L'utilisation du génie génétique pour augmenter le rendement de la biomasse dans l'herbe de commutation

Pourquoi le switchgrass compte pour la bioénergie

Contrairement aux cultures vivrières comme le maïs ou la canne à sucre, la culture de la plante ne concurrence pas directement la production alimentaire. Elle peut être cultivée sur des sols érosifs et à faible fertilité qui ne conviennent pas aux cultures en rangée, réduisant la pression sur les terres agricoles de premier plan. La plante et la nature vivace exigent seulement une récolte annuelle après l'établissement, réduisant ainsi les perturbations du sol et les coûts d'entrée.

La biomasse de Switchgrass produit la biomasse lignocellulosique composée principalement de cellulose, d'hémicellulose et de lignine. Cette biomasse peut être convertie en éthanol, butanol ou d'autres biocarburants avancés par des procédés biochimiques ou thermochimiques.Le rendement par acre est un facteur économique clé : une biomasse plus élevée se traduit directement en plus de litres de combustible par hectare et en moins de coûts de production.

Techniques de génie génétique appliquées à Switchgrass

CRISPR-Cas9 Édition de génome

Dans le cas de la culture par alternance, les chercheurs ont utilisé le CRISPR pour éteindre les gènes qui régulent négativement la croissance ou détournent les ressources de l'accumulation de biomasse. Par exemple, cibler les gènes dans DWARF[ ou MAX (croissance plus axillaire) les familles peuvent modifier l'architecture végétale pour produire plus de labours et de tiges plus grandes. Une étude de référence 2020 a démontré la mutagenèse ciblée du gène PvSPL1, ce qui entraîne une augmentation de la longueur internodéale et de la hauteur globale des plantes dans la culture par alternance sans effets négatifs apparents sur la floraison ou la fertilité.

Approches transgéniques

Avant le CRISPR, les chercheurs s'appuyaient principalement sur des méthodes transgéniques pour introduire de nouveaux gènes dans l'herbe de commutation. Agrobacterium tumefaciens-médiation de la transformation et du bombardement des particules biolistes ont été utilisés pour intégrer de façon stable l'ADN étranger. L'une des stratégies transgéniques les plus réussies consiste à surexprimer des facteurs de transcription qui régulent la biosynthèse des parois cellulaires. Par exemple, l'expression constitutive de PvMYB4 ou PvWRKY42 a été montrée pour augmenter la teneur en cellulose et réduire la lignine, ce qui facilite la décomposition de la biomasse au cours de la conversion du biocarburant.

En introduisant des gènes pour la synthèse du polyhydroxyalcanoate (PHA), les chercheurs ont créé des plantes qui accumulent des bioplastiques dans leur biomasse. Bien que la culture du polyhydroxyalcanoate (PHA) soit encore expérimentale, les stratégies pourraient augmenter la valeur économique de chaque tonne de biomasse, ce qui permettrait aux agriculteurs de mieux tirer profit de la culture du polyhydroxyalcanoate (PHA).

Sélection assistée par un marqueur et sélection génomique

Bien que ce ne soient pas strictement le génie génétique, la sélection assistée par marqueurs (SMA) et la sélection génomique (GS) sont de puissants outils complémentaires. En identifiant les loci quantitatifs de caractères (QTL) associés au rendement de biomasse, à l'efficacité de l'utilisation de l'eau et à l'efficacité de l'utilisation de l'azote, les sélectionneurs peuvent accélérer le développement de lignées d'élite.

Principaux caractères cibles pour l'amélioration de la biomasse

Composition et digestibilité des parois cellulaires

Leur composition et #8211; en particulier le rapport cellulose/lignine et l'hémicellulose & #8211; affecte directement le rendement et l'efficacité de conversion. La lignine fournit une rigidité structurelle mais empêche la saccharification enzymatique. Modifier les gènes biosynthétiques de la lignine (p. ex. ]PvPAL[, Pv4CL[, PvCCoAOMT) peut réduire la teneur en lignine ou modifier sa composition monomère pour la rendre plus propice au prétraitement chimique.

Inversement, l'augmentation de la biosynthèse de la cellulose par surexpression des gènes de la cellulose synthase (CesA[) ou par downrégulation des régulateurs négatifs tels que PvKOR1 peut augmenter la fraction de paroi cellulaire disponible pour la conversion de l'énergie.Les deux stratégies ont été démontrées dans les essais en serre, certaines lignées transgéniques montrant une augmentation de 10 à 15 % de la teneur en cellulose par gramme de biomasse.

Tolérance au stress : sécheresse, froid et salinité

La surexpression des gènes PvDREB1 ou PvNCED[ impliqués dans la signalisation de l'acide abscisique (ABA) a été démontrée pour améliorer l'efficacité de l'utilisation de l'eau et réduire la perte de rendement sous le déficit hydrique. De même, la surréglementation des gènes sensibles au froid tels que PvCBF[ peut prolonger la saison de croissance dans les latitudes nord, permettant à l'herbe de basculer pour capitaliser sur les fenêtres de croissance du début du printemps et de la fin de l'automne. La tolérance à la salinité devient de plus en plus importante au fur et à mesure que les cultures bioénergétiques sont poussées sur des terres marginales avec des sols salins.

Efficacité photosynthétique et partage du carbone

La photosynthèse de l'enzyme C4 est déjà plus efficace que les voies C3, mais il reste encore beaucoup à faire. La photosynthèse de l'enzyme C4 phosphoénolpyruvate carboxylase (PvPEPC[) ou la pyruvate phosphate dikinase ([PvPPDK[) peut augmenter le taux de fixation du carbone. La manipulation des gènes qui régulent la synthèse de l'amidon et du saccharose peut également réaffecter davantage le carbone fixe dans la biomasse structurelle plutôt que dans les réserves de stockage.

