Un guide à travers le génome des cultures

Les plantes présentent une énorme variété de traits pertinents pour la sélection, tels que la hauteur de la plante, le rendement et la résistance aux ravageurs. L’un des plus grands défis de la recherche moderne sur les plantes est d’identifier les différences dans l’information génétique qui sont responsables de cette variation.

Une équipe de recherche dirigée par le groupe de travail « Crop Yield » de l’Institut de physiologie moléculaire de l’Université Heinrich Heine de Düsseldorf (HHU) et de la Carnegie Institution of Science de Stanford a maintenant développé une méthode pour identifier précisément ces différences particulières dans l’information génétique.

Prenant l’exemple du maïs, ils démontrent le grand potentiel de leur méthode dans la revue Biologie du génome et des régions présentes dans le génome du maïs qui peuvent aider à augmenter les rendements et la résistance aux ravageurs pendant la sélection.

Le plan directeur de tous les organismes est encodé dans leur ADN. Cela inclut les gènes qui codent les protéines et déterminent les caractéristiques inhérentes d’un organisme. De plus, il existe d’autres sections importantes de l’ADN, en particulier les régions qui contrôlent la régulation des gènes, c’est-à-dire quand, dans quelles conditions et dans quelle mesure les gènes sont activés.

Par rapport aux gènes, cependant, ces régions régulatrices – également appelées «éléments cis» – sont difficiles à trouver. Les changements dans précisément ces éléments d’ADN sont en grande partie responsables des différences entre les organismes – et donc aussi entre les différentes variétés de plantes.

Au cours des dernières décennies, les chercheurs ont découvert que les régions régulatrices sont les sites de liaison de protéines spécifiques. Connus sous le nom de facteurs de transcription, ils déterminent quand et pendant combien de temps les gènes sont activés.

L’auteur co-correspondant, le Dr Thomas Hartwig, qui dirige le groupe de recherche sur le rendement des cultures à l’Institut de physiologie moléculaire du HHU et à l’Institut Max Planck pour la recherche sur l’amélioration des plantes (MPIPZ) à Cologne, explique : « Trouver les quelques variations qui sont essentielles pour modifier des traits tels que car la résistance aux ravageurs parmi les millions et les millions de différences génomiques non causales est la recherche ultime d’une aiguille dans une botte de foin. »

« Contrairement aux gènes codant pour les protéines, les sites régulateurs ne peuvent généralement pas être identifiés sur la seule base de la séquence. Cela les rend très difficiles à identifier. Notre méthode utilise des plantes hybrides pour mesurer les effets directs de la variation de la séquence d’ADN sur la liaison du facteur de transcription », explique le chef de file. auteur Professeur Dr Zhi-Yong Wang de la Carnegie Institution for Science.

L’étude a été développée en coopération avec des chercheurs de l’Institut Leibniz de génétique végétale et de recherche sur les plantes cultivées (IPK) à Gatersleben ainsi que de l’Université du Nebraska-Lincoln et de l’Iowa State University, aux États-Unis.

En utilisant des hybrides, c’est-à-dire la première génération de plantes créées par croisement de deux variétés, l’équipe de recherche peut comparer les régions régulatrices qui diffèrent sur l’ensemble du génome. Le co-auteur, le Dr Julia Engelhorn, déclare : « Notre méthode analytique nous permet de mesurer précisément si les facteurs de transcription se lient davantage au génome maternel ou paternel. » Cette procédure a également permis à l’équipe d’identifier des milliers de différences associées à des caractères, tels que le rendement et la résistance aux ravageurs du maïs.

La technologie a été démontrée pour un facteur de transcription dans la voie des brassinostéroïdes, une hormone liée à la croissance et à la maladie. Le professeur Wolf B. Frommer, directeur de l’institut, déclare : « L’équipe a identifié des milliers de variations génomiques qui peuvent expliquer pourquoi une variété de maïs se comporte différemment en termes de rendement ou de résistance aux maladies. De plus, l’équipe a pu montrer que ces les différences sont presque également génétiques et épigénétiques. » Ce dernier décrit des processus qui influencent l’activité des gènes sans être codés dans la séquence d’ADN elle-même.

L’un des principaux résultats de l’étude est une liste de plus de 6 000 régions du génome qui peuvent être ciblées pour la sélection végétale. Celles-ci peuvent inclure des régions à travers lesquelles des traits positifs sont exprimés dans certaines variétés de maïs qui manquent à d’autres plantes.

Hartwig dit : « Savoir où dans le génome les méthodes de sélection modernes peuvent être appliquées pour transférer les caractéristiques de certaines variétés à d’autres est d’une grande importance pour la biotechnologie. Notre étude peut servir de guide sur la façon de trouver ces régions intéressantes du génome.

Le professeur Frommer ajoute : « Les résultats de l’étude jettent les bases de l’utilisation de techniques modernes pour cultiver de nouvelles variétés de maïs en combinant habilement les variantes optimales.