Dans une nouvelle étude publiée dans Nature Genetics , dirigés par Charles Underwood de l'Institut Max Planck de recherche sur la sélection végétale à Cologne, en Allemagne, des scientifiques ont établi un système pour générer des cellules sexuelles clonales dans des plants de tomates et les ont utilisés pour concevoir les génomes de la progéniture.
La fécondation d'un ovule clonal d'un parent par un spermatozoïde clonal d'un autre parent a conduit à des plantes contenant l'information génétique complète des deux parents.
Les semences hybrides, combinant deux lignées parentales différentes présentant des caractéristiques favorables spécifiques, sont populaires en agriculture car elles donnent naissance à des cultures robustes avec une productivité améliorée et sont utilisées par les agriculteurs depuis plus de cent ans.
La performance accrue des hybrides est généralement connue sous le nom de vigueur hybride, ou hétérosis, et a été observée chez de nombreuses espèces végétales (et animales) différentes. Cependant, l'effet hétérosis ne persiste plus dans les générations suivantes de ces hybrides en raison de la ségrégation de l'information génétique.
Ainsi, de nouvelles semences hybrides doivent être produites chaque année, une entreprise coûteuse et à forte intensité de main d'œuvre qui ne fonctionne pas bien pour toutes les cultures. Alors, comment les caractéristiques bénéfiques, codées dans les gènes des plantes hybrides, peuvent-elles être transférées à la génération suivante ?
En règle générale, notre matériel génétique subit un remaniement au cours de la méiose, une division cellulaire cruciale qui se produit dans tous les organismes à reproduction sexuée. Ce remaniement, dû à la ségrégation aléatoire des chromosomes et à la recombinaison méiotique, est important pour générer de nouvelles configurations génétiques bénéfiques dans les populations naturelles et pendant la reproduction.
Cependant, lorsqu’il s’agit de sélection végétale, une fois que vous avez une bonne combinaison, vous voulez la conserver et ne pas la perdre en remaniant à nouveau les gènes. Avoir un système qui contourne la méiose et aboutirait à des cellules sexuelles (ovules et spermatozoïdes) génétiquement identiques à celles des parents pourrait avoir plusieurs applications.
Dans cette étude, Underwood et son équipe ont établi un système dans lequel ils remplacent la méiose par la mitose, une simple division cellulaire, dans la plante maraîchère la plus populaire, la tomate cultivée. Dans le système dit MiMe (Mitose au lieu de Méiose), la division cellulaire imite une mitose, évitant ainsi la recombinaison et la ségrégation génétiques, et produit des cellules sexuelles qui sont des clones exacts de la plante mère.
Le concept du système MiMe a déjà été établi par Raphaël Mercier, directeur de l'Institut Max Planck de recherche en sélection végétale, sur Arabidopsis et le riz. Un aspect révolutionnaire de la nouvelle étude est que, pour la première fois, les chercheurs ont exploité les cellules sexuelles clonales pour créer une progéniture grâce à un processus qu'ils appellent « conception du génome polyploïde ».
Habituellement, les cellules sexuelles ont un ensemble de chromosomes réduit de moitié (chez l'homme, 46 chromosomes sont réduits à 23; chez la tomate, 24 chromosomes sont réduits à 12) alors que les cellules sexuelles MiMe sont clonales et donc cette réduction de moitié de l'ensemble de chromosomes ne se produit pas.
Underwood et son équipe ont réalisé des croisements qui signifiaient que l'ovule clonal d'un plant de tomate MiMe était fécondé par un spermatozoïde clonal d'un autre plant de tomate MiMe. Les plants de tomates résultants contenaient le répertoire génétique complet des deux parents et sont donc constitués de 48 chromosomes.
Par conséquent, toutes les caractéristiques favorables des deux parents hybrides sont consolidées – par conception – dans un nouveau plant de tomate. En raison de la relation génétique étroite entre les tomates et les pommes de terre, l'équipe d'Underwood estime que le système décrit dans cette étude peut être facilement adapté pour être utilisé sur la pomme de terre, la cinquième plante cultivée la plus précieuse au monde, et potentiellement sur d'autres espèces cultivées.
Compte tenu de l'augmentation de la population et des changements climatiques, le développement de variétés à haut rendement, durables et stables est crucial pour garantir l'approvisionnement alimentaire mondial à long terme. Par conséquent, il est essentiel de cultiver des plantes qui présentent une résistance accrue aux maladies et une tolérance au stress. Des approches innovantes en matière de technologies de reproduction végétale sont essentielles.
Le système MiMe et son application dans l'ingénierie du génome polyploïde pourraient constituer une voie prometteuse pour relever les défis agricoles d'aujourd'hui.
"Nous sommes vraiment enthousiasmés par la possibilité d'utiliser des cellules sexuelles clonales pour réaliser la conception du génome polyploïde. Nous sommes convaincus que cela permettra aux sélectionneurs d'exploiter davantage d'hétérosis - l'hétérosis progressif trouvé chez les polyploïdes - de manière contrôlée", déclare Underwood. P>
"Le système MiMe de tomates que nous avons mis en place pourrait également être utilisé à l'avenir comme élément de la production de semences clonales (apomixie synthétique). Cela pourrait réduire considérablement le coût de production de semences hybrides", ajoute Yazhong Wang.
Plus d'informations : Yazhong Wang et al, Exploiter les gamètes clonaux dans les cultures hybrides pour concevoir des génomes polyploïdes, Nature Genetics (2024). DOI :10.1038/s41588-024-01750-6
Informations sur le journal : Génétique naturelle
Fourni par la Société Max Planck
