Gene Editer Ushers a New Ere for Pasture Grasses in Arid Climates

Les modèles climatiques prédisent des sécheresses plus fréquentes et plus graves dans nombre de ces régions, la course au développement de graminées qui peuvent résister à des périodes de sécheresse prolongées s'est intensifiée. Au premier plan de cet effort est l'édition génétique, une série d'outils moléculaires offrant une précision et une rapidité sans précédent dans l'adaptation des traits végétaux. Plutôt que de s'appuyer sur le processus de croisement traditionnel lent et multigénérationnel ou sur les insertions aléatoires de l'ingénierie génétique précoce, l'édition génétique – en particulier le système CRISPR-Cas9 – permet aux scientifiques de procéder à des changements ciblés et héréditaires directement au sein du génome herbacé. Cette technologie est maintenant appliquée à des espèces fourragères clés comme le bermudagrass, le fétuque élevé, le ryegrass vivace et le bahiagrass, dans le but d'améliorer leur tolérance à la sécheresse sans sacrifier leur rendement ou leur qualité nutritionnelle.

Comprendre la précision de la technologie d'édition de gènes

Pour comprendre comment l'édition génétique transforme le développement de l'herbe de pâturage, il est essentiel de comprendre le mécanisme sous-jacent. L'édition génétique se réfère à un ensemble de techniques qui introduisent des modifications ciblées à un organisme ADN. Contrairement aux méthodes plus anciennes telles que la mutagenèse aléatoire ou la transgenèse (où l'ADN étranger est inséré), l'édition génétique permet aux scientifiques de créer des changements génétiques spécifiques, tels que l'insertion, la suppression ou le remplacement de nucléotides à des endroits prédéterminés.

CRISPR-Cas9: L'outil le plus largement utilisé

Le système CRISPR-Cas9, adapté à partir d'un mécanisme immunitaire bactérien, est devenu le cheval de bataille de l'édition des gènes végétaux. Il se compose de deux composants clés : un ARN-guide qui correspond à la séquence d'ADN cible et une enzyme Cas9 qui agit comme ciseaux moléculaires. Lorsqu'il est introduit dans une cellule végétale, le guide RNA dirige Cas9 vers l'emplacement génomique précis, où il coupe les deux brins d'ADN. La cellule possède une machine de réparation puis se met en marche – soit par l'intermédiaire de l'assemblage de bout non homologueux (NHEJ) ou de la réparation dirigée par homologie (HDR).

Autres approches de modification de gènes

Bien que CRISPR-Cas9 domine le champ, d'autres plateformes comme les TALEN (effecteurs de type activateur de transcription) et les ZFN (nucléases de doigt de zinc) ont été utilisées dans des travaux antérieurs et sont toujours utilisées pour des applications spécifiques. Les TALEN et les ZFN dépendent de la reconnaissance de l'ADN à base de protéines plutôt que de l'ARN, ce qui les rend plus complexes à concevoir, mais parfois offrant des avantages lors de l'édition de séquences très répétitives communes dans les génomes de l'herbe.

Mécanismes de tolérance à la sécheresse : quels gènes sont ciblés

La tolérance à la sécheresse dans les graminées n'est pas un trait unique, mais un réseau complexe de réponses physiologiques, biochimiques et de développement. Les stratégies de montage génétique visent généralement à améliorer une ou plusieurs de ces voies d'adaptation.

Les gènes de liaison des éléments réactifs (DREB)

La famille des facteurs de transcription DREB est parmi les plus étudiés en tolérance à la sécheresse.Ces protéines activent des gènes en aval qui protègent les cellules contre la déshydratation, y compris ceux impliqués dans la synthèse des osmolytes, les protéines chaperonnes et les enzymes de désintoxication. Dans la fétuque haute et la bermudagrass, on a montré que la surexpression des variantes DREB1 ou DREB2 améliore la survie sous le stress simulé de sécheresse.

Voie de signalisation de l'acide abscisique (ABA)

Lorsque l'eau devient limitative, l'ABA déclenche la fermeture stomatique, réduit la transpiration et induit l'expression de gènes protecteurs. Modifier les nœuds clés du réseau de signalisation ABA – comme PYR/PYL/RCAR[ les récepteurs, les phosphatases PP2C ou SnRK2kinases – peut affiner la réactivité de la plante. Par exemple, l'élimination des régulateurs négatifs de signalisation ABA (comme certains PP2C) peut sensibiliser la plante à de faibles niveaux d'ABA, ce qui permet une réponse plus rapide à la sécheresse.

