Les recherches du scientifique Xiaohan Yang au laboratoire national d’Oak Ridge du ministère de l’Énergie se concentrent sur la transformation des plantes pour en faire de meilleures sources d’énergie renouvelable et de stockage de carbone.
Il travaille avec le Center for Bioenergy Innovation, ou CBI, dirigé par l’ORNL, un centre de recherche en bioénergie du DOE où les scientifiques développent des cultures de base comme les peupliers qui poussent rapidement, nécessitent moins d’eau et d’engrais et sont facilement décomposés et convertis en carburants d’aviation durables.
Qu’est-ce que la transformation végétale ?
La transformation d’une plante se produit lorsque nous transférons l’ADN d’une plante à une autre et créons un meilleur hybride. Nous identifions le gène, ou le groupe de gènes, lié à un trait physique souhaité comme la tolérance à la sécheresse ou un rendement plus élevé, puis nous les insérons dans une plante différente. L’objectif est d’inciter la plante cible à présenter le trait que nous souhaitons voir.
La transformation est réussie lorsque nous nous assurons que le caractère exprimé est stable, ce qui signifie que le caractère est hérité par les descendants de la plante, génération après génération. Chez ORNL, nous nous concentrons sur le développement de plantes faciles à cultiver à faible coût et produisant une grande quantité de biomasse pouvant être convertie en carburéacteurs propres et en produits chimiques d’origine biologique.
Pourquoi la recherche est-elle importante ?
Le développement et les tests sur le terrain d’une plante transformée génétiquement stable et prête à être commercialisée peuvent prendre des années. Il est essentiel d’accélérer ce processus pour contribuer à relever les défis climatiques d’aujourd’hui grâce à des carburéacteurs durables et des bioproduits dérivés de plantes, en particulier des cultures non alimentaires qui peuvent pousser sur des terres marginales dans des conditions loin d’être idéales.
Ces connaissances pourraient même être transférées à d’autres cultures, soutenant ainsi de nouvelles plantes résistantes aux défis environnementaux tels que la sécheresse, les ravageurs et les maladies, avec un meilleur rendement et une meilleure qualité. Si nous parvenons à amener ces plantes à absorber davantage de carbone de l’atmosphère et à le transférer dans le sol, cela soutiendra également les efforts de décarbonation. Nous nous retrouvons donc avec une séquestration du carbone souterrain à partir du système racinaire et des biocarburants pour les avions à réaction fabriqués à partir de la biomasse aérienne.
Quelles ont été certaines de vos découvertes jusqu’à présent ?
Nous avons découvert des gènes dans des plantes semi-arides qui sont liés à la résistance à la sécheresse et à une croissance accélérée. Les plantes comme l’agave ont évolué pour survivre dans des environnements secs en développant un type spécial de photosynthèse appelé CAM. [crassulacean acid metabolism]. Les plantes CAM absorbent le dioxyde de carbone via les pores des feuilles appelés stomates et le convertissent en acide organique pour le stockage la nuit, lorsque l’eau est moins susceptible de s’évaporer.
Pendant la journée, les stomates restent fermés, économisant l’eau et utilisant la lumière du soleil pour convertir le CO2 en énergie chimique. Nous avons identifié les gènes liés au CAM grâce au séquençage de l’ARN et de l’ADN de deux espèces différentes, Agave americana et Kalanchoe fedtschenkoi.
Nous avons également découvert une variante unique du gène CAM qui déclenche simultanément deux voies chez les plantes : l’une pour la fixation du carbone et la croissance des plantes, et l’autre stimulant la production de proline, un acide aminé lié à la tolérance au stress. Les plants de tabac modifiés avec ce gène ont produit plus de biomasse, même sous stress. Le gène a agi comme un régulateur principal, activant d’autres gènes de la plante.
En séquençant l’ARN messager de l’agave, nous avons également découvert le gène REVEILLE1 qui contrôle le moment où la plante entre en dormance et le moment où elle commence à bourgeonner, ce qui peut nous aider à prolonger sa saison de croissance. Nous avons inséré le gène dans le peuplier et développé un arbre qui pousse plus haut avec des feuilles plus grandes et des tiges plus épaisses. Le peuplier transformé avec REVEILLE1 a montré une augmentation de 166 % de sa biomasse lorsqu’il est cultivé en serre.
