La cartographie du génome de la canne à sucre marque une étape scientifique, ouvrant de nouvelles possibilités en matière d'amélioration des cultures et de gestion des maladies, favorisant ainsi les progrès en matière de productivité agricole et de développement de la bioénergie. Crédit : Issues.fr.com
Les scientifiques ont créé un génome de référence très précis pour l’une des cultures modernes les plus importantes et ont découvert un exemple rare de la manière dont les gènes confèrent aux plantes une résistance aux maladies. L'exploration du code génétique de la canne à sucre pourrait aider les chercheurs à développer des cultures plus résilientes et plus productives, avec des implications à la fois pour la production de sucre et de biocarburants.
- Jusqu'à présent, la génétique complexe de la canne à sucre en faisait la dernière culture majeure dépourvue d'un génome complet et très précis.
- Les chercheurs ont combiné plusieurs techniques pour cartographier avec succès la culture de la canne à sucre ADN et identifier les domaines clés, dont plusieurs liés à la production et au transport du sucre ainsi qu'à la résistance à la rouille brune.
- Le génome de référence de la canne à sucre pourrait être utilisé pour aider à créer des cultures plus résilientes ou pour augmenter la production de sucre, avec des applications dans l'agriculture et la bioénergie.
Introduction à la canne à sucre hybride moderne
La canne à sucre hybride moderne est l’une des cultures les plus récoltées sur la planète, utilisée pour fabriquer des produits tels que du sucre, de la mélasse, du bioéthanol et des matériaux d’origine biologique. Il possède également l’un des modèles génétiques les plus complexes.
Jusqu'à présent, la génétique complexe de la canne à sucre en faisait la dernière culture majeure dépourvue d'un génome complet et très précis. Les scientifiques ont développé et combiné plusieurs techniques pour réussir à cartographier le code génétique de la canne à sucre.
Grâce à cette carte, ils ont pu vérifier l'emplacement spécifique qui offre une résistance à la grave maladie de la rouille brune qui, si elle n'est pas contrôlée, peut dévaster une culture sucrière. Les chercheurs peuvent également utiliser la séquence génétique pour mieux comprendre les nombreux gènes impliqués dans la production de sucre.
Avancées dans la recherche génétique sur la canne à sucre
La recherche a été menée dans le cadre du programme scientifique communautaire du Joint Genome Institute (JGI) du Département américain de l'énergie, un établissement utilisateur du Bureau des sciences du DOE du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). L'étude a été publiée le 27 mars dans la revue Natureet le génome est disponible via le portail végétal du JGI, Phytozome.
« Il s'agit de la séquence génomique la plus compliquée que nous ayons jamais réalisée », a déclaré Jeremy Schmutz, responsable du programme végétal au JGI et chercheur universitaire à l'Institut HudsonAlpha de biotechnologie. « Cela montre le chemin parcouru. C’est le genre de chose que les gens croyaient impossible il y a 10 ans. Nous sommes désormais en mesure d’atteindre des objectifs que nous pensions tout simplement impossibles à réaliser en génomique végétale.
Le génome de la canne à sucre est si complexe à la fois parce qu'il est volumineux et parce qu'il contient plus de copies de chromosomes qu'une plante typique, une caractéristique appelée polyploïdie. La canne à sucre possède environ 10 milliards de paires de bases, les éléments constitutifs de l'ADN ; à titre de comparaison, le génome humain en compte environ 3 milliards.
De nombreuses sections de l'ADN de la canne à sucre sont identiques à la fois au sein et entre les différents chromosomes. Il est donc difficile de réassembler correctement tous les petits segments d’ADN tout en reconstruisant le plan génétique complet. Les chercheurs ont résolu l’énigme en combinant plusieurs techniques de séquençage génétique, y compris une méthode nouvellement développée connue sous le nom de séquençage PacBio HiFi, qui peut déterminer avec précision la séquence de sections d’ADN plus longues.
Comprendre et utiliser le génome de la canne à sucre
Disposer d’un « génome de référence » complet facilite l’étude de la canne à sucre, permettant aux chercheurs de comparer ses gènes et ses voies d’accès avec ceux d’autres cultures bien étudiées telles que le sorgho ou d’autres cultures de biocarburants intéressantes, comme le panic raide et le miscanthus. En comparant cette référence à d’autres cultures, il devient plus facile de comprendre comment chaque gène influence un trait d’intérêt, par exemple quels gènes sont fortement exprimés lors de la production de sucre ou quels gènes sont importants pour la résistance aux maladies. Cette étude a révélé que les gènes responsables de la résistance à la rouille brune, un champignon pathogène qui causait auparavant des millions de dollars de dégâts aux cultures de canne à sucre, se trouvent à un seul endroit du génome.
Cette image montre une carte d'ordre des gènes (créée à l'aide de GENESPACE) qui compare les assemