Introduction
L'amélioration des plantes, un domaine en constante évolution, vise à créer de nouvelles variétés à partir de la diversité existante. Elle consiste à croiser deux plantes choisies pour leurs caractères intéressants. Parmi les nombreuses techniques utilisées, la régénération embryonnaire somatique joue un rôle crucial. Cet article explore la définition de la régénération embryonnaire somatique, ses méthodes, ses applications et ses implications, en tirant parti des informations fournies et en les contextualisant dans le cadre plus large de l'amélioration des plantes.
Amélioration des Plantes : Aperçu Général
L'amélioration des plantes est un processus continu qui s'adapte aux besoins changeants de l'agriculture, de l'industrie et de la société. Les objectifs de la sélection sont nombreux, le premier critère évoqué étant généralement la productivité. La productivité dépend de nombreux facteurs, et peut être le résultat de la réduction des facteurs qui limitent le rendement, mais le potentiel de productivité peut également être accru par une amélioration de la physiologie des plantes : augmentation de l'activité photosynthétique, meilleure élaboration, migration et répartition des éléments constitutifs des réserves de la plante (grains, racines…).
Les espèces végétales sont également plus ou moins plastiques. Certaines plantes comme le blé nécessitent une adaptation variétale importante aux conditions de sol et de climat. Pour les agriculteurs, l'un des facteurs les plus importants est la résistance aux maladies et aux parasites. De nouveaux objectifs ont été donnés à la sélection au fur et à mesure qu'évoluaient les demandes de l'industrie et de la société (par exemple: agriculture respectueuse de l'environnement, production de matières premières pour l'industrie chimique, production de molécules à usage pharmaceutique).
Méthodes Traditionnelles d'Amélioration des Plantes
Avant d'aborder la régénération embryonnaire somatique, il est utile de rappeler les méthodes traditionnelles d'amélioration des plantes :
- Sélection massale : C'est la méthode empirique la plus ancienne. Cette méthode consiste à choisir les plantes qui semblent les plus intéressantes dans une population et à utiliser leurs graines comme semences pour la culture suivante. Entre deux étapes de sélection, les recombinaisons génétiques se font naturellement, sans aucun contrôle humain. Les plantes sélectionnées ne sont par conséquent ni identiques à celles de la génération précédente ni identiques entre elles.
- Sélection récurrente : Dans son principe, la sélection récurrente se rapproche de la sélection massale dans la mesure où l'objectif est d'améliorer la valeur moyenne d'une population en sélectionnant de génération en génération les meilleurs individus de cette population.
- Single Seed Descent (SSD) : Cette méthode, aussi appelée Single Seed Descent (SSD), ressemble à la méthode bulk dans la mesure où la sélection des lignées intervient après leur fixation. La différence avec la méthode bulk réside dans le fait que l'on étudie ici la descendance de graines prises individuellement à chaque étape d'autofécondation.
- Rétrocroisement : Le rétrocroisement, ou back-cross, est utilisé pour introduire un caractère intéressant, comme la résistance à une maladie par exemple, dans une lignées de bonne valeur agronomique. Cette lignée est croisée avec une autre lignée : une plante sauvage apparentée ou une plante appartenant à une espèce proche qui possède le caractère d'intérêt. Après avoir vérifié que l'hybride possède ce caractère, on procède à une série de croisements avec la lignée d'intérêt agronomique (rétrocroisements), en sélectionnant à chaque étape les plantes qui portent le caractère d'intérêt.
- Création d'hybrides : La création d'hybrides se fait en deux étapes. La lignée candidate peut être obtenue par l'une des méthodes présentées ci-dessous. On peut aussi utiliser des plantes issues d'un croisement et d'une autofécondation, qui ne sont donc pas fixées. L'hybride est ensuite obtenu en croisant l'une des lignées sélectionnées avec le testeur. A la différence d'une lignée, l'hybride est hétérozygote pour un grand nombre de gènes. Les performances agronomiques de l'hybride sont en général meilleures que celles des deux parents : c'est le phénomène d'hétérosis, qui justifie l'utilisation d'une méthode de sélection qui est par ailleurs complexe et coûteuse. Cette méthode est utilisée pour des espèces telles que le maïs, le tournesol ou le colza. La synchronisation de la maturation pour permettre un ramassage mécanisé complet en un seul passage est le critère privilégié pendant la sélection qui conduit aux hybrides F1. En revanche, la production totale sur une année n'est pas très différente de celle du système antérieur où la récolte s'étalait sur plusieurs mois.
