Pour les cultures de base comme le blé et le riz, qui alimentent ensemble plus de la moitié de la population mondiale, le CRISPR offre une voie directe vers le développement de variétés qui résistent de façon intégrée aux parasites, aux maladies et aux stress climatiques. Contrairement à l'élevage traditionnel, qui nécessite de nombreuses générations de croisements et de rétrocroisements, le CRISPR permet aux scientifiques de modifier des gènes spécifiques au sein d'une seule génération, accélérant considérablement le calendrier de création de cultivars résilients. Cet article examine comment le CRISPR est appliqué au blé et au riz, met en lumière les résultats de recherche clés et discute des défis techniques, réglementaires et éthiques qui doivent être parcourus pour que ces technologies atteignent les champs des agriculteurs à l'échelle.

Comment le CRISPR fonctionne en génétique des cultures

Le CRISPR est dérivé d'un système immunitaire naturel trouvé dans les bactéries et l'archéa. Lorsqu'un virus attaque une bactérie, la bactérie capture un fragment de l'ADN viral et le stocke dans une région de son propre génome appelée CRISPR. Cette séquence stockée sert de mémoire. Si le même virus attaque à nouveau, la bactérie produit des molécules d'ARN qui guident la Cas9 (ou Cas12) nucléase vers l'ADN viral correspondant, la coupant et désactivant le virus. Les scientifiques ont réutilisé ce système en concevant des RNA de guide synthétique qui dirigent l'enzyme Cas9 vers tout endroit désiré dans le génome d'une plante. La rupture double brin résultante peut ensuite être réparée par la propre machine de réparation de l'ADN de la plante, soit par le biais de jointure à bout non homologous (NHEJ), qui frappe souvent un gène en introduisant de petites insertions ou suppressions, ou par réparation dirigée par homologie (HDR), qui peut insérer de nouveaux matériaux génétiques.

Pour le blé et le riz, cela signifie que les chercheurs peuvent désactiver les gènes de susceptibilité que les pathogènes exploitent, activer des voies de résistance latentes ou même introduire des caractères provenant de parents sauvages sans la traînée de liaison étendue qui accompagne souvent les croisements traditionnels à grande échelle. La précision du CRISPR réduit le risque de changements imprévus, bien que les effets non ciblés demeurent une préoccupation qui peut être minimisée par la conception de guides attentifs et dans les outils de prédiction du silico.

Ciblage de la résistance aux maladies dans le riz

Beurre bactérienne

La brûlure bactérienne causée par Xanthomonas oryzae pv. oryzae[, est l'une des maladies les plus dévastatrices du riz, capable de réduire les rendements jusqu'à 50 % dans les régions touchées. Les agents pathogènes sécrètent des effecteurs de transcription (TAL) qui se lient à des séquences de promoteurs spécifiques dans le génome du riz, en mettant en marche des gènes de susceptibilité (S) qui facilitent l'infection. Une stratégie CRISPR consiste à modifier ces régions de promoteurs pour empêcher la liaison effectrice tout en préservant la fonction normale du gène. Par exemple, les chercheurs ont utilisé CRISPR-Cas9 pour muter les gènes OsSWEET14 et OsSWEET11, créant des lignées de riz résistantes à de multiples souches de brûlure bactérienne.

Blast de riz

Les scientifiques ont identifié plusieurs gènes de résistance (R), mais l'agent pathogène évolue rapidement, surmontant la résistance à un seul gène. Le CRISPR offre un moyen d'empiler plusieurs gènes R ou de modifier le gène Pi21, qui code un régulateur négatif de résistance. Le Knocking out Pi21 confère une résistance à l'explosion à large spectre. De plus, les chercheurs ont utilisé le CRISPR pour modifier le gène EL5 impliqué dans la réponse aux maladies, ce qui renforce encore la résistance. Ces lignées modifiées sont déjà testées dans les régions de riz asiatique, avec des résultats précoces montrant une réduction significative de l'incidence des maladies.

Ingénierie de la sécheresse et de la tolérance à la salinité du riz

Les stress abiotiques, en particulier la sécheresse et la salinité, sont des contraintes majeures sur la productivité du riz, et le changement climatique s'intensifie. Par exemple, la famille OspyL/RCAR[ des récepteurs ABA a produit des rizières qui ont une meilleure efficacité d'utilisation de l'eau et un meilleur rendement dans des conditions de sécheresse. De même, l'élimination de DST[, un facteur de transcription du doigt de zinc qui régule négativement la fermeture des stomates, a entraîné une augmentation de la tolérance à la sécheresse et du rendement céréalier. La tolérance à la salinité a été améliorée par l'édition OsRR22, un régulateur de réponse de type B dans les signaux de cytokinine.

Améliorer la résistance du blé à la rouille et au mildew poudreux

Le blé est attaqué par plusieurs champignons de rouille, la rouille de tige (), la rouille de feuilles (, la rouille de feuilles ([), la rouille de feuilles ([, la rouille de bandes ([, la rouille de feuilles ), ainsi que la mildiou pulvérulent ([Blumeria graminis[ f. sp. tritici. Les gènes de résistance traditionnels se décomposent souvent à mesure que évoluent les races pathogènes.

Résistance à la rouille

Pour la rouille des tiges, les gènes de résistance Sr35 et Sr33 ont été introduits dans les variétés de blé sensibles par le biais du CRISPR-HDR, bien que l'efficacité du HDR chez les plantes demeure difficile. Une approche plus simple a été de modifier le gène TaEDR1 (résistance aux maladies améliorées 1).

Améliorer le rendement et la qualité à côté de la résistance

Dans le riz, par exemple, la modification des gènes GS3 et GW2[ qui contrôlent la taille des grains a produit des grains plus grands, tout en modifiant BADH2[ conduit à l'accumulation de 2-acétyl-1-pyrroline, le composé qui donne à ce riz parfumé son arôme. En combinant ces modifications avec des caractères de résistance, les chercheurs développent des lignées empilées qui satisfont à de multiples préférences commerciales.Dans le blé, la modification du gène GPC-1 augmente la teneur en protéines céréalières et la modification ASN2 réduit la formation d'acrylamide pendant le traitement.

Défis techniques et stratégies d ' atténuation

Effets hors objectif

L'édition hors cible — où les coupes de nucléase de Cas9 dans des sites génomiques semblables mais non identiques à la cible prévue — demeure préoccupante, en particulier dans les cultures polyploïdes comme le blé. Toutefois, les progrès dans la conception des ARN guides, les variantes de Cas9 à haute fidélité (p. ex. eSpCas9, HypaCas9) et la vérification du séquençage à l'ensemble du génome ont considérablement réduit les taux hors cible.

Prestation efficace et régénération

Pour le riz, Agrobacterium-transformation des callus embryonnaires médiée par le génotype fonctionne de façon fiable.Pour le blé, les méthodes préférées sont le bombardement de particules ou Agrobacterium-transformation des embryons immatures. La dépendance génotype est un goulot d'étranglement majeur : de nombreuses variétés d'élite sont récalcitrantes à la transformation. De nouvelles techniques telles que les gènes régulateurs morphogènes (p. ex., GRF-GIF[-chimeras) ont été montrées pour augmenter l'efficacité de régénération du blé, ce qui rend l'édition du CRISPR accessible à une plus grande gamme de génotypes.

Approches sans transgène

De nombreux pays réglementent les cultures éditées par le CRISPR différemment selon que l'ADN étranger (transgènes) est présent. Pour créer des plantes modifiées sans transgènes, les chercheurs peuvent exprimer transitoirement Cas9 et guider l'ARN des plasmides qui ne s'intègrent pas au génome, ou ils peuvent séparer les transgènes dans les générations suivantes. Dans le blé et le riz, cela est systématiquement obtenu en criblant la descendance T1 pour l'absence de cassette Cas9 en utilisant PCR ou séquençage.

Paysage réglementaire et acceptation du public

Les États-Unis, le Canada, le Japon et plusieurs pays d'Amérique du Sud ont adopté des politiques qui distinguent les événements liés à la mutagénèse conventionnelle des événements liés à l'intégration transgénique. Dans ces pays, de nombreuses cultures issues de l'étude du CRISPR peuvent être déréglementées s'il n'y a pas d'ADN étranger. L'Union européenne, par contre, traite actuellement tous les organismes génétiquement modifiés (OGM) sous réserve de la directive rigoureuse de l'UE sur les OGM, bien qu'une proposition visant à exempter certains types de modifications (mutagénèse dirigée vers le site) soit en cours de discussion.

Les sondages indiquent que les consommateurs appuient généralement l'édition génétique lorsqu'elle offre des avantages tangibles, comme une utilisation réduite des pesticides ou une amélioration du contenu nutritionnel. La transparence dans l'étiquetage, l'évaluation des risques et la participation des intervenants sont essentielles pour renforcer la confiance.

Intégration aux programmes de reproduction

Une fois qu'une modification souhaitable est générée, elle doit être introduite dans des milieux génétiques adaptés qui fonctionnent bien dans des environnements cibles. Ceci se fait souvent par rétrocroisement ou progression rapide de la génération avec des marqueurs moléculaires. Les techniques de reproduction de vitesse – les plantes en croissance sous des photopériodes prolongées – peuvent accélérer ce processus, permettant aux éleveurs de produire des lignes modifiées prêtes à être testées sur le terrain en un à deux ans, comparativement aux cinq à sept ans nécessaires pour l'introgression des caractères traditionnels.

De plus, le CRISPR peut être utilisé pour introduire une résistance aux variétés orphelines ou sous-améliorées qui sont adaptées à des conditions marginales mais qui manquent de génétique moderne, ce qui est particulièrement important pour le riz dans les écosystèmes pluviaux et le blé dans les régions en développement où les épidémies de rouille causent des pertes chroniques.

Études de cas : du laboratoire au terrain

CRISPR-Edited Rice in the Philippines: L'Institut international de recherche sur le riz (IRRI) a développé une variété de riz résistant à la brûlure bactérienne en utilisant CRISPR pour modifier le promoteur OsSWEET14. Des essais en champ confinés aux Philippines ont montré que les lignées modifiées maintiennent une résistance sous pression de maladies naturelles pendant plusieurs saisons. IRRI travaille actuellement avec des partenaires locaux pour obtenir l'approbation réglementaire et développer des pipelines de multiplication des semences.

Powdery Mildew–Resistant Wheat in the United Kingdom: Des scientifiques du John Innes Centre ont produit des lignées de blé avec des gènes modifiés TaMlo.Ces lignées ont été testées sur le terrain sous licence du ministère britannique de l'Environnement, de l'Alimentation et des Affaires rurales (Defra). Les résultats publiés en 2023 ont montré que le blé modifié présentait une forte résistance au mildeu poudreux sans perte de rendement, confirmant ainsi la viabilité commerciale de l'approche.

Orientations futures et outils émergents

La prochaine génération d'outils CRISPR comprend des éditeurs de base, qui peuvent convertir un nucléotide en un autre sans causer de ruptures à double brin, et des éditeurs principaux, qui peuvent insérer des séquences précises ou des mutations ponctuelles correctes. Ces technologies permettront un contrôle encore plus fin sur la fonction génique, permettant de créer des allèles de gain de fonction ou de réparer des gènes de résistance défectueux qui existent dans les familles sauvages. L'édition multiplex, où plusieurs gènes sont modifiés simultanément à l'aide de multiples ARN guides, est déjà utilisée pour pyramider la résistance contre de multiples pathogènes.

L'activation du CRISPR (CRISPRa) et l'interférence (CRISPRi) utilisent des cellules de type Cas9 mortes par catalyseur pour les activateurs ou les répresseurs transcriptionnels pour les gènes cibles à régulation ascendante ou descendante sans modifier leur séquence d'ADN. Ces outils sont utiles pour étudier la fonction génique et peuvent éventuellement servir à affiner les réponses au stress dans les cultures sans changements génomiques permanents.

La capacité du CRISPR à introduire des allèles de résistance connus dans le germoplasme d'élite en une seule saison de croissance en fait un outil idéal pour réagir aux pathogènes émergents et aux changements environnementaux.Les efforts en cours, comme l'initiative CGIAR Accélération de la reproduction[, intègrent le CRISPR dans leurs pipelines pour accélérer la livraison de variétés de blé et de riz résistant au climat aux petits exploitants.

Conclusion

La technologie CRISPR a dépassé le laboratoire et est maintenant déployée dans les essais sur le terrain pour le blé et le riz, démontrant ainsi son potentiel de résistance durable aux ravageurs, aux pathogènes et aux stress abiotiques.Les exemples de riz résistant à la brûlure bactérienne, de blé résistant à la moisissure poudreuse et de riz tolérant à la sécheresse soulignent l'ampleur des applications.Bien que les obstacles techniques – tels que la livraison efficace, la minimisation hors cible et l'indépendance du génotype – demeurent des domaines de recherche actifs, chacun d'entre eux est abordé avec des solutions novatrices.Les progrès réglementaires dans les principaux pays agricoles s'alignent progressivement sur le consensus scientifique, et l'acceptation du public s'accroît à mesure que les avantages de la réduction des intrants chimiques et des rendements stables deviennent évidents.

Pour plus de détails, voir l'examen sur les demandes de CRISPR dans le riz et l'examen du génome dans le blé. Sources institutionnelles comme IRRI et John Innes Centre[ fournissent des mises à jour sur les essais sur le terrain et les jalons réglementaires.