De plus en plus, la production alimentaire mondiale est menacée par les effets du changement climatique. Alors que les inondations, les sécheresses et les vagues de chaleur extrêmes deviennent plus fréquentes, les cultures doivent pouvoir s’adapter plus rapidement que jamais.
Des chercheurs de l’Université de Stanford travaillent sur des moyens de manipuler les processus biologiques des plantes pour les aider à se développer plus efficacement dans diverses conditions. Jennifer Brophy, professeure adjointe de bioingénierie, et ses collègues ont conçu une série de circuits génétiques synthétiques qui leur permettent de contrôler les décisions prises par différents types de cellules végétales. Dans un article publié récemment dans La science, ils ont utilisé ces outils pour faire pousser des plantes avec des structures racinaires modifiées. Leur travail est la première étape dans la conception de cultures mieux à même de collecter l’eau et les nutriments du sol et fournit un cadre pour concevoir, tester et améliorer des circuits génétiques synthétiques pour d’autres applications dans les plantes.
« Nos circuits génétiques synthétiques vont nous permettre de construire des systèmes racinaires très spécifiques ou des structures foliaires très spécifiques pour voir ce qui est optimal pour les conditions environnementales difficiles que nous connaissons », a déclaré Brophy. « Nous rendons l’ingénierie des usines beaucoup plus précise. »
Un code de programmation pour les plantes
Les variétés de cultures génétiquement modifiées actuelles utilisent des systèmes relativement simples et imprécis qui amènent toutes leurs cellules à exprimer les gènes nécessaires pour, par exemple, résister aux herbicides ou aux ravageurs. Pour obtenir un contrôle à grande échelle du comportement des plantes, Brophy et ses collègues ont construit un ADN synthétique qui fonctionne essentiellement comme un code informatique avec des portes logiques guidant le processus de prise de décision. Dans ce cas, ils ont utilisé ces portes logiques pour spécifier quels types de cellules exprimaient certains gènes, leur permettant d’ajuster le nombre de branches dans le système racinaire sans changer le reste de la plante.
La profondeur et la forme du système racinaire d’une plante affectent son efficacité à extraire différentes ressources du sol. Un système racinaire peu profond avec de nombreuses branches, par exemple, absorbe mieux le phosphore (qui reste près de la surface), tandis qu’un système racinaire plus profond qui se ramifie au fond absorbe mieux l’eau et l’azote. En utilisant ces circuits génétiques synthétiques, les chercheurs ont pu cultiver et tester diverses conceptions de racines pour créer les cultures les plus efficaces dans différentes circonstances. Ou, à l’avenir, ils pourraient donner aux usines la capacité de s’optimiser.
« Nous avons des variétés modernes de cultures qui ont perdu leur capacité à répondre à l’endroit où se trouvent les nutriments du sol », a déclaré José Dinneny, professeur agrégé de biologie à l’École des sciences humaines et l’un des principaux auteurs de l’article. « Le même type de portes logiques qui contrôlent la ramification des racines pourrait être utilisé, par exemple, pour créer un circuit qui prend en compte à la fois les concentrations d’azote et de phosphore dans le sol, puis génère une sortie optimale pour ces conditions. »
Des organismes modèles aux cultures modernes
Brophy a conçu plus de 1 000 circuits potentiels pour pouvoir manipuler l’expression des gènes dans les plantes. Elle les a testés dans les feuilles de plants de tabac, pour voir si elle pouvait faire en sorte que les cellules des feuilles créent une protéine phosphorescente trouvée dans les méduses. Elle a trouvé 188 modèles qui fonctionnaient, que les chercheurs téléchargent dans une base de données d’ADN synthétique pour que d’autres scientifiques puissent les utiliser dans leur travail.
Une fois qu’ils avaient des conceptions fonctionnelles, les chercheurs ont utilisé l’un des circuits pour créer des portes logiques qui modifieraient l’expression d’un gène de développement spécifique dans un type précisément défini de cellule racinaire d’Arabidopsis thaliana, une petite plante adventice souvent utilisée comme organisme modèle. En changeant le niveau d’expression de ce gène, ils ont pu modifier la densité des branches dans le système racinaire.
Maintenant qu’ils ont démontré qu’ils pouvaient modifier la structure de croissance d’un organisme modèle, les chercheurs entendent appliquer ces mêmes outils aux cultures commerciales. Ils étudient la possibilité d’utiliser leurs circuits génétiques pour manipuler la structure racinaire du sorgho, une plante qui peut être raffinée en biocarburant, pour l’aider à absorber l’eau et à effectuer plus efficacement la photosynthèse.
« Le changement climatique modifie les conditions agricoles dans lesquelles nous cultivons les plantes dont nous dépendons pour la nourriture, les carburants, les fibres et les matières premières pour les médicaments », a déclaré Brophy. « Si nous ne sommes pas en mesure de produire ces plantes à grande échelle, nous allons être confrontés à de nombreux problèmes. Ce travail vise à garantir que nous aurons des variétés de plantes que nous pourrons cultiver, même si les conditions environnementales que nous les cultivent en devenant moins favorables. »
Les autres co-auteurs de Stanford de cette recherche comprennent les techniciens de recherche Katie J. Magallon et Kiril Kniazev, l’associée de recherche Lina Duan, la chercheuse postdoctorale Prashanth Ramachandran et l’étudiante diplômée Vivian Zhong. Dinneny est également membre de Stanford Bio-X.
Jennifer AN Brophy et al, Circuits génétiques synthétiques comme moyen de reprogrammer les racines des plantes, La science (2022). DOI : 10.1126/science.abo4326. www.science.org/doi/10.1126/science.abo4326