Architecture racine et prise d'eau

Un système racinaire plus profond et plus ramifié est l'une des stratégies d'évitement de la sécheresse les plus efficaces dans les graminées. Les gènes qui contrôlent l'angle racinaire, l'allongement et la ramification, tels que DRO1 (Deeper Rooting 1) et divers transporteurs d'auxines, sont des cibles prometteuses.Dans le riz, la modification de DRO1 a modifié la profondeur des racines; des modifications similaires sont en cours d'exploration dans des graminées comme le fétuque et le bahiagrass.

Retenue des cires cuticulaires et de l'eau

La cuticule végétale, couche cireuse couvrant les feuilles et les tiges, agit comme première barrière contre la perte d'eau. Les gènes impliqués dans la biosynthèse de la cire, tels que CER1, CER3 et WSD1[, sont ciblés pour améliorer l'épaisseur et la composition de la cuticule. Chez de nombreuses espèces de graminées, une augmentation de la teneur en cire cuticulaire a été corrélée avec une diminution de la perte d'eau non stomatale. L'édition des gènes permet une régulation plus précise de ces voies de production de cire sans les effets pléotropes souvent observés dans des approches moins ciblées.

Progrès de la recherche et études de cas sur les espèces d'herbes de pâturage

Bermudagrass [Cynodon dactylon[]

Les chercheurs de l'Université de Géorgie et de l'Institut de recherche Noble ont utilisé CRISPR-Cas9 pour cibler CdDREB2A (un gène DREB) et CdNCED1 (un gène de biosynthèse ABA) dans Bermudagrass. Les lignes modifiées portant un promoteur plus puissant CdDREB2A[ ont montré des taux de survie de 30 à 40 % après deux semaines sans irrigation, tout en maintenant une croissance quasi normale après la récupération.

Fescue [Lolium arundinaceum)

Le fescue de grande taille est une herbe fourragère de saison fraîche dominante dans la zone de transition américaine et dans certaines parties de l'Europe. Son champignon endophytique naturel (Epichloë coenophiala) offre une certaine tolérance au stress, mais la sécheresse demeure une limite majeure.Les travaux menés par des chercheurs en Nouvelle-Zélande et aux États-Unis ont porté sur l'édition FDREB1A et FSDIR1[ (un gène impliqué dans la sensibilité ABA).

Lolium perenne

Les ryegrass perennial sont l'épine dorsale des systèmes de pâturages dans des régions tempérées comme la Nouvelle-Zélande, l'Irlande et le Royaume-Uni. Historiquement élevés pour un rendement élevé et une persistance, sa tolérance à la sécheresse est à la traîne par rapport à celle des fétuques. Des projets récents de retouche génétique à AgResearch (Nouvelle-Zélande) et à l'Institut de recherche sur les prairies et l'environnement (Royaume-Uni) ont ciblé LpPP2C[ (régulateur négatif ABA) et un transporteur auxin, LpPIN1b[, pour un enracinement plus profond.

Avantages pour l'agriculture et l'environnement

Production fourragère stabilisée

Les rendements de fourrage les plus élevés sont les rendements plus constants pendant les années sèches. Pour les éleveurs qui dépendent du pâturage plutôt que des aliments entreposés, une amélioration des rendements de 20 à 30 % pendant une sécheresse modérée peut signifier la différence entre le maintien de l'état du corps animal et le déstockage massif. Dans des régions comme les Pampas d'Amérique du Sud ou la ceinture de blé ovin australienne, où les pâturages sont la principale source d'alimentation, même des gains modestes de tolérance à la sécheresse ont des effets économiques importants.

Réduction des demandes d'irrigation

De nombreuses exploitations de pâturages irrigués, en particulier dans les régions soumises à des contraintes hydriques comme l'ouest des États-Unis et l'Asie centrale, appliquent de 600 à 1 000 mm d'eau par saison. Les graminées à oléagineux qui nécessitent de 20 à 30 % de moins d'eau pour maintenir des rendements acceptables pourraient libérer cette eau pour d'autres usages, y compris la consommation humaine ou les flux environnementaux.

Amélioration de la santé des sols et de la séquestration du carbone

Les graminées, avec leur port de croissance pérenne, sont déjà efficaces pour construire le carbone du sol. Les variétés profondément enracinées et tolérantes à la sécheresse pourraient améliorer ce service. Selon les estimations de l'Institut Savory et de l'Institut Rodale, une meilleure gestion des pâturages combinée à des graminées vivaces mieux adaptées pourrait séquestrer 1 à 3 tonnes d'équivalent CO2 par hectare par année, contribuant à atténuer les changements climatiques.