Culture In Vitro : Un Outil Essentiel
La culture in vitro est une technique qui permet de régénérer une plante entière à partir de cellules ou de tissus végétaux cultivés en milieu nutritif et en conditions axéniques (sans aucun contaminant biologique). La culture in vitro d’explants ou de fragments prélevés sur la plante permet différentes applications.
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Applications de la Culture In Vitro
- Micro-propagation: Elle permet de reproduire un individu et le multiplier en très grand nombre, à partir de cellules ou d’un fragment d’organe. Elle se réalise par exemple à partir de nœuds, de pousses axillaires et s’apparente au bouturage des jardiniers. Mis en culture, ces tissus se développent et donnent une plante entière grâce à l’usage séquentiel de milieux nutritifs adaptés.
- Culture de méristèmes: Les méristèmes sont formés de cellules non différenciées, à l’origine de tous les tissus de la plante. L’intérêt des méristèmes réside dans le fait que ce sont des structures indemnes de virus. Leur culture va permettre de régénérer des plantes saines.
- Sauvetage d'embryons: Les embryons obtenus après la fécondation peuvent être prélevés, mis en culture in vitro et donner un nouvel individu. Le sauvetage d’embryons consiste à prélever un embryon précocement, à le cultiver in vitro, soit pour accélérer les cycles végétatifs, soit parce qu’il ne pourrait pas se développer dans les tissus maternels, par exemple lorsqu’il résulte d’un croisement interspécifique.
- Haplodiploïdisation: L’haplodiploïdisation consiste à obtenir des individus haploïdes doublés à partir de cellules reproductrices. Ces cellules germinales contiennent une seule copie du génome (cellules haploïdes) au lieu des deux présentes dans les cellules somatiques (cellules diploïdes). Au cours de la régénération de la plante, on obtient le doublement à l’identique du génome haploïde par application d’un composé chimique, la colchicine, extrait de la colchique.
- Obtention de protoplastes: Les protoplastes sont des cellules débarrassées de la paroi pectocellulosique par hydrolyse enzymatique. Ils peuvent être obtenus à partir de différents tissus d’une plante, de préférence des limbes de jeunes feuilles. Limités seulement par la membrane cytoplasmique, les protoplastes peuvent fusionner ce qui permet de créer de nouvelles variétés, d’introduire des caractères à hérédité cytoplasmique. Des plantes transgéniques peuvent être obtenues à partir de protoplastes transformés par électroporation. Cette méthode permet d’introduire de l’ADN nu (construction génique) dans les protoplastes par l’utilisation d’un champ électrique de haut voltage qui rend perméable leur membrane cytoplasmique.
Définition de la Régénération Embryonnaire Somatique
L'embryogenèse somatique est la production d'embryons à partir de cellules non germinales (par exemple cellules méristématiques) soumises à un traitement hormonal. Après cette induction, il se produit une multiplication des cellules suivie d'une différenciation progressive des embryons en culture.
En d'autres termes, la régénération embryonnaire somatique est un processus de développement in vitro où des cellules somatiques (c'est-à-dire toutes les cellules d'une plante autres que les cellules reproductrices) sont induites à former des embryons qui peuvent ensuite se développer en plantes complètes. C'est une forme de reproduction asexuée qui permet de créer un grand nombre de copies génétiquement identiques d'une plante sélectionnée.
Méthodes de Micropropagation Incluant l'Embryogenèse Somatique
Dans le contexte de la micropropagation, il existe trois méthodes principales :
- Multiplication végétative in vitro ou microbouturage in vitro : Cette technique consiste à mettre en culture des microboutures, puis à stimuler le débourrement des bourgeons axillaires qui renferment un méristème et à les faire proliférer tout en maintenant l’intégrité génétique des clones.
- Multiplication par organogenèse directe : Il s'agit de la néoformation de bourgeons ou multiplication par bourgeonnement adventif. Les bourgeons néoformés se forment à partir des cellules épidermiques, sous-épidermiques ou des cellules du système vasculaire.
- Organogenèse indirecte par embryogenèse somatique : C'est la méthode qui nous intéresse ici.
Les deux premières techniques aboutissent à une production conforme de vitroplants et de plants génétiquement conformes au pied mère choisi tandis que la dernière va donner une production non conforme qui peut induire des instabilités génétiques. Toutefois, ces modifications génomiques peuvent être exploitées en génétique d’amélioration des plantes car elles peuvent générer des caractères intéressants et exploitables sur le plan agronomique ou agroforestier.