Durée de floraison et de croissance

En cas de chute ou de surexposition PvFT ou PvCONSTANS[ homologues, les chercheurs ont produit des lignées qui retardent la floraison de 2 à 4 semaines dans le champ. Cette phase végétative prolongée permet une production plus importante de feuilles et de tiges, augmentant directement la biomasse récoltable. Dans certaines variétés adaptées au nord, la floraison retardée empêche également les dommages causés par le gel pendant une période de chasse tardive.

Études de cas et résultats expérimentaux dans le monde réel

Plusieurs études notables illustrent le potentiel du génie génétique dans l'herbe à bascule.À l'Université de Floride, une équipe dirigée par le Dr Fredy Altpeter a utilisé CRISPR pour abattre le gène PvKO, qui code l'acide ent-kaurenoïque oxydase, une enzyme clé dans la biosynthèse de la gibberelline. Les lignées de crachat résultantes produisent des chaumes plus courts et plus robustes avec un diamètre de tige accru et une biomasse plus élevée par plante.

Au US Department of Energy , les chercheurs ont ciblé le gène PvIRX10 impliqué dans la biosynthèse du xylan. La réduction de la teneur en xylan a réduit la récalcitrance de la biomasse, ce qui a entraîné une augmentation des rendements en sucre après prétraitement. Fait important, les modifications n'ont pas compromis la résistance à la résistance ou à la maladie, comme l'ont confirmé les parcelles de terrain à petite échelle.

Défis et considérations

Risques environnementaux et écologiques

Les chercheurs mettent au point des stratégies de biocontainment, comme l'ingénierie de la stérilité masculine ou de la transformation des chloroplastes (qui est héritée de la mère et ne se déplace pas par le pollen). Les protocoles de surveillance et les zones tampons peuvent atténuer davantage les risques d'évasion. De plus, l'introduction de caractères comme la tolérance accrue au stress pourrait augmenter par inadvertance le potentiel envahissant. Des évaluations d'impact écologique approfondies sont nécessaires avant toute dissémination déréglementée.

Les obstacles réglementaires

Aux États-Unis, les cultures génétiquement modifiées sont sous la surveillance de l'USDA, de l'EPA et de la FDA, selon la nature de la modification. Les plantes issues de la génétique qui ne contiennent pas d'ADN étranger (p. ex. petites suppressions ou mutations ponctuelles) peuvent être soumises à une réglementation moins stricte si elles auraient pu être élaborées par l'élevage traditionnel. Toutefois, le paysage réglementaire est toujours en évolution et le public se méfie souvent du génie génétique.

Défis techniques et biologiques

L'efficacité de la transformation reste relativement faible et l'expression stable des transgènes sur plusieurs générations peut être variable.Les chercheurs s'efforcent d'améliorer les protocoles de transformation en utilisant des souches nouvelles Agrobacterium[ et des méthodes améliorées de culture tissulaire.Un autre problème est que de nombreux caractères liés au rendement sont polygéniques, contrôlés par de nombreux gènes à faible effet.

Perception du public et acceptation du marché

L'acceptation par les consommateurs et l'industrie des cultures GM bioénergétiques est généralement plus favorable que pour les cultures vivrières, mais il existe encore une opposition. Il est essentiel d'établir un étiquetage clair, de communiquer de façon transparente les risques et de s'engager avec les intervenants (y compris les agriculteurs, les groupes de conservation et les exploitants de bioraffineries).

Perspectives et innovations futures

La prochaine décennie promet des progrès rapides dans le génie génétique de l'herbe de commutation. Les outils de biologie synthétique, tels que les facteurs de transcription de concepteurs et les modules de microARN conçus, permettront aux chercheurs de peaufiner l'expression des gènes avec précision spatiale et temporelle. L'utilisation de plates-formes phénotypées à haut débit (drones, capteurs et imagerie automatisée des plantes) accélérera le dépistage des lignes conçues dans les environnements de terrain.

Par exemple, les ingénieurs explorent des moyens de faire exsuder des molécules de haute énergie (p. ex., isoprène ou terpène) directement dans la rhizosphère, où elles peuvent être récoltées sans récolter la plante elle-même. Cette & #8220;phytosynthèse” concept pourrait réduire considérablement les coûts de récolte et de transport. Entre-temps, les efforts visant à améliorer la fixation de l'azote par l'introduction de gènes azotés (actuellement difficiles en raison de la sensibilité à l'oxygène) pourraient un jour permettre à la switchgrass de produire son propre engrais, réduisant encore l'empreinte environnementale de la bioénergie.

Les collaborations internationales, comme l'Agence internationale de l'énergie et le numéro 8217; la tâche 39 de la bioénergie, harmonisent les efforts de recherche et échangent du matériel génétique et des données. L'intérêt du secteur privé est également en hausse, plusieurs entreprises de biotechnologie agricole investissant dans des cultures de bioénergie spécialisées.

Conclusion

En ciblant des gènes spécifiques qui régulent la composition des parois cellulaires, la tolérance au stress, l'efficacité photosynthétique et la durée de croissance, les chercheurs ont déjà démontré des gains de rendement à deux chiffres en pourcentage dans des environnements contrôlés et des essais de terrain précoces. Les défis liés à la régulation, au risque écologique et à la complexité technique demeurent, mais ils sont abordés par une recherche rigoureuse et une innovation responsable. Alors que le monde s'efforce de décarboner son approvisionnement énergétique, les variétés de graminées améliorées peuvent jouer un rôle central dans une bioéconomie durable.