Nutrition et bien-être des animaux

Les graminées stressées par la sécheresse ont souvent des protéines brutes et une digestibilité plus faibles, ce qui peut réduire le gain de poids et la production de lait chez les animaux de pâturage. Les lignées de produits génétiquement modifiés qui maintiennent une meilleure qualité nutritionnelle pendant la limitation de l'eau contribueraient à maintenir les performances animales.

Défis et considérations éthiques

Changements génétiques non prévus

Même avec la haute spécificité du CRISPR-Cas9=, des modifications hors-cible peuvent se produire. Chez les plantes, celles-ci sont généralement rares et peuvent être minimisées par un guide attentif de conception de l'ARN et l'utilisation de variantes Cas9 haute fidélité. Cependant, pour les graminées de pâturage, qui ont souvent de grands génomes polyploïdes (tout le fésu est hexaploïde, par exemple), le risque n'est pas nul.

Évasion écologique et flux de gènes

Une fois libérées dans l'environnement, les graminées génétiquement modifiées pourraient potentiellement se croiser avec des espèces sauvages.C'est une préoccupation particulière dans les centres d'origine de nombreuses espèces d'herbes, comme le bassin méditerranéen pour les fétuques ou l'Afrique de l'Est pour les bermudagrass. Si les gènes de tolérance à la sécheresse se propagent aux populations sauvages, ils pourraient fournir un avantage concurrentiel qui perturbe les écosystèmes naturels.

Divergence réglementaire et accès aux marchés

Les attitudes réglementaires mondiales à l'égard des cultures génétiquement modifiées demeurent fragmentées.Les États-Unis, l'Argentine, le Canada, le Japon et le Brésil ont adopté des cadres fondés sur des produits qui dispensent généralement certaines plantes génétiquement modifiées des règlements sur les OGM s'ils ne contiennent pas d'ADN étranger. En revanche, la Cour de justice de l'Union européenne a statué en 2018 que les organismes génétiquement modifiés devraient être soumis aux mêmes réglementations strictes que les OGM, position qui a ralenti le développement de la recherche sur les pâturages en Europe.

Acceptation et transparence du public

La perception des consommateurs de l'édition génétique dans les cultures vivrières varie considérablement, certains la considèrent comme une extension naturelle de la reproduction traditionnelle, d'autres l'assimilent aux OGM.Pour les graminées de pâturage qui ne sont pas directement consommées par les humains (mais plutôt les animaux d'élevage qui produisent de la viande et du lait), l'acceptation peut être plus élevée, mais elle n'est pas garantie.

Orientations futures : combiner la modification génétique et d'autres innovations

En ce qui concerne l'avenir, les développements les plus pertinents intégreront probablement l'édition génétique à d'autres outils et pratiques.

  • Édition de genre + reproduction de précision:[ Les modifications peuvent être combinées avec la sélection assistée par marqueur et la reproduction de vitesse pour empiler rapidement plusieurs caractères (tolérance à la sécheresse, résistance aux ravageurs, meilleure digestibilité) dans des cultivars d'élite.
  • Une recherche récente sur le sorgho et le maïs a montré que les exsudats de racines peuvent façonner le microbiome du sol pour améliorer la tolérance à la sécheresse.
  • Édition de gènes + agriculture numérique:[ Les capteurs d'imagerie satellite et de terrain peuvent identifier précisément quand et où se produit le stress de sécheresse.
  • Par exemple, les graminées modifiées conçues pour se remettre rapidement d'une défoliation sévère pourraient permettre des stratégies de pâturage adaptatives telles que des rotations à forte densité et à courte durée, qui améliorent elles-mêmes la rétention de l'eau du sol.

La recherche se développe également en vue de la modification de la tolérance à la chaleur et au sel simultanément, car de nombreuses régions sujettes à la sécheresse font également face à la salinisation du sol et à l'augmentation des températures.

Conclusion : Un outil essentiel pour une agriculture respectueuse du climat

L'édition de gènes n'est pas une solution miracle pour la sécheresse, elle ne peut pas non plus remplacer des systèmes agricoles et de gestion de l'eau sains. Cependant, elle offre l'un des leviers les plus puissants dont disposent les spécialistes des plantes : la capacité d'accélérer la sélection naturelle en laboratoire, en améliorant précisément les traits qui existent déjà dans le génome des graminées. Comme les graminées de pâturage sont le fondement du secteur mondial de l'élevage, toute amélioration de leur cascade de tolérance à la sécheresse par la production alimentaire, les moyens de subsistance ruraux et la santé environnementale.

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