Nanocarrier spray :de meilleures cultures sans modification génétique

(À gauche) Schéma du processus. Une molécule bioactive (comme l'ADN ou l'ARN) est combinée avec un nanosupport peptidique (un peptide pénétrant dans les cellules, CPP) dans une solution aqueuse, puis pulvérisée sur les feuilles des plantes avec un atomiseur de pulvérisation. Cette technique peut modifier l'expression des gènes sans altérer les gènes eux-mêmes. (À droite) Preuve que le système peut être utilisé pour favoriser l'expression des gènes. Une coloration bleue peut être observée après pulvérisation avec un complexe plasma ADN/CPP contenant le gène rapporteur GUS. Notez la feuille supérieure sans aucune coloration bleue. Cette feuille a été pulvérisée avec une solution qui contenait l'ADN plasmatique mais pas le support peptidique. 1 crédit :RIKEN

Des chercheurs du RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS) au Japon ont mis au point un moyen d'améliorer la qualité des cultures sans avoir besoin de créer des plantes génétiquement modifiées spéciales. Plutôt que de changer les génomes des plantes, la nouvelle technique repose sur un spray qui introduit des molécules bioactives dans les cellules végétales à travers leurs feuilles. La nouvelle technologie pourrait être utilisée pour aider les cultures à résister aux ravageurs ou à devenir plus résistantes à la sécheresse, en moins de temps et à moindre coût que la fabrication de lignées de cultures génétiquement modifiées. L'étude a été publiée dans la revue scientifique ACS Nano .

La technologie peut désormais modifier directement les génomes et créer des organismes génétiquement modifiés (OGM), y compris des aliments génétiquement modifiés. Cependant, la fabrication de plantes transgéniques prend du temps, de l'argent et n'a toujours pas obtenu un large soutien du public. Les chercheurs du RIKEN CSRS dirigés par Masaki Odahara ont développé une alternative aux aliments génétiquement modifiés qui peut surmonter ces problèmes. Par exemple, plutôt que de modifier le génome d'une plante afin qu'il n'exprime pas un gène particulier, le même gène peut être supprimé à la volée en insérant un composé bioactif spécifique dans la plante. Dans ce scénario, le composé bioactif est introduit dans les cellules de la plante par un support qui peut pénétrer les parois cellulaires des cellules végétales.

Bien que le concept puisse être simple, sa réalisation a été un défi. "En plus de concevoir un moyen d'introduire des molécules bioactives dans les plantes", explique Odahara, "nous avons dû envisager une méthode d'administration qui serait pratique pour les cultures cultivées dans des conditions agricoles réelles". L'équipe a conclu que la meilleure méthode serait d'utiliser un pulvérisateur qui pourrait être déployé relativement facilement sur de grands champs.

De nombreux types de nanoparticules peuvent pénétrer dans les cellules végétales. Les chercheurs se sont concentrés sur les peptides pénétrant dans les cellules (CPP), car ils peuvent également cibler des structures spécifiques à l'intérieur des cellules végétales, telles que les chloroplastes. Le premier défi était de déterminer quels CPP sont les meilleurs lors de l'utilisation d'un spray. Ils ont marqué les CPP naturels et synthétiques avec du jaune fluorescent, les ont pulvérisés sur les feuilles des plantes et ont mesuré la quantité de fluorescence dans les feuilles avec un microscope confocal à balayage laser à différents moments. Après avoir effectué cette procédure dans un laboratoire typique d'Arabidopsis thaliana, ainsi que dans plusieurs types de soja et de tomates, ils ont trouvé plusieurs CPP naturels capables de pénétrer dans la couche externe des feuilles, et dans certains cas même plus profondément.

Preuve que le système peut être utilisé pour réduire au silence les gènes des tomates. Le support peptidique (en haut), l'ARN interférant (au milieu) ou le complexe contenant les deux (en bas) ont été pulvérisés sur les feuilles d'un plant de tomate. Le plant de tomate a été conçu pour surexprimer une protéine fluorescente verte. Lorsque le complexe ARN/CPP a été utilisé, la fluorescence verte était absente, ce qui indique que l'expression génique de la protéine fluorescente verte a été réduite au silence. 1 crédit :RIKEN

D'autres expériences ont montré que cette technique fonctionnait bien lorsque l'ADN plasmidique était attaché aux CPP, et l'analyse a montré que les gènes étaient efficacement exprimés dans les feuilles d' A. thaliana et de soja après avoir été transportés dans les cellules par un spray aqueux. Les chercheurs ont également découvert qu'en incluant d'autres biomolécules et nanostructures dans la solution de pulvérisation, ils pouvaient temporairement augmenter le nombre de pores dans les feuilles, ce qui augmentait la quantité de pulvérisation absorbée par la plante.

Souvent, le rendement des cultures peut être amélioré en insérant ou en éliminant des gènes. Après avoir créé une plante transgénique qui surexprime la fluorescence jaune dans les feuilles, l'équipe a attaché l'ARN qui interfère avec l'expression de la protéine fluorescente à un CPP. Comme espéré, pulvériser les feuilles avec cette expression complexe de fluorescence jaune silencieuse.

"Ce résultat était essentiel", explique Odahara, "car il est important que toute alternative à la modification génétique puisse atteindre le même résultat fonctionnel."

Enfin, les chercheurs ont pu réduire au silence de la même manière des gènes spécifiques aux chloroplastes lorsqu'ils ont inclus un peptide ciblant les chloroplastes dans un complexe CPP-ARN spécifique.

"Les mitochondries et les chloroplastes régulent une grande partie de l'activité métabolique d'une plante", explique Odahara. "Cibler ces structures avec des molécules bioactives délivrées par pulvérisation pourrait améliorer efficacement les caractéristiques de qualité économiquement souhaitables dans les cultures. Notre prochaine étape consiste à améliorer l'efficacité du système de diffusion. En fin de compte, nous espérons que ce système pourra être utilisé pour protéger en toute sécurité les cultures contre les parasites ou autres facteurs nocifs. » + Explorer plus loin