La canne à sucre est la culture la plus importante au monde en termes de rendement en biomasse, fournissant 80 % du sucre et 40 % des biocarburants produits dans le monde. La taille de l’usine et son utilisation efficace de l’eau et de la lumière en font un candidat idéal pour produire des bioproduits et des biocarburants avancés, renouvelables et à valeur ajoutée.
Cependant, en tant qu’hybride de Saccharum officinarum et de Saccharum spontaneum, la canne à sucre possède le génome le plus complexe de toutes les cultures. Cette complexité signifie que l’amélioration de la canne à sucre par la sélection conventionnelle est un défi. Pour cette raison, les chercheurs se tournent vers des outils d’édition génétique, tels que le système CRISPR/Cas9, pour cibler précisément le génome de la canne à sucre à améliorer.
Dans leur nouveau journal, publié dans Journal de biotechnologie végétale, une équipe de chercheurs de l’Université de Floride du Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI) a exploité cette complexité génétique à son avantage pour utiliser le système CRISPR/Cas9 pour affiner l’angle des feuilles de la canne à sucre. Ces ajustements génétiques ont permis à la canne à sucre de capter davantage de lumière solaire, ce qui a augmenté la quantité de biomasse produite.
Ce travail soutient l’approche « les plantes en tant qu’usines » du Centre de recherche en bioénergie CABBI et l’objectif principal de sa recherche sur la production de matières premières : synthétiser des biocarburants, des bioproduits et des molécules de grande valeur directement dans les tiges de plantes telles que la canne à sucre.
La complexité du génome de la canne à sucre est due en partie à son niveau élevé de redondance : il possède de nombreuses copies de chaque gène. Le phénotype présenté par une plante de canne à sucre dépend donc généralement de l’expression cumulative de plusieurs copies d’un certain gène. Le système CRISPR/Cas9 est parfait pour cette tâche car il peut être conçu pour modifier quelques ou plusieurs copies d’un gène à la fois.
Cette étude s’est concentrée sur LIGULELESS1, ou LG1, un gène qui joue un rôle majeur dans la détermination de l’angle des feuilles de la canne à sucre. L’angle des feuilles, quant à lui, détermine la quantité de lumière qui peut être captée par la plante, ce qui est essentiel à la production de biomasse. Étant donné que le génome hautement redondant de la canne à sucre contient 40 copies de LG1, les chercheurs ont pu affiner l’angle des feuilles en modifiant différents nombres de copies de ce gène, ce qui a donné lieu à des angles de feuilles légèrement différents en fonction du nombre de copies de LG1 modifiées.
« Dans certaines cannes à sucre éditées par LG1, nous avons simplement muté quelques copies », a déclaré Fredy Altpeter, chef de l’équipe de recherche et professeur d’agronomie à l’Université de Floride. « Et ce faisant, nous avons pu adapter l’architecture des feuilles jusqu’à ce que nous trouvions l’angle optimal permettant d’augmenter le rendement de la biomasse. »
Lorsque les chercheurs ont cultivé la canne à sucre lors d’essais sur le terrain, ils ont découvert que les phénotypes de feuilles dressées permettaient à plus de lumière de pénétrer dans la canopée, ce qui entraînait une augmentation du rendement de la biomasse. Une lignée de canne à sucre en particulier, qui contenait des modifications dans environ 12 % des copies LG1 et présentait une diminution de 56 % de l’angle d’inclinaison des feuilles, a présenté une augmentation de 18 % du rendement en biomasse sèche.
En optimisant la canne à sucre pour capter plus de lumière, ces modifications génétiques augmentent le rendement de la biomasse sans avoir à ajouter davantage d’engrais dans les champs. En plus de cela, l’acquisition d’une meilleure compréhension de la génétique complexe et de l’édition du génome aide les chercheurs à élaborer des approches raffinées pour l’amélioration des cultures.
« Il s’agit de la première publication évaluée par des pairs décrivant un essai sur le terrain de canne à sucre éditée par CRISPR », a déclaré Altpeter. « Et ce travail montre également des opportunités uniques pour l’édition de génomes de cultures polyploïdes, où les chercheurs peuvent affiner un trait spécifique. »
Les co-auteurs de cette étude comprenaient des chercheurs du CABBI du Département d’agronomie de l’Université de Floride, Eleanor Brant, Ayman Eid, Baskaran Kannan et Mehmet Cengiz Baloglu.
Plus d’information:
Eleanor J. Brant et al, L’étendue de la co-édition multiallélique de LIGULELESS1 dans la canne à sucre hautement polyploïde ajuste l’angle d’inclinaison des feuilles et permet la sélection de l’idéotype pour le rendement en biomasse, Journal de biotechnologie végétale (2024). DOI : 10.1111/pbi.14380