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Des chercheurs du MIT ont mis au point un nouvel outil génétique qui pourrait faciliter la conception de plantes capables de survivre à la sécheresse ou de résister aux infections fongiques.

Un nouvel outil génétique pour faciliter la conception de plantes

Leur technique, qui utilise des nanoparticules pour délivrer des gènes dans les chloroplastes de cellules végétales, fonctionne avec de nombreuses espèces de plantes, y compris les épinards et d’autres légumes.
Cette nouvelle stratégie pourrait aider les biologistes spécialistes des plantes à surmonter les difficultés liées à la modification génétique des plantes, un processus qui normalement est complexe et fastidieux, qui doit être adapté aux espèces de plantes spécifiques en cours de modification. «Il s’agit d’un mécanisme universel qui fonctionne pour toutes les espèces de plantes», explique Michael Strano, professeur de génie chimique chez Carbon P. Dubbs au MIT, à propos de cette nouvelle méthode.
Strano et Nam-Hai Chua, vice-président du Temasek Life Sciences Laboratory de l’Université nationale de Singapour et professeur émérite de l’Université Rockefeller, sont les principaux auteurs de cette étude, qui paraît dans Nature Nanotechnology.
«Il s’agit d’un premier pas important vers la transformation des chloroplastes», déclare Chua. « Cette technique peut être utilisée pour le criblage rapide de gènes candidats à l’expression des chloroplastes dans une grande variété de plantes cultivées. »

Cibler les chloroplastes

Il y a quelques années, Strano et ses collègues ont découvert qu’en ajustant la taille et la charge électrique des nanoparticules, ils pouvaient concevoir des nanoparticules capables de pénétrer dans les membranes des cellules végétales. Ce mécanisme, appelé pénétration des enveloppes d’échange lipidique (LEEP), leur a permis de créer des plantes qui brillaient en incorporant des nanoparticules contenant de la luciférase, une protéine émettrice de lumière, dans leurs feuilles.
Dès que l’équipe du MIT a annoncé avoir utilisé le LEEP pour introduire des nanoparticules dans des plantes, les biologistes spécialisés dans les plantes ont commencé à demander s’il pouvait être utilisé pour modifier génétiquement des plantes et, plus spécifiquement, pour introduire des gènes dans les chloroplastes. Les cellules végétales contiennent des dizaines de chloroplastes. Par conséquent, l’indication des gènes par les chloroplastes (au lieu du noyau) pourrait être un moyen de générer des quantités beaucoup plus grandes d’une protéine.
Le chloroplaste, mieux connu comme site de la photosynthèse, contient environ 80 gènes codants pour les protéines nécessaires à la photosynthèse. Le chloroplaste possède également ses propres ribosomes, ce qui lui permet d’assembler des protéines au sein du chloroplaste. Jusqu’à présent, il était très difficile pour les scientifiques d’introduire des gènes dans le chloroplaste: la seule technique existante consistait à utiliser un «pistolet à gènes» à haute pression pour forcer les gènes à pénétrer dans les cellules, ce qui pouvait endommager la plante.

Des nanotubes de carbone

En utilisant leur nouvelle stratégie, l’équipe du MIT a créé des nanoparticules constituées de nanotubes de carbone enveloppés dans du chitosane, un sucre naturel. L’ADN, qui est chargé négativement, se lie librement aux nanotubes de carbone chargés positivement. Pour introduire les nanoparticules dans les feuilles des plantes, les chercheurs ont appliqué une seringue sans aiguille remplie de la solution particulaire sur la face inférieure de la surface de la feuille. Les particules pénètrent alors dans la feuille par de minuscules pores appelés stomates, qui contrôlent normalement l’évaporation de l’eau.
Une fois à l’intérieur de la feuille, les nanoparticules traversent la paroi cellulaire de la plante, les membranes cellulaires, puis les doubles membranes du chloroplaste. Une fois que les particules ont pénétré dans le chloroplaste, son environnement légèrement moins acide provoque la libération de l’ADN par les nanoparticules. Une fois libéré, l’ADN peut être traduit en protéines.
Dans cette étude, les chercheurs ont fourni un gène pour la protéine fluorescente jaune, leur permettant de visualiser facilement quelles cellules de la plante exprimaient la protéine. Ils ont découvert qu’environ 47% des cellules végétales produisaient la protéine, mais ils pensent que cela pourrait être augmenté si elles pouvaient libérer plus de particules.
« Cette approche rapportée ici ouvre certainement de nouvelles voies de recherche dans l’introduction de gènes sélectifs aux chloroplastes pour l’expression transgénique chez les plantes, comme le montrent ici plusieurs espèces. », a déclaré Sanjay Swarup, professeur agrégé de sciences biologiques à l’Université nationale de Singapour qui n’a pas participé à cette recherche.

Des plantes plus résistantes

Un avantage majeur de cette approche est qu’elle peut être utilisée sur de nombreuses espèces de plantes. Dans cette étude, les chercheurs l’ont testée sur des épinards, du cresson, du tabac, de la roquette et de l’arabidopsis thaliana, un type de plante couramment utilisé pour la recherche. Ils ont également montré que cette technique ne se limitait pas aux nanotubes de carbone et pouvait éventuellement être étendue à d’autres types de nanomatériaux.
Les chercheurs espèrent que ce nouvel outil permettra aux biologistes spécialistes des plantes d’intégrer plus facilement diverses caractéristiques dans les légumes et les cultures. Par exemple, des chercheurs agricoles à Singapour et ailleurs sont intéressés par la création de légumes à feuilles et de cultures pouvant pousser à des densités plus élevées pour l’agriculture urbaine.
D’autres possibilités incluent la création de cultures résistantes à la sécheresse; les cultures industrielles telles que les bananes, les agrumes et le café doivent être résistantes aux infections fongiques, qui menacent de les éliminer, ainsi que de modifier le riz pour qu’il ne prélève pas d’arsenic dans les eaux souterraines.

Les gènes peuvent être transmis à la prochaine génération

Étant donné que les gènes modifiés ne sont véhiculés que par les chloroplastes, qui sont hérités par la plante-mère, ils peuvent être transmis à la prochaine génération et ne peuvent pas être transférés à d’autres espèces de plantes.
«C’est un gros avantage, car si le pollen a été modifié génétiquement, il peut se propager aux mauvaises herbes et vous pouvez produire des mauvaises herbes résistantes aux herbicides et aux pesticides. Comme le chloroplaste est transmis par voie maternelle, il n’est pas transmis par le pollen et le niveau de confinement des gènes est plus élevé », explique Lew.
Source : MIT
Crédit photo sur Unsplash : Fancycrave