Les progrès de la biotechnologie végétale peuvent résoudre les problèmes associés à la pénurie alimentaire à l'avenir en permettant la production de plantes génétiquement modifiées (GM) avec une productivité et une résilience plus élevées face au changement climatique.

Naturellement, les plantes peuvent régénérer une nouvelle plante entière à partir d’une seule cellule « totipotente » (une cellule qui peut donner naissance à plusieurs types de cellules) par dédifférenciation et redifférenciation en cellules ayant diverses structures et fonctions. La régulation artificielle de ces cellules totipotentes par la culture de tissus végétaux est largement utilisée pour la conservation des plantes, la sélection, la génération d'espèces génétiquement modifiées et à des fins de recherche scientifique.

Classiquement, la culture tissulaire pour la régénération des plantes nécessite l'application de régulateurs de croissance végétale (PGR), tels que les auxines et les cytokinines, pour contrôler la différenciation cellulaire. Cependant, les conditions hormonales optimales peuvent varier considérablement selon les espèces végétales, les conditions de culture et le type de tissu. Par conséquent, l'établissement de conditions optimales de PGR peut prendre du temps et être laborieux.

Pour relever ce défi, le professeur agrégé Tomoko Igawa, le professeur agrégé Mai F. Minamikawa de l'Université de Chiba, le professeur Hitoshi Sakakibara de l'École supérieure des sciences bioagricoles de l'Université de Nagoya et le technicien expert Mikiko Kojima du RIKEN CSRS, ont développé une méthode polyvalente. de la régénération des plantes en modulant l'expression des gènes « régulateurs du développement » (DR) qui contrôlent la différenciation des cellules végétales.

Donner un aperçu plus approfondi de leurs travaux de recherche publiés dans Frontiers in Plant Science , explique le Dr Igawa :"Au lieu d'utiliser des PGR externes, notre système utilise les gènes DR, qui sont impliqués dans le développement et la morphogenèse, pour contrôler la différenciation cellulaire. Le système utilise des gènes de facteurs de transcription et ressemble à la génération de cellules pluripotentes induites chez les mammifères."

Les chercheurs ont exprimé de manière ectopique deux gènes DR, à savoir BABY BOOM (BBM) et WUSCHEL (WUS) d'Arabidopsis thaliana (utilisée comme plante modèle), et ont examiné leurs effets sur la différenciation des cultures de tissus de tabac, de laitue et de pétunia. BBM code pour un facteur de transcription qui régule le développement embryonnaire, tandis que WUS code pour un facteur de transcription qui maintient l'identité des cellules souches dans la région du méristème apical des pousses.

Leurs expériences ont révélé que l’expression d’Arabidopsis BBM ou WUS seule était insuffisante pour induire une différenciation cellulaire dans les tissus des feuilles de tabac. À l'inverse, la co-expression de BBM fonctionnellement amélioré et de WUS fonctionnellement modifié a induit un phénotype de différenciation accéléré et autonome.

Les cellules foliaires transgéniques se sont différenciées en cals (une masse désorganisée de cellules), en structures verdâtres ressemblant à des organes et en pousses adventives en l'absence d'application de PGR. L'analyse quantitative de la réaction en chaîne par polymérase (qPCR) (une technique utilisée pour quantifier les transcrits génétiques) a révélé que l'expression d'Arabidopsis BBM et WUS était associée à la formation de cals et de pousses transgéniques.

Compte tenu du rôle clé des phytohormones dans la division et la différenciation cellulaire, les chercheurs ont ensuite quantifié les niveaux de six phytohormones, à savoir les auxines, les cytokinines, l'acide abscissique (ABA), les gibbérellines (GA), l'acide jasmonique (JA), l'acide salicylique ( SA), et leurs métabolites dans les cultures de plantes transgéniques. Leurs résultats ont révélé que les niveaux d'auxines actives, de cytokinines, d'ABA et de GA inactifs augmentaient à mesure que les cellules se différenciaient pour former des organes, soulignant leur rôle dans la différenciation des cellules végétales et l'organogenèse.

En outre, les chercheurs ont utilisé le transcriptome par séquençage d’ARN (une technique utilisée pour l’analyse qualitative et quantitative de l’expression des gènes) pour évaluer les modèles d’expression des gènes dans les cellules transgéniques présentant une différenciation active. Leurs résultats suggèrent que les gènes liés à la prolifération cellulaire et aux auxines étaient enrichis parmi les gènes différentiellement régulés positivement.

Une validation plus poussée à l'aide de la qPCR a révélé que quatre gènes étaient régulés positivement ou négativement dans les cellules transgéniques, y compris ceux régulant la différenciation des cellules végétales, le métabolisme, l'organogenèse et la réponse auxine.

Dans l’ensemble, ces résultats mettent en lumière l’approche nouvelle et polyvalente de la régénération des plantes sans avoir recours à l’application externe de PGR. De plus, le système utilisé dans cette étude a le potentiel de faire progresser notre compréhension des processus fondamentaux de différenciation des cellules végétales et d'améliorer la sélection biotechnologique d'espèces végétales utiles.

Le Dr Igawa déclare :« Le système rapporté peut améliorer la sélection végétale en fournissant un outil pour induire la différenciation cellulaire des cellules végétales GM sans application de PGR. Par conséquent, dans les sociétés où les plantes GM sont acceptées comme produits, cela accélérerait la sélection végétale et réduirait la production associée. frais."