Présentation

La population mondiale devrait atteindre près de 10 milliards d'habitants d'ici 2050, exigeant une augmentation de 60 à 70 % de la production alimentaire. Parallèlement, les terres arables par habitant continuent de diminuer et le changement climatique introduit de nouveaux stress abiotiques et biotiques. L'élevage des semences – l'art et la science de la création de meilleures variétés végétales – est au centre de ce défi. Les méthodes traditionnelles de croisement, qui ont servi l'humanité pendant des millénaires, évoluent maintenant trop lentement pour suivre ces pressions.

Ces innovations, qui s'étendent sur la génomique, l'édition de gènes, la phenomics et la biologie synthétique, s'emploient à comprimer les cycles de reproduction de dix ans à quelques années seulement tout en augmentant la précision de la sélection. Cet article explore les technologies émergentes clés qui remodelent la sélection des semences pour obtenir un potentiel de rendement supérieur, fournissant des explications détaillées sur le fonctionnement de chaque technologie, ce qu'elle a réalisé jusqu'à présent et quels défis restent à relever avant que sa promesse ne puisse être pleinement réalisée.

Besoin urgent d'un potentiel de rendement plus élevé

Au cours du XXe siècle, la Révolution verte a considérablement augmenté les plafonds de rendement grâce à des gènes semi-devanouissants, à des engrais améliorés et à l'irrigation.Mais les gains de rendement dans les principales céréales ont ralenti, phénomène appelé plateau de rendement. . Pendant ce temps, les phénomènes météorologiques extrêmes liés au changement climatique réduisent les rendements réels en deçà de leur potentiel.

Les technologies émergentes offrent trois leviers distincts pour augmenter le potentiel de rendement : 1) accélérer le taux de gain génétique par cycle de reproduction, 2) identifier et empiler plusieurs gènes qui augmentent le rendement en une seule variété, et 3) ingénierie de caractères physiologiques entièrement nouveaux qui étaient auparavant impossibles à réaliser par des moyens conventionnels.

Sélection génomique et sélection assistée par marquage

Comment fonctionne la sélection génomique

Dans un programme typique de GS, les sélectionneurs assemblent d'abord une population de plusieurs centaines à plusieurs milliers de plantes génotypées (en utilisant des réseaux SNP ou un séquençage à génome entier) et phénotypées pour des caractéristiques cibles telles que le rendement en grains, la hauteur des plantes et le temps de floraison. Un modèle statistique – souvent un algorithme bayésien ou un algorithme d'apprentissage automatique – apprend la relation entre des milliers de marqueurs génétiques et le trait d'intérêt. Une fois le modèle formé, les nouvelles plantes candidates n'ont besoin que d'être génotypées; le modèle prédit leur valeur de reproduction avec une grande précision, permettant aux sélectionneurs de sélectionner les meilleurs individus sans attendre des essais sur le terrain pluriannuels.

Cette méthode réduit considérablement le cycle de sélection. La sélection conventionnelle de pédigrees pour une culture autopollinisante comme le blé nécessite de six à huit générations pour atteindre l'homozygotie; GS peut réduire cela à deux à trois générations. Le Centre international d'amélioration du maïs et du blé (CIMMYT) a utilisé le GS pour augmenter le gain génétique pour le rendement en grains du maïs tropical de plus de 3% par année, soit le double du taux obtenu avec les méthodes conventionnelles.

Retour-croisement assisté par un marqueur

Bien que le GS prédise la performance globale, le rétrocroisement assisté par marqueurs (MABC) est utilisé pour introduire des gènes spécifiques dans des milieux élites. Par exemple, le gène Sub1 pour la tolérance à l'immersion dans le riz a été transféré avec succès dans des variétés à rendement élevé à l'aide de marqueurs moléculaires, créant des lignées qui peuvent survivre à une inondation complète pendant jusqu'à deux semaines sans sacrifier le potentiel de rendement.

Une des limites de la sélection assistée par marqueurs est qu'elle fonctionne mieux pour les caractères contrôlés par un petit nombre de gènes majeurs. Pour des caractères hautement polygéniques comme le rendement, GS est plus approprié.