Quelle que soit la technique proposée, les principales étapes de la micropropagation in vitro d’espèces ligneuses comportent une phase en laboratoire, une phase en serre et une phase au champ en conditions naturelles.
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Facteurs Influant sur la Micropropagation des Espèces Ligneuses
Chez les ligneux, la durée de vie de la plante peut être parfois considérable. En effet, la plupart des arbres forestiers sont caractérisés par une grande variabilité dans leur vitesse de croissance. Par conséquent, l’identification d’individus ayant des caractéristiques forestières requises doit se faire par sélection clonale, ce qui permettra d’améliorer dans un premier temps la qualité du matériel végétal. A l’issue de cette sélection clonale préliminaire, les arbres-mères qui donnent une descendance élite, seront propagés par des techniques plus performantes issues de la culture in vitro, comme la micropropagation.
Le stade de développement est aussi un des aspects les plus importants dans la micropropagation des espèces ligneuses car les sujets adultes perdent progressivement leur aptitude à la propagation végétative du fait de leur vieillissement. Les explants juvéniles ou rajeunis réagissent mieux en culture in vitro que ceux provenant de matériel adulte. En effet, la morphogenèse et la croissance des tissus des explants sont fortement dépendantes du génotype et du statut physiologique de ces explants au moment de leur mise en culture.
Les autres difficultés rencontrées dans la multiplication in vitro des ligneux tiennent :
- aux fortes contaminations des explants et à la difficulté d’obtenir une culture axénique
- à la libération de substances phénoliques dans le milieu de culture,
- au statut de la plante-mère à savoir son génotype et son état nutritionnel,
- à la phase d’enracinement qui présente toujours des difficultés chez les ligneux,
- et enfin, à l’âge ontogénique et physiologique de l’arbre.
Techniques de Multiplication
Les techniques de multiplication sont analogues à celles appliquées sur les espèces herbacées. Elles consistent à mettre en culture des microboutures, puis à stimuler le débourrement des bourgeons axillaires qui renferme un méristème et à les faire proliférer tout en maintenant l’intégrité génétique des clones. Toutefois, cette technique comporte quelques particularités qui sont des facteurs spécifiques aux espèces ligneuses. Elles concernent la composition du milieu de culture, la phase d’initiation in vitro, l’acquisition de certains caractères juvéniles, résultant d’un rajeunissement progressif au cours de la culture et l’induction de l’enracinement adventif.
Les tissus des plantes ligneuses se développent mieux dans des milieux dérivés du milieu de Murashige et Skoog (1962) dont les macro-éléments sont dilués de moitié ou au quart. Pour ce faire, un milieu de culture spécifique aux espèces ligneuses « Woody Plant Medium » a été mis au point par Mc Cown et Lloyd (1981).
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Qu’il s’agisse d’une multiplication végétative par bourgeonnement axillaire ou par bourgeonnement adventif, il existe quatre stades-clés essentiels à respecter durant la phase en laboratoire. Ce sont :
- Stade 0 : il correspond à la désinfection et à la préparation du matériel végétal à ensemencer in vitro,
- Stade 1 : il concerne l’établissement de la culture aseptique initiale,
- Stade 2 : c’est la phase de clonage in vitro ; elle consiste en une multiplication des microboutures ou des bourgeons néoformés. Cette étape de subcultures sera exécutée autant de fois que nécessaire selon le nombre de vitroplants final désiré. Elle peut comporter une sous-étape d’allongement des microboutures selon les espèces.
- Stade 3 : il équivaut à l’enracinement des vitroplants. Cette phase rhizogène peut se dérouler au laboratoire ou en serre.
Pour des raisons économiques et étant donné que la phase d’enracinement in vitro constitue l’étape la plus coûteuse et la plus délicate dans un procédé de multiplication. Elle revient à 35 voire 15 % du coût total de la technique, elle est souvent réalisée en même temps que la phase de sevrage sous serre (Deberg et Maene, 1981).
Avantages de la Régénération Embryonnaire Somatique
- Multiplication rapide : La régénération embryonnaire somatique permet de multiplier rapidement un grand nombre de plantes à partir d'un seul explant.
