de l’environnement,
mieux
adaptées à l'exploitation de régions défavorables, ou de limiter
l'apport d’engrais
susceptibles d'affecter l'environnement.
Les progrès récents dans la connaissance des génomes permettent
d’établir de véritables “ photographies ” instantanées de l'expression
des gènes, pour une espèce donnée, dans un environnement donné,
et à un instant donné. Dans le cas d’une plante soumise aux fluctuations
de son environnement, ces techniques offrent ainsi la possibilité
d'identifier les ensembles de gènes qui participent à la réponse
adaptative, et d'en déduire les modifications physiologiques mises
en œuvre par la plante. L'analyse de l'expression instantanée
d'un génome peut se faire soit au niveau des gènes proprement
dits, soit de leurs produits, les protéines, qui sont les véritables
acteurs à l'œuvre dans les cellules. Dans ce dernier cas, on parle
de protéome pour désigner l'ensemble des protéines exprimées dans
une situation donnée.
Ces démarches expérimentales sont actuellement engagées à l'INRA
pour identifier les ensembles de gènes impliqués dans l'adaptation
des plantes aux carences en éléments nutritifs majeurs. Les travaux
portent actuellement sur le phosphore et sont réalisées sur la
plante modèle Arabidopsis thaliana dont le génome vient d'être
complètement séquencé (décembre 2000). Les chercheurs ont ainsi
en évidence des classes de protéines dont l'expression est accrue
ou réprimée lorsque les plantes sont soumises à une carence en
phosphore. La réalisation d’une série de “ photographies ” instantanées
de l’expression des protéines permet de reconstituer le “ film
” de cette réponse dans le temps. L'identification de l’ensemble
des protéines impliquées apporte une vue globale des différentes
réponses “ élémentaires ” mises en jeu, et de la façon dont elles
sont coordonnées pour permettre à la plante de s'adapter à la
situation de carence. A plus long terme, la comparaison des réponses
à diverses contraintes devrait permettre d'identifier celles qui
semblent jouer un rôle déterminant, ce qui aura des conséquences
très importantes pour l’amélioration des plantes.
Les plantes sont en effet soumises à un milieu changeant auquel
leur immobilité leur interdit d’échapper, à la différence des
animaux. De plus, la plupart du temps, l’environnement ne fournit
pas des conditions optimales pour leur croissance. Le développement
des plantes dépend donc de façon très étroite des changements
permanents des conditions environnementales qu’elles subissent.
En réponse à ces contraintes, les plantes ont développé des stratégies
d'adaptation complexes, qui, au niveau moléculaire, impliquent
le fonctionnement coordonné d'un grand nombre de gènes.
L’analyse du protéome repose sur la combinaison de techniques
biochimiques
permettant la séparation des milliers de protéines qui sont présentes
simultanément dans une cellule (comme l'électrophorèse bidimensionnelle
des protéines), de techniques physiques qui en permettent "rapidement"
l'identification individuelle (comme la spectrométrie de masse),
et d'outils informatiques spécifiques pour exploiter l'information
issue du séquençage des génomes.
(1) Ces travaux sont menés dans le cadre du Groupement d’Intérêt
Scientifique Génoplante
Contact scientifique :
Michel Rossignol, Unité de Biochimie et Physiologie Moléculaires
des Plantes INRA-CNRS-ENSAM-Univ. Montpellier II
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OGM et alimentation
les souris
transgéniques
Petit
glossaire OGM
I 
I 
I 
Numéro
spécial génomique végétale (janvier/février
2001)
