LE SILLON

UNE PUBLICATION DE JOHN DEERE

Agriculture, Durabilité Avril 01, 2022

Activation de l'armure végétale

L’épigénétique prépare les cultures à faire face au pire.

par Martha Mintz

Les plantes (et les animaux) n’utilisent qu’un très faible pourcentage de leur capacité génétique. Dans leur code génétique sont enfouies des capacités pour par exemple résister à la chaleur extrême et mieux pousser dans des conditions de sécheresse.

En manipulant l’expression épigénétique, les phytologues ont appris à activer ces capacités. Cette science ne vise pas à battre des records de rendement, mais à atteindre une certaine stabilité.

« Les deux besoins urgents pour l’agriculture sont la stabilité du rendement et la résilience. Les cultures doivent être capables de se remettre d’une semaine de sécheresse », explique Sally Mackenzie, experte en génomique et directrice du Penn State Plant Institute. La phytologue a trouvé le moyen d’augmenter considérablement le pouvoir de rétablissement d’une plante en utilisant la manipulation épigénétique.

L’épigénétique fait référence au voisinage génomique qui entoure les gènes et contrôle la façon dont ils sont exprimés. Ce processus local contrôle la façon dont les gènes réagissent aux changements environnementaux, par exemple une plante qui pousse mieux à l’ombre ou une plante nordique qui pousse par températures négatives. Parfois, ces changements sont suffisamment forts pour conférer un phénotype stable, héréditaire et exprimé.

Sally et son équipe ont découvert comment stimuler une réponse épigénétique plus forte au stress. Il en résulte des cultures porteuses de la mémoire épigénétique du stress et donc des générations futures qui expriment davantage de caractéristiques basées sur la résilience. Cette mémoire reste pendant environ 5 générations, ou indéfiniment pour les plantes à multiplication végétative, comme les fraises.

Ces changements ne sont pas le résultat d’une altération de l’ADN ou de combinaisons génétiques. Le changement nécessite d’ouvrir des voies entre les gènes existants. Il s’agit d’un itinéraire complexe à plusieurs virages à travers une ville animée, avec arrêts pour le gymnase, l’épicerie, la station-service, etc., qui s’ajoutent tous pour obtenir une plante mieux préparée.

« La génétique des cultures fait le plus souvent référence aux combinaisons de gènes d’une variété spécifique. Les sélectionneurs créent de nouvelles variétés en recombinant ces gènes pour obtenir de nouvelles caractéristiques », explique Sally. « L’expression des traits épigénétiques ne résulte pas de la modification de la combinaison de gènes, mais de la façon dont les gènes sont exprimés. »

Les plantes ressentent leur environnement et ressentent des modèles de changement, dit-elle. Ces informations déclenchent une cascade d’événements. La plante subit une reprogrammation épigénétique qui modifie la façon d’accéder à son sac génétique d’astuces pour faire face à des environnements changeants. Sally et son équipe ont découvert que le gène MSH1 est essentiel pour déclencher la réponse au stress.

La tête. Sally Mackenzie et son équipe ont isolé le gène MSH1, la clé pour que les plantes, comme le canola, déclenchent des réponses au stress et les amènent à exprimer des gènes existants pour être plus résilientes. À gauche. Les tomates et le soja sont proches de la commercialisation. Le canola, les fraises et le sorgho sont en développement. La technologie fonctionne à chaque fois. Sally Mackenzie espère que l’épigénétique stabilisera les rendements. À droite. Sally explique que les génomes étroitement enroulés sont plus rigides, ce qui limite les traits exprimés. La modification épigénétique étire le génome, ce qui permet d’exprimer plus de gènes pour que la plante soit capable de mieux répondre à des conditions difficiles.

Grâce à la cartographie du génome et à la technologie CRISPR, il est devenu possible d’observer les gènes et leurs interactions. Ils ont utilisé cette technologie pour cibler le gène MSH1. Selon Sally, une plante stressée supprimera le gène MSH1, ce qui améliore les réponses au stress. La plante transmet cette information à sa progéniture, qui a alors des caractéristiques de résilience améliorées.

« Lorsque je croise une plante avec un MSH1 muselé avec une variété normale, j’obtiens une progéniture plus résiliente », explique Sally. Dans des conditions stressantes, ses essais ont produit des améliorations du rendement de 20 à 29 % pour les tomates, de 30 à 35 % pour le sorgho et de 8 à 11 % pour le soja. « Ce qui est intéressant, c’est que nous n’utilisons que ce que mère Nature utilise déjà pour survivre. Ce n’est pas du génie génétique. Ce n’est pas de l’ADN étranger. Nous ne changeons que la façon dont les gènes sont exprimés pour permettre à la plante d’être plus robuste, plus résiliente et plus productive. »

Ainsi, des tomates cultivées en Floride en août ont poussé malgré les grandes chaleurs. Le sorgho a surpassé la génétique traditionnelle dans la sécheresse du Midwest. La plus grande surprise a été les parcelles de tomates cultivées en Pennsylvanie qui ont été inondées pendant quatre jours et ont survécu.