Intégration de la vitesse de reproduction

La sélection génomique offre toute sa puissance lorsqu'elle est combinée à des protocoles d'environnement contrôlés par la vitesse de reproduction qui manipulent la photopériode et la température pour accélérer le développement des plantes. Par exemple, le système de sélection -vitesse développé à l'Université du Queensland peut produire jusqu'à six générations de blé par année au lieu d'une ou deux générations.

Référence externe: Rapport CIMMYT sur la sélection génomique du maïs

CRISPR-Cas9 et édition de gènes

Précision et vitesse du CRISPR

CRISPR-Cas9 est un outil d'édition de gènes dérivé d'un système immunitaire bactérien. Il utilise un ARN guide pour diriger la Cas9 nucléase pour couper l'ADN à un endroit précis. La cellule des mécanismes de réparation naturels introduit ensuite de petites insertions, suppressions, ou substitutions – ou permet l'insertion d'un nouveau modèle d'ADN. Contrairement aux OGM transgéniques, qui introduisent souvent l'ADN étranger d'espèces non apparentées, les modifications du CRISPR peuvent être indistinctibles des mutations naturelles.

Pour améliorer le rendement, le CRISPR a été utilisé pour modifier les gènes qui contrôlent l'architecture végétale, la taille du grain et la tolérance au stress. Un exemple marquant est l'édition de GS3, GW2 et GW5 gènes du riz pour augmenter le poids et la longueur du grain.

Améliorer l'efficacité photosynthétique

Une application particulièrement ambitieuse du CRISPR est d'améliorer l'efficacité photosynthétique. L'enzyme Rubisco est notoirement inefficace, et les efforts pour le remplacer par des variantes plus rapides des algues ou des cyanobactéries ont été limités par la complexité du génome chloroplastique. Le CRISPR permet une édition précise des gènes nucléaires qui régulent l'assemblage et l'activité du Rubisco. Les chercheurs ont également utilisé le CRISPR pour supprimer les gènes qui provoquent la photorespiration, un processus gaspillé qui réduit la fixation du carbone.

Défis de la réglementation et de la perception du public

Malgré son potentiel, les cultures issues de la CRISPR font l'objet d'une réglementation mondiale inégale.La Cour de Justice européenne a statué en 2018 que les organismes issus de la synthèse génomique sont soumis aux mêmes réglementations strictes que les OGM, ce qui bloque efficacement les essais sur le terrain en Europe. En revanche, le département américain de l'Agriculture a déclaré qu'il ne réglementera pas les cultures modifiées qui auraient pu être produites par mutagenèse conventionnelle, ouvrant la porte à la commercialisation.

Référence externe: Article de nature sur la photorespiration améliorée par le CRISPR dans le riz

Technologies de phénotypage et d'imagerie

Plateformes de phénotypage à haut débit

Le phénotypage traditionnel – mesure de la hauteur de la plante, du nombre de peuplements et du rendement à la main – est une méthode qui exige beaucoup de travail, de la lenteur et de la possibilité d'erreur. Le phénotypage à haut débit (HTP) automatise la collecte de données à l'aide de capteurs montés sur drones, tracteurs ou portiques fixes. Ces capteurs capturent la réflectance spectrale, l'infrarouge thermique, les nuages de points 3D et les images multispectrales qui se corrélent avec des caractéristiques physiologiques comme l'état de l'azote, la teneur en eau et l'activité photosynthétique.

Par exemple, un drone équipé d'une caméra multispectrale peut survoler une pépinière de reproduction du blé et capturer des données de l'indice de végétation de différence normalisée (IVND) pour des milliers de placettes en minutes. L'IVND est fortement corrélé avec la biomasse et le potentiel de rendement.

Phénotypage des racines et caractères cachés

Le potentiel de rendement est influencé non seulement par les caractéristiques du sol, mais aussi par l'architecture des racines, qui détermine l'absorption de l'eau et des nutriments. Le phénotypage traditionnel des racines nécessite des fouilles destructrices, qui prennent du temps et sont impossibles à grande échelle. Les nouvelles technologies d'imagerie, y compris la tomographie par radar à pénétration au sol et par résistivité électrique, offrent des moyens non invasifs d'évaluer la profondeur des racines et les patrons de ramification.

Apprentissage automatique pour l'extraction de caractères

Les données brutes d'image sont inutiles sans analyse robuste. Les modèles d'apprentissage profond, en particulier les réseaux neuronaux convolutionnels (RCN), peuvent automatiquement compter les grains par panicule, mesurer la taille du noyau et marquer la gravité de la maladie à partir des images. Un RCN formé sur des images d'épis de blé a obtenu 96 % de précision dans le comptage des épillets, permettant la caractérisation rapide de milliers de lignées de reproduction.

Biotechnologie et biologie synthétique

Modification génétique des caractères de rendement

Bien que le CRISPR génère de petites modifications, la modification génétique traditionnelle (GM) permet l'introduction de gènes entièrement nouveaux ou de voies synthétiques qui n'existent pas dans le pool de gènes de la culture. L'un des caractères GM les plus efficaces pour améliorer le rendement est l'introduction de gènes Bt de Bacillus thuringiensis[ dans le maïs et le coton. En contrôlant les insectes nuisibles, les cultures de la Bt protègent le potentiel de rendement, estimé à une augmentation de 8 à 12 % du rendement en grains de maïs sous forte pression de ravageurs.

Biologie synthétique: Ingénierie Nouvelles voies

La biologie synthétique va plus loin en concevant et en construisant de nouveaux circuits biologiques.Les chercheurs ingénierie de la symbiose de fixation de l'azote dans des cultures non légumes comme le riz et le maïs. Si les cultures céréalières réussissent, ils pourraient fixer leur propre azote de l'atmosphère, réduisant le besoin d'engrais synthétiques et potentiellement augmenter le rendement en supprimant les limites d'azote.Le projet -C4 Rice vise à convertir le riz – une plante C3 – en une plante C4 plus efficace en introduisant l'anatomie de Kranz et la voie biochimique du maïs.

Génie du microbiome

Les traitements de semences avec des bactéries et des champignons bénéfiques (bioinoculants) peuvent améliorer l'absorption des nutriments et la tolérance au stress. Les approches avancées impliquent l'ingénierie du microbiome de semences lui-même – en sélectionnant ou en modifiant les microbes qui colonisent la rhizosphère et la phyllosphère pour favoriser la croissance des plantes. Par exemple, on a montré que les souches de Azospirillum[ et Peudomonas[ augmentent la surface des racines et le rendement en grain du blé de 5-10 % dans de multiples milieux de champ.

Reproductrice de semences résistantes au climat

Les nouvelles technologies sont appliquées spécifiquement pour améliorer la tolérance à la chaleur, la résistance à la sécheresse et l'adaptation aux inondations. La sélection génomique pour la tolérance thermique dans le sorgho a identifié des haplotypes marqueurs qui maintiennent le rendement en grains sous des températures supérieures à 40 °C. L'édition génétique a été utilisée pour modifier le gène SRL1 dans le riz afin de réduire la stérilité des épillets induite par la chaleur.

La reproduction de tolérance à la sécheresse a progressé grâce au déploiement du gène AtMYB44 dans le soja, ce qui a donné des lignées qui donnent 20% de plus que les témoins sous une sécheresse modérée.

Perspectives d'avenir

La convergence de la sélection génomique, de l'édition génétique, de la phenomics et de la biologie synthétique crée une accélération sans précédent du gain génétique. Au cours de la prochaine décennie, nous pouvons nous attendre à voir des architectures de cultures entièrement nouvelles, telles que les -idéotypes -conçus pour la récolte automatisée et la plantation de haute densité.

Toutefois, pour réaliser ce potentiel, il faut collaborer entre disciplines et entre secteurs. L'investissement public dans l'infrastructure génomique, les bases de données libres pour les marqueurs et les modèles et les essais à la ferme participatifs par les agriculteurs seront essentiels.Les cadres réglementaires doivent évoluer pour différencier l'édition génomique des OGM transgéniques, permettant des innovations sûres pour atteindre les agriculteurs sans retard inutile.

Les considérations éthiques doivent guider le déploiement : veiller à ce que les gains de rendement ne se fassent pas au détriment de la qualité nutritionnelle, à ce que les petits exploitants agricoles aient accès à des variétés améliorées et à ce que les brevets de semences ne restreignent pas le libre échange du germoplasme.

Ressources externes : Rapport de la FAO sur les nouvelles technologies de semences