Optimisation des conceptions de circuits génétiques rhizobactériens pour la durabilité agricole

Faciliter les interactions entre les racines d’une plante et son environnement externe est essentiel pour relever divers défis imminents liés à l’alimentation, à l’énergie et à la durabilité. Par exemple, les plantes à architecture racinaire modifiée peuvent réduire les niveaux de dioxyde de carbone dans l’atmosphère, voire augmenter les rendements des cultures pour soutenir la croissance de la population humaine.

Une façon d’y parvenir est de construire un « circuit génétique » dans les cellules végétales. Un circuit génétique est un ensemble de composants biologiques codant pour un ARN ou une protéine, qui permet à des cellules individuelles d’accomplir des fonctions spécifiques. À l’intérieur des cellules végétales, il peut détecter les conditions environnementales, interpréter les signaux et présenter les phénotypes souhaités. Cependant, la conception de ces circuits dans les usines reste un défi.

Alors que des recherches supplémentaires sont nécessaires pour concevoir des circuits à base de plantes, les circuits bactériens ont connu d’énormes progrès. Plusieurs composants sont disponibles pour concevoir des circuits bactériens, qui sont ensuite utilisés pour faciliter des fonctions cellulaires complexes. Cette conception s’étend aux racines des plantes, qui sont le site d’interactions critiques plantes-bactéries. Les rhizobactéries – des bactéries libres qui colonisent les racines des plantes – ont un impact significatif sur la santé des plantes, l’absorption des nutriments et la chimie du sol. Par conséquent, leur conception de circuit génétique peut être utilisée pour concevoir des plantes avec des qualités souhaitables.

À cette fin, une équipe de chercheurs comprenant le professeur José R. Dinneny et son étudiant postdoctoral, le Dr Christopher M. Dundas de l’Université de Stanford, a passé en revue les composants génétiques et les meilleures pratiques pour concevoir des circuits rhizobactériens. Leurs conclusions, publiées dans Recherche BioDesignprincipalement axé sur les capteurs, les actionneurs et les espèces de châssis qui sont utilisés pour réguler les processus du microbiome végétal.

« L’apprentissage des approches de conception de circuits génétiques peut aider les scientifiques à concevoir des interactions plante-rhizosphère de manière efficace », déclare le Dr Dundas tout en discutant de la motivation derrière cet examen.

Tout d’abord, l’équipe a exploré des outils qui peuvent faciliter la construction réussie de circuits génétiques chez les rhizobactéries. En particulier, des outils bioinformatiques, des machines d’expression génique orthogonale et l’exploration du génome sont utilisés pour prédire les séquences de promoteurs fonctionnels et les séquences du site de liaison aux ribosomes (RBS), afin de concevoir la transcription et la traduction chez les rhizobactéries.

Des outils d’ingénierie du génome de nouvelle génération sont également utilisés pour réduire la dépendance des rhizobactéries vis-à-vis de la machinerie de réplication et de la sélection de l’hôte. En outre, plusieurs boîtes à outils ont été développées pour la construction de plasmides à large gamme d’hôtes nécessaires à la transformation rhizobactérienne.

Ensuite, l’équipe a discuté du « châssis rhizobactérien », qui facilite la colonisation efficace des tissus racinaires et permet à son tour au circuit de fonctionner de manière optimale. La création d’un châssis idéal peut être obtenue en ciblant certains gènes qui régulent les traits liés à la colonisation des rhizobactéries, tels que la chimiotaxie, l’attachement des racines, l’étendue de la colonisation, la formation de biofilm et la capacité d’esquiver le système immunitaire des plantes.

De plus, la sélection d’une espèce rhizobactérienne compétente est nécessaire pour éviter les effets indésirables liés à une croissance bactérienne excessive dans les racines.

Les exsudats des racines des plantes, auxquels les rhizobactéries sont régulièrement exposées, sont des cibles de détection attrayantes pour le suivi de la santé des plantes. L’article met en lumière les avantages grâce auxquels les régulateurs transcriptionnels sensibles aux petites molécules tels que les sucres, les composés azotés, les métabolites secondaires et les phytohormones sont préférés pour le développement de biocapteurs phytosanitaires ou de circuits de capteurs.

Les circuits de capteurs, à leur tour, aident à piloter l’expression de plusieurs gènes et voies en aval.

Enfin, l’article donne un aperçu des « actionneurs rhizobactériens » ou circuits d’actionneurs qui pilotent les phénotypes souhaités dans les plantes colonisées. La conception de l’actionneur peut être améliorée en affinant l’expression des gènes biosynthétiques, ce qui peut à son tour améliorer l’absorption des nutriments, la tolérance au stress biotique/abiotique et la croissance de la plante.

« Les stratégies que nous avons présentées peuvent aider à recâbler les circuits génétiques pour améliorer la santé et la productivité des plantes via le cycle conception-construction-test-apprentissage. À mesure que de nouvelles technologies émergent, il sera passionnant de voir comment différents domaines de recherche bactérienne se croisent avec les capteurs rhizobactériens. et actionneurs », remarque le Dr Dundas.

Comment ces découvertes peuvent-elles bénéficier aux technologies émergentes associées ? « L’intersection de la science des matériaux et de la biologie synthétique gagne du terrain. Nos découvertes contiennent des informations utiles pour le développement de matériaux vivants fonctionnalisés, qui peuvent être utilisés pour coloniser les racines des plantes pour une variété d’applications », déclare le Dr Dundas en réponse. .

Bien que les circuits génétiques rhizobactériens aient un énorme potentiel pour remodeler la durabilité agricole, il est essentiel de répondre aux contraintes techniques, réglementaires et éthiques entourant cette technologie. De plus, leur déploiement dans des conditions climatiques variables doit également être exploré. Néanmoins, les chercheurs sont optimistes quant à l’expansion de ces circuits pour relever les défis mondiaux de la sécurité alimentaire et de la durabilité.