Sur quoi vous concentrez-vous maintenant ?
Nous avons récemment développé et démontré un moyen de transformer les plantes encore plus rapidement en introduisant simultanément plusieurs gènes dans les plantes, selon une approche appelée empilement de gènes. Nous avons créé un système de marqueurs sélectionnables divisés qui accélère la transformation à l’aide d’intéines. Les intéines sont des segments protéiques qui ont une capacité naturelle à se séparer des protéines plus grosses, permettant ainsi le réassemblage des fragments partiels en une protéine entièrement fonctionnelle. Le système comprend des marqueurs qui identifient les cellules transformées, soutiennent leur stabilité et rendent les événements de génie génétique détectables à l’aide de biocapteurs basés sur la lumière.
Le système de marqueurs sélectionnables est important. En rendant les changements génétiques visibles à la lumière ultraviolette, nous pouvons utiliser une lampe de poche UV pour détecter si notre transformation a réussi.
Cela évite le processus long et coûteux d’échantillonnage d’une partie de la plante pour la caractérisation moléculaire et accélère la sélection de nouvelles plantes. Nous pouvons suivre les changements moléculaires dans les plantes en serre et sur le terrain plus rapidement et plus facilement grâce à ce biomarqueur visible, accélérant considérablement notre travail de phénotypage qui relie les caractéristiques des plantes à leur génétique sous-jacente.
Nous avons démontré l’insertion simultanée de quatre gènes chez le peuplier et travaillons actuellement à l’empilement de 12 gènes à la fois pour créer un meilleur hybride. Nous pensons que la technique peut être affinée pour prendre en charge l’empilement de jusqu’à 20 gènes. Cette nouvelle approche de la transformation des plantes est l’un des développements les plus importants issus de la recherche sur les matières premières de biomasse du CBI au cours des 15 dernières années.
Qu’est-ce qui nous attend dans le domaine de la transformation végétale ?
L’un de mes objectifs à moyen terme concerne le système de biomarqueurs que nous avons développé, intégrant le génie génétique au phénotypage pour un écosystème accéléré de génie génétique végétal. La technologie permet un système non invasif, peu coûteux et à haut débit pour le phénotypage à plusieurs niveaux : le niveau moléculaire, le niveau métabolique et le niveau végétal.
Notre processus de biocapteur basé sur la lumière peut remplacer la collecte lente et minutieuse de données de phénotypage par un système de détection en un seul passage et en temps réel pour nous dire si nous avons réussi à créer des plantes modifiées présentant les caractéristiques souhaitées. Cela pourrait constituer une innovation révolutionnaire dans la recherche sur les plantes, semblable à la technologie des films de science-fiction où l’on utilise un instrument sans contact pour scanner le corps et déterminer l’état de santé d’une personne.
Nous testerons l’application dans notre laboratoire de phénotypage avancé des plantes à l’ORNL. Nous construisons un pipeline de transformation végétale qui commence par la biologie synthétique et se connecte au phénotypage accéléré.
J’ai pour objectif à plus long terme de mener des recherches dans un nouveau domaine passionnant : la génomique synthétique végétale. Nous abordons ce processus lorsque nous introduisons plusieurs gènes dans les plantes. Grâce à la génomique synthétique, nous pouvons concevoir un tout nouveau chromosome qui sera ajouté au peuplier avec tous les nouveaux caractères souhaités, au lieu de simplement modifier les gènes existants.
La technique a déjà été démontrée chez la levure, et nous espérons pouvoir implanter cette capacité de pointe chez les plantes d’ici 10 ans. C’est comme acheter une maison centenaire et essayer ensuite de la moderniser. C’est très difficile. Pourquoi ne pas construire une nouvelle maison conçue avec tout ce que vous voulez. Il y a beaucoup d’enthousiasme dans la communauté des sciences végétales quant au potentiel de la génomique synthétique et à la manière de résoudre les défis technologiques pour y parvenir.