Répondre aux besoins.La modification génétique a permis de grandes avancées, en obtenant des caractéristiques impossibles à obtenir par les méthodes traditionnelles.

« Le contrôle de la pyrale du maïs ou la tolérance au glyphosate sont utiles, mais la manipulation génétique agit sur un seul gène, dans un seul but. L’épigénétique est la somme de nombreux petits effets », explique Michael Fromm, PDG d’Epicrop Technologies Inc. Pour améliorer la plante, par exemple par l’utilisation plus efficace de l’énergie solaire ou le développement de racines plus profondes et plus robustes, trop de gènes sont impliqués. L’expression des traits épigénétiques est le résultat de multiples connexions entre les gènes.

La sélection végétale a produit des cultivars, des hybrides et des variétés en constante amélioration. Ils sont testés et développés dans divers environnements. Cependant, la sélection traditionnelle pour produire des plantes tolérantes à la chaleur, à la sécheresse ou au manque d’azote est exceptionnellement difficile, explique Michael. Son entreprise travaille en partenariat avec Penn State pour commercialiser les tomates et le soja épigénétiquement améliorés.

« Là se trouve la valeur de l’épigénétique : créer plus de tolérance à une plus grande variété de conditions environnementales », explique Michael. « Les sélectionneurs n’ont pas de contrôle sur l’épigénétique. Ils travaillent avec les gènes et se contentent de l’expression épigéné tique obtenue. Nous changeons intentionnellement l’épigénétique. »

Au-dessus. L’impact négatif du stress (chaleur, froid, inondations et sécheresse) peut être très limité en manipulant l’expression épigénétique des cultures – un processus naturel rapide et à moindre coût.

Les deux étapes. Les cultures épigénétiques de tomates et de soja pourraient être disponibles dans le commerce dans les 5 prochaines générations, et de plus en plus de cultures suivront une fois leur efficacité prouvée à grande échelle. Cette technologie peut évoluer très rapidement, car il ne s’agit pas de transgénisme ou de fabrication d’un OGM. Sans nécessité d’une approbation réglementaire, c’est plus rapide et moins cher que de mettre un OGM sur le marché.

« Toute la technologie utilisée est déjà approuvée. Les cultures peuvent aller directement au champ. Si la graine s’échappe, elle ne contamine rien. Cela accélère beaucoup les choses », explique Sally.

Sally craint que les producteurs ne tardent à adopter la technologie. Les agriculteurs utilisent principalement les hybrides depuis des décennies pour des cultures comme le maïs et le canola. Mais l’épigénétique peut mieux fonctionner dans les variétés à pollinisation libre, ce qui peut sembler être un pas en arrière pour les agriculteurs.

« Nous devons déterminer où consacrer notre temps et notre énergie pour introduire cette technologie. Nous évitons le maïs parce que les agriculteurs aiment trop les hybrides. La production du maïs est à voie unique », dit Sally. Il y a une marge de manœuvre dans d’autres cultures.

« Les producteurs de canola du Dakota du Nord s’inquiètent vraiment de la sécheresse. Et si nous pouvions leur donner une variété à pollinisation ouverte qui donne le même rendement qu’un hybride en raison de la résilience épigénétiquement améliorée? Et si c’était moins cher? Les producteurs accepteraient-ils cet idéal? »

Un autre problème est la généralité de l’épigénétique. Ce n’est pas une science nette et exacte comme l’épissage de gènes pour fabriquer des OGM. Vous ne pouvez pas regarder une liaison et dire : « C’est celle-là et voici exactement ce qu’elle fait. » C’est un changement à plusieurs niveaux. Mais tout comme les médecins ne savent pas vraiment comment fonctionne l’anesthésie, mais en connaissent les résultats, Sally sait et a prouvé que sa technologie fonctionne.

« La technologie fonctionne dans toutes les cultures que nous avons essayées et toutes ont plus ou moins de succès au niveau commercial », dit-elle. La commercialisation des tomates et du soja est en cours d’essai avec Epicrop Technologies. Si les cultures épigénétiquement améliorées poussent dans des conditions idéales, elles voient leur rendement augmenter. Dans des conditions stressantes, les différences de rendement sont significatives.

Sally s’intéresse désormais aux fraises et même aux peupliers.

« La biologie des fraises est complètement différente et parfaite pour l’épigénétique. Il s’agit d’une polyploïde avec multiplication végétative et nous pourrions produire beaucoup de progéniture résiliente », dit-elle. Quant aux peupliers, elle pense qu’ils pourraient être rendus plus efficaces pour capter le carbone. « Et si cette technologie pouvait rendre les forêts plus résistantes à la chaleur, à la sécheresse, aux inondations ou aux incendies? » L’objectif est de donner aux sélectionneurs plus de contrôle sur l’épigénétique pour obtenir la meilleure plante. Le test critique consistera à obtenir de bons essais reproduits sur le terrain.

« Nous y arrivons avec du soja et des tomates. Nous voulons voir des augmentations de rendement à deux chiffres. Cela peut changer la donne pour les sélectionneurs de plantes et les agriculteurs », déclare Michael. ‡