La nouvelle méthode ‘CRISPR-Combo’ augmente la puissance d’édition du génome chez les plantes

Il y a dix ans, une nouvelle technologie appelée CRISPR-CAS9, a permis aux scientifiques de modifier le code génétique des organismes vivants. Aussi révolutionnaire soit-il, l’outil avait ses limites. Comme les premiers téléphones portables qui ne pouvaient remplir qu’une seule fonction, la méthode CRISPR originale ne peut remplir qu’une seule fonction : supprimer ou remplacer des gènes dans une séquence génétique. Des itérations ultérieures de CRISPR ont été développées pour une autre fonction qui a permis aux scientifiques de modifier l’expression des gènes en les activant ou en les désactivant, sans les supprimer du génome. Mais chacune de ces fonctions ne pouvait être exercée de manière indépendante que dans les plantes.

Aujourd’hui, des scientifiques du Collège d’agriculture et des ressources naturelles de l’Université du Maryland ont développé CRISPR-Combo, une méthode pour modifier plusieurs gènes dans les plantes tout en modifiant simultanément l’expression d’autres gènes. Ce nouvel outil permettra des combinaisons de génie génétique qui fonctionnent ensemble pour stimuler la fonctionnalité et améliorer la sélection de nouvelles cultures.

« Les possibilités sont vraiment illimitées en termes de traits qui peuvent être combinés », a déclaré Yiping Qi, professeur agrégé au Département des sciences végétales et de l’architecture du paysage et co-auteur de l’étude. « Mais ce qui est vraiment excitant, c’est que CRISPR-Combo introduit un niveau de sophistication dans le génie génétique des plantes que nous n’avions pas auparavant. »

La nouvelle recherche apparaît dans le numéro de mai 2022 de la revue Plantes naturelles.

Les avantages de la manipulation de plus d’un gène à la fois peuvent largement dépasser les avantages d’une seule manipulation. Par exemple, imaginez un fléau faisant rage dans les champs de blé, menaçant les moyens de subsistance des agriculteurs et la sécurité alimentaire. Si les scientifiques pouvaient retirer du blé un gène qui le rend sensible à la brûlure et activer simultanément des gènes qui raccourcissent le cycle de vie de la plante et augmentent la production de graines, ils pourraient produire rapidement du blé résistant à la brûlure avant que la maladie n’ait la chance de faire trop dégâts.

C’est le type d’ingénierie que Qi et son équipe ont démontré en quatre phases d’expérimentation différentes.

Première étape : prouver le concept

Qi et son équipe avaient précédemment développé de nouvelles méthodes CRISPR pour réguler l’expression des gènes dans les plantes et éditer plusieurs gènes en même temps. Mais pour développer CRISPR-Combo, ils ont dû établir qu’ils pouvaient exécuter ces deux fonctions de génie génétique en parallèle sans conséquences négatives. Dans ce nouvel article, ils ont démontré que l’utilisation de cellules de tomate et de riz.

« Comme preuve de concept, nous avons montré que nous pouvions désactiver le gène A et réguler à la hausse⁠ – ou activer⁠ – le gène B avec succès, sans traverser accidentellement et désactiver le gène B ou réguler à la hausse le gène A », a déclaré Qi.

Ensuite, Qi et ses collègues ont testé CRISPR-Combo sur une plante à fleurs appelée rockcress (ArabidopsisI), qui est souvent utilisée par les chercheurs comme modèle pour les cultures de base comme le maïs et le blé. Les chercheurs ont modifié un gène qui rend la plante plus résistante aux herbicides tout en activant un gène qui provoque une floraison précoce, qui produit des graines plus rapidement. Le résultat a été une plante de rockcresson résistante aux herbicides qui a produit huit générations en un an au lieu des quatre ordinaires.

Ingénierie plus efficace

Pour leur troisième expérience, l’équipe a démontré comment CRISPR-Combo pouvait améliorer l’efficacité de la sélection végétale à l’aide de cultures de tissus de peupliers. Les programmes de sélection pour développer de nouvelles variétés de plantes utilisent généralement des cultures tissulaires plutôt que des graines – voyez comment une plante peut faire repousser des racines et des feuilles à partir d’une seule tige plantée dans le sol. Les scientifiques modifient génétiquement les cellules souches qui ont la capacité de se transformer en plantes complètes, et lorsque ces plantes mûrissent et produisent des graines, les graines continueront les modifications génétiques apportées aux cellules souches.

Certaines plantes se régénèrent mieux que d’autres à partir de cultures de tissus, ce qui fait de cette étape le plus grand goulot d’étranglement du génie génétique des cultures. Pour certaines plantes, le taux de réussite n’est que de 1 %.

Qi et son équipe ont résolu le goulot d’étranglement en modifiant d’abord quelques traits dans les cellules de peuplier, puis en activant trois gènes qui favorisent la régénération des tissus végétaux.

« Nous avons montré chez les peupliers que notre nouvelle méthode pouvait offrir une solution au goulot d’étranglement de la régénération tissulaire, augmentant considérablement l’efficacité du génie génétique », a déclaré Qi.

Raccourci sans hormones

Actuellement, la culture de plantes génétiquement modifiées à partir de cultures tissulaires nécessite l’ajout d’hormones de croissance, qui activent les gènes favorisant la croissance. L’équipe de recherche a raccourci ce processus dans le riz en activant directement ces gènes avec CRISPR-Combo. Le résultat était du riz génétiquement modifié à partir de cultures de tissus qui ne nécessitaient pas de supplémentation hormonale. Qi et ses collègues ont découvert que les cultures de tissus cultivées avec leur méthode exprimaient davantage le gène modifié que les tissus cultivés à l’aide d’hormones.

« Cette méthode aboutit à un processus d’édition du génome très efficace », a déclaré Qi.

Maintenant que l’équipe a démontré que sa méthode CRISPR-Combo fonctionne dans une variété de plantes à des fins multiples, elle a l’intention de mener des expériences sur les agrumes, les carottes et les pommes de terre pour tester sa viabilité dans une culture de fruits, de légumes et de base. Ils travaillent également à créer un riz doré résistant aux herbicides avec un contenu nutritionnel amélioré et un riz rouge avec des antioxydants accrus.

Parmi les autres co-auteurs du document de recherche de l’UMD figurent le professeur agrégé Gary Coleman, les associés postdoctoraux Changtian Pan et Gen Li, le chercheur postdoctoral Filiz Gurel, les étudiants diplômés Yanhao Cheng, Aimee A. Malzahn et Simon Sretenovic, stagiaire en laboratoire et haut l’élève de l’école Benjamin Leyson.