- Clones génétiquement identiques : Les plantes régénérées sont des clones, ce qui signifie qu'elles sont génétiquement identiques à la plante mère. Cela est particulièrement utile pour la conservation de variétés élites ou pour la multiplication de plantes qui ne se reproduisent pas facilement par voie sexuée.
- Possibilité d'automatisation : Le processus de régénération embryonnaire somatique peut être automatisé, ce qui permet de réduire les coûts de production et d'augmenter l'efficacité.
Applications de la Régénération Embryonnaire Somatique
La régénération embryonnaire somatique a de nombreuses applications dans différents domaines :
- Agriculture : Multiplication de variétés de cultures à haut rendement, production de plants résistants aux maladies et aux ravageurs, amélioration de la qualité des cultures.
- Foresterie : Multiplication d'arbres à croissance rapide, conservation d'espèces menacées, production de plants adaptés aux conditions environnementales difficiles.
- Horticulture : Multiplication de plantes ornementales, production de plants de haute qualité pour les jardins et les espaces verts.
- Recherche : Étude du développement des plantes, identification de gènes importants pour l'amélioration des cultures, production de plantes transgéniques.
Exemples d'Applications Spécifiques
- Sauvetage d'embryons interspécifiques : Lors de croisements interspécifiques, des barrières naturelles empêchent le développement complet de l'embryon. Pour remédier à cette situation, on pratique après fécondation un prélèvement précoce des embryons pour les mettre en culture sur un milieu artificiel nutritif. Il est utilisé par exemple chez la tomate pour introduire dans l'espèce cultivée ( Lycopersicon esculentum) des gènes de résistance aux maladies présent dans l'espèce sauvage (Lycoparium peruvianum). L'embryon est prélevé avant la phase de maturation de la graine. L'hybride obtenu est souvent croisé par le parent de l'espèce cultivée (rétrocroisement) et sa descendance est sélectionnée, pour fixer des caractères nouveaux et intéressants, tout en éliminant les caractères indésirables issus de l'espèce sauvage.
- Amélioration de la résistance aux maladies : La courgette est une espèce fortement attaquée par l'oïdium, les virus de la mosaïque du concombre et de la mosaïque de la pastèque. Les variétés cultivées, Cucurbita pepo, sont insuffisamment résistantes à ces parasites. Des croisements avec des espèces sauvages américaines résistantes, Cucurbita okechobeenis et Cucurbita ecuadorensis, ont été réalisés grâce au sauvetage d'embryons immatures, rendant ainsi possible l'amélioration de la résistance aux maladies des variétés cultivées. De même, la laitue Lactuca sativa, est une espèce sensible au mildiou. Le mildiou de la laitue (Bremia lactucae) est la maladie la plus redoutée sur cette espèce, notamment en culture biologique d'hiver sous abris. Le croisement avec deux espèces sauvages, Lactuca virosa et Lactuca saligna, possédant des gènes de résistance intéressants est difficile à réaliser. Le sauvetage d'embryons interspécifiques a permis d'augmenter considérablement la réussite de ces croisements.
Défis et Limites
Bien que la régénération embryonnaire somatique offre de nombreux avantages, elle présente également des défis et des limites :
- Difficulté de mise en œuvre : La régénération embryonnaire somatique peut être difficile à mettre en œuvre pour certaines espèces de plantes. Les protocoles doivent être optimisés pour chaque espèce, et même pour chaque génotype.
- Variations somaclonales : Les plantes régénérées par embryogenèse somatique peuvent présenter des variations somaclonales, c'est-à-dire des différences génétiques ou épigénétiques par rapport à la plante mère. Ces variations peuvent être bénéfiques ou néfastes, et il est important de les contrôler.
- Coût : La régénération embryonnaire somatique peut être coûteuse, en particulier si elle est réalisée à grande échelle.
La Transformation Génétique et la Régénération Embryonnaire Somatique
La régénération embryonnaire somatique est un outil essentiel pour la transformation génétique des plantes. En effet, elle permet de régénérer des plantes entières à partir de cellules transformées.
Le génie génétique désigne l'ensemble des techniques permettant d'introduire et de faire exprimer dans un organisme vivant un ou des gènes provenant de n'importe quel autre organisme. Les organismes ainsi obtenus sont dits Organismes Génétiquement Modifiés (OGM). On distingue les techniques de biologie moléculaire qui permettent de préparer les séquences d'ADN qui seront introduites, on parle de construction génétique, et les techniques de transgénèse qui permettent de transférer le gène.
Plusieurs découvertes scientifiques ont permis d'aboutir à l'obtention de la première plante transgénique en 1983. Notamment, la compréhension des mécanismes reponsables de la galle du collet, maladie connue depuis l'antiquité, a mis en évidence un transfert génétique naturel. Ce mécanisme de transfert est à l'origine des techniques de transformation génétique utilisées aujourd'hui.
Avantages de la Transgenèse
- Source de gènes étendue : On peut franchir la barrière des espèces, des genres et des règnes. Ainsi, il est possible d'introduire des caractères qu'il ne serait pas possible d'introduire par sélection classique ou par sauvetage d'embryons.
- Transfert d'un gène précis : Il est important de noter que ces biotechnologies ne se substituent pas aux étapes classiques mais elles leur donnent plus de rapidité, plus d'envergure, plus de sécurité.
Exemples de Plantes Transgéniques
- Tomate "bleue" : Tomate de type cocktail à la couleur très originale. Variété obtenue par l'OSU (Oregon State University), aux Etats-Unis. Cette tomate contient dans son épiderme un pigment bleu habituellement absent chez les tomates : les anthocyanes. Obtenu par croisement interspécifique avec une solanacée sauvage péruvienne riche en anthocyanes, cette tomate a donc une peau bleue. La chair est rouge foncé.
- Pomme de terre AMFLORA : En Mars 2010 la comission européenne à Bruxelles a donné son accord pour la culture d'une pomme de terre OGM en Europe. Il s'agit de la variété AMFLORA développée par BASF et autorisée pour un usage industriel (donc non alimentaire). L'amidon est composé d'amylose et d'amylopectine. S'ils ont tous les deux des vertus nutritionnelles, seule l'amylopectine est utile dans l'industrie. Jusqu'alors, cette séparation de l'amylose et de l'amylopectine était coûteuse. La pomme de terre de BASF, par une modification génétique qui inhibe la synthèse d'amylose, produit de l'amylopectine pure.
Défis et Perspectives d'Avenir
L'amélioration des plantes donne d'excellents résultats. Des schémas de sélection adaptés à chaque espèce ont été élaborés et optimisés. Ainsi, pour l'ensemble des espèces cultivées, des progrès importants ont pu être réalisés (productivité, adaptation au milieu, qualité technologique…). Cependant, cette voie se heurte à trois limites inhérentes à la reproduction sexuée : l'incompatibilité, l'imprécision et le temps.
Les sélectionneurs cherchent à réaliser des croisements interspécifiques (entre plantes d'espèces différentes mais génétiquement proches), afin d'augmenter les ressources en caractères favorables. La création d'hybrides interspécifiques se heurte généralement à un obstacle biologique : absence de fécondation, avortement de l'embryon, ou obtention d'un descendant stérile.
Lorsque le sélectionneur fait un croisement, il brasse un très grand nombre de caractères, aussi bien ceux qu'il désire introduire dans la nouvelle variété, que des caractères indésirables. Le problème est en grande partie supprimé grâce à la transgénèse car elle permet d'introduire directement le gène intéressant dans une variété donnée sans en modifier le fond génétique. Cette technique n'est accessible que grâce à la connaissance du génome, à la réalisation de cartes génétiques, et à l'utilisation de marqueurs moléculaires.
La sélection est un processus de longue haleine. On sait obtenir en nombre indéfini des copies végétatives à l'identique d'un individu: on prend par exemple des cellules de méristème et on les fait régénérer in vitro. L'intérêt évident est la multiplication en millions de copies d'une plante exceptionnelle, même si celle-ci est fortement hétérozygote. Ces vitroplantes sont actuellement très répandues. C'est par exemple le cas de 80% des fraises consommées, de la quasi totalité des plantes vertes, des oeillets, d'une partie des rosiers, des plants souches de luzerne, de carotte ou de betterave.
Au lieu de partir de cellules de méristème, on peut partir de cellules sexuelles (donc haploïdes) pour régénérer une plante. C'est l'androgénése (on part de gamètes mâles) ou la gynogénèse (on part de gamètes femelles). Un traitements chimique permet de retourner à l'état diploïde qui est l'état fertile. Comme cette transformation est obtenue par doublement du stock de chromosome, la plante résultante est homozygote. On obtient ainsi directement une lignée pure, ce qui représente un gain considérable par rapport aux méthodes de sélection traditionnelles.
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