Des chercheurs de KeyGene et de Wageningen University & Research (WUR), en collaboration avec des collègues du Japon et de Nouvelle-Zélande, ont découvert un gène qui permettra de produire des graines de cultures génétiquement identiques à la plante mère et ne nécessitant pas de pollinisation.
Ce phénomène, appelé apomixie, permet à des plantes présentant une combinaison souhaitable de caractères, de produire de nombreux descendants présentant la même combinaison souhaitable de gènes que la plante mère.
En collaboration avec des chercheurs de l’entreprise japonaise de sélection Takii, de l’entreprise néo-zélandaise Plant & Food Research et de l’université de Lincoln, les chercheurs de KeyGene et de la WUR expliquent dans un article publié dans la revue Nature Genetics le fonctionnement du gène et la manière dont il a influencé les travaux du « père de la génétique » Gregor Mendel. Cette découverte devrait conduire à des innovations majeures dans le domaine de la sélection végétale au cours des prochaines années.
Le gène découvert a reçu le nom de PAR, abréviation de parthénogenèse, le processus par lequel les ovules se transforment en embryons végétaux sans fécondation des ovules. Cette découverte marque une percée définitive et couronne le travail de l’équipe de recherche qui a débuté chez KeyGene il y a plus de 15 ans.
L’innovation en agriculture
L’apomixie est considérée comme le Saint Graal de l’agriculture. Les plantes apomictiques produisant des graines « clonales » à partir de la plante mère, le processus permet de capturer d’un seul coup des combinaisons uniques et supérieures des caractéristiques d’une plante. L’apomixie peut donc accélérer la sélection de cultures innovantes, rendre la production de semences moins coûteuse et apporter les avantages de la sélection hybride à un nombre beaucoup plus important d’espèces cultivées dans le monde.
Si l’importance de l’apomixie pour l’agriculture est reconnue depuis longtemps, elle n’a pas encore été introduite avec succès dans la pratique de la sélection végétale. En 2018, un gène a été découvert qui peut être utilisé pour la parthénogenèse chez le riz, mais les scientifiques savent maintenant que ce gène ne fonctionne malheureusement pas en dehors des graminées.
Quinze ans de recherche
Une équipe de scientifiques de la société de recherche KeyGene, aux Pays-Bas, a commencé à élucider la génétique de l’apomixie au début des années 2000. Dès le départ, l’idée était que la découverte de ces gènes pourrait signifier une percée pour l’utilisation de l’apomixie dans les cultures. En 2016, l’équipe de KeyGene a été la première à découvrir le gène DIP – le gène de la diplosporie, qui est l’une des deux étapes de l’apomixie.
Le gène DIP veille à ce que le nombre de chromosomes ne soit pas divisé par deux lors de la formation des ovules. L’autre étape cruciale de l’apomixie est que cette cellule œuf (ou zygote) avec ce nombre normal de chromosomes commence à se diviser sans fécondation et se développe en un embryon. Ce processus est appelé parthénogenèse. Les chercheurs de KeyGene ont donc commencé à chercher le gène PAR et ont impliqué le groupe de biosystématique de l’université et de la recherche de Wageningen dans cette recherche.
Pissenlit
L’équipe a utilisé le pissenlit dans ses recherches, l’une des quelque 400 espèces de plantes sauvages connues pour se reproduire par apomixie. Le gène PAR permet aux ovules de se développer en un embryon végétal sans qu’il y ait de fécondation. Les chercheurs de KeyGene ont prouvé que le gène PAR est actif dans le pollen.
La cellule œuf dupée
Un groupe de l’université et de la recherche de Wageningen a également participé à l’étude et a montré que le gène PAR est normalement inactif dans les ovules. Le gène PAR ne devient normalement actif dans l’ovule qu’après la fécondation, qui se divise ensuite pour créer un embryon végétal. Dans les ovules des pissenlits qui forment des graines par apomixie, le gène PAR s’est avéré être activé avant la fécondation. En d’autres termes, ces ovules « pensent » être fécondés et commencent à se diviser sans que la fécondation ait eu lieu.
Épervières (Hawkweed)
En Nouvelle-Zélande, les gènes de la parthénogenèse sont également étudiés par des chercheurs de l’université de Lincoln et de Plant & Food Research. Leurs recherches portent sur l’épervière, un genre de plante que Gregor Mendel a étudié en profondeur. Au milieu des années 1800, Mendel a remarqué que les caractères des plantes étaient hérités différemment chez le pois et l’épervière, mais il n’a pas été en mesure d’expliquer pourquoi. Nous savons aujourd’hui que c’est parce que les pois se reproduisent par voie sexuée alors que les épervières se reproduisent par apomixie.
Les éperviers et les pissenlits appartiennent à la même famille de plantes. Les chercheurs néo-zélandais ont donc comparé le gène PAR du pissenlit avec les gènes de l’épervier et ont découvert quelque chose que l’équipe a également observé chez les pissenlits : alors que toutes les plantes contiennent des gènes PAR, les plantes apomictiques possédaient un morceau d’ADN supplémentaire dans ce seul gène. Cet ADN supplémentaire semblait se trouver presque au même endroit dans l’épervière et dans le pissenlit, même si l’on pense que ces plantes se sont séparées d’un ancêtre commun il y a plus de 13 millions d’années.
Une analyse plus poussée a révélé que le morceau d’ADN supplémentaire était un transposon : un morceau d’ADN qui peut « sauter » dans l’ADN de la plante. Chez l’épervière et le pissenlit, le transposon est positionné dans le promoteur, la région du gène PAR qui régule l’activité du gène. Les chercheurs supposent maintenant que ces gènes sauteurs se sont retrouvés dans le promoteur du gène PAR indépendamment dans les deux espèces végétales et qu’il s’agit d’un cas d’évolution parallèle.
Passons maintenant aux cultures
Une autre question importante est de savoir si le gène PAR du pissenlit et les nouvelles connaissances sur la génétique de l’apomixie peuvent être utilisés pour produire des cultures dont les graines sont génétiquement supérieures.
Bien que la plupart des plantes n’utilisent pas l’apomixie, la plupart d’entre elles possèdent des gènes qui présentent des similitudes frappantes avec le gène PAR ainsi qu’avec le gène DIP du pissenlit, découvert précédemment. Cela suggère que l’apomixie agit naturellement comme une modification de la reproduction sexuelle normale et, par conséquent, potentiellement aussi que l’apomixie pourrait être largement applicable pour une agriculture innovante en utilisant des outils modernes comme l’édition de gènes.
Les chercheurs de KeyGene ont déjà commencé ce travail. Dans une recherche récente, en collaboration avec des scientifiques de Takii Seed, ils ont réussi à montrer que le gène PAR peut provoquer la parthénogenèse chez la laitue et le tournesol, ce qui fait avancer d’un pas supplémentaire la perspective de l’apomixie dans les cultures.
Ci-dessous, une vidéo avec les explications des chercheurs (en anglais)
Source : keygene
