Une équipe RIPE a utilisé CRISPR/Cas9 pour augmenter l’expression des gènes dans le riz en modifiant son ADN régulateur en amont. Alors que d’autres études ont utilisé cette technologie pour supprimer ou diminuer l’expression des gènes, leurs recherches constituent la première approche impartiale d’édition de gènes visant à augmenter l’expression des gènes et l’activité photosynthétique en aval. Crédit : Projet RIPE
Des chercheurs de l'Institut de Génomique Innovante du Université de Californie, Berkeley (UCB) ont réussi à augmenter l'expression des gènes dans une culture vivrière en modifiant ses régulations en amont. ADN. Contrairement aux études précédentes qui utilisaient l’édition génique CRISPR/Cas9 pour éliminer ou réduire l’expression des gènes, cette nouvelle recherche représente la première approche impartiale de l’édition génique pour améliorer l’expression des gènes et stimuler l’activité photosynthétique en aval.
« Des outils comme CRISPR/Cas9 accélèrent notre capacité à affiner l'expression des gènes dans les cultures, plutôt que de simplement supprimer les gènes ou de les « désactiver ». Des recherches antérieures ont montré que cet outil peut être utilisé pour diminuer l'expression de gènes impliqués dans des compromis importants, tels que ceux entre l'architecture des plantes et la taille des fruits », a déclaré Dhruv Patel-Tupper, auteur principal de l'étude et ancien chercheur postdoctoral au sein de l'étude. Laboratoire Niyogi à UCB. « Il s'agit de la première étude, à notre connaissance, dans laquelle nous demandons si nous pouvons utiliser la même approche pour augmenter l'expression d'un gène et améliorer l'activité en aval de manière impartiale. »
Publié dans SAvancées scientifiquesl'étude fait partie du projet Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE), un effort international dirigé par l'Université de l'Illinois qui se concentre sur l'augmentation de la production alimentaire mondiale grâce à une meilleure efficacité photosynthétique des cultures vivrières.
Tirer parti des gènes végétaux naturels
Contrairement aux stratégies de biologie synthétique qui utilisent des gènes provenant d'autres organismes pour améliorer photosynthèse, les gènes impliqués dans le processus de photoprotection se retrouvent naturellement dans toutes les plantes. Inspiré d'un 2018 Communications naturelles article qui augmentait l'efficacité de l'utilisation de l'eau dans les cultures grâce à la surexpression de l'un de ces gènes, PsbS, dans les plantes, le laboratoire Niyogi et son chef Kris Niyogi, voulaient comprendre comment modifier l'expression des gènes natifs d'une plante sans ajouter ADN étranger. Étant donné que le riz est un aliment de base et qu’il ne possède qu’une seule copie de chacun des trois gènes clés de photoprotection, il a été choisi comme candidat idéal pour cette étude.
Les chercheurs ont utilisé CRISPR/Cas9 pour modifier l’ADN en amont du gène cible, ce qui contrôle la quantité et le moment où le gène est exprimé. Ils visaient à découvrir comment de tels changements pourraient améliorer l’activité en aval.
Résultats surprenants des études sur l’expression génique
Les résultats de leurs expériences ont dépassé les attentes. « Les changements dans l'ADN qui ont augmenté l'expression des gènes étaient beaucoup plus importants que ce à quoi nous nous attendions et plus importants que ce que nous avons réellement vu dans d'autres articles similaires », a déclaré Patel-Tupper, chercheur en politique scientifique et technologique de l'AAAS à l'USDA.
« Nous avons été un peu surpris, mais je pense que cela montre à quel point les plantes et les cultures ont de la plasticité. Ils sont habitués à ces grands changements dans leur ADN résultant de millions d’années d’évolution et de milliers d’années de domestication. En tant que biologistes végétaux, nous pouvons exploiter cette « marge de manœuvre » pour apporter des changements importants en quelques années seulement afin d'aider les plantes à croître plus efficacement ou à s'adapter au changement climatique », a-t-il ajouté.
Impact et efficacité des modifications génétiques
Les chercheurs ont appris que les inversions, ou « retournements » de l’ADN régulateur, entraînaient une augmentation de l’expression des gènes de PsbS. Unique à ce projet, après que la plus grande inversion ait été réalisée dans l'ADN, les membres de l'équipe ont mené une ARN expérience de séquençage pour comparer l'évolution de l'activité de tous les gènes du génome du riz avec et sans leurs modifications. Ce qu’ils ont découvert était un très petit nombre de gènes différentiellement exprimés, beaucoup plus petit que des études similaires sur le transcriptome, ce qui suggère que leur approche ne compromettait pas l’activité d’autres processus essentiels.
Patel-Tupper a ajouté que même si l'équipe a montré que cette méthode est possible, elle reste relativement rare. Environ 1 % des plantes générées avaient le phénotype souhaité.
Conclusion et implications futures
Patel-Tupper a expliqué l'impact de la recherche : « Nous avons montré ici une preuve de concept selon laquelle nous pouvons utiliser CRISPR/Cas9 pour générer des variantes dans des gènes clés de cultures et obtenir les mêmes progrès que nous le ferions dans les approches traditionnelles de sélection végétale, mais sur un trait très ciblé que nous voulons concevoir et dans un délai beaucoup plus rapide », a-t-il déclaré. « C'est certainement plus difficile que d'utiliser une approche basée sur les plantes transgéniques, mais en modifiant quelque chose qui existe déjà, nous pourrons peut-être éviter les problèmes réglementaires qui peuvent ralentir la rapidité avec laquelle nous mettons des outils comme celui-ci entre les mains des agriculteurs. »
Le projet Réaliser une efficacité photosynthétique accrue (RIPE) reçoit le soutien de la Fondation Bill & Melinda Gates, de la Fondation pour la recherche sur l'alimentation et l'agriculture et du Bureau britannique des affaires étrangères, du Commonwealth et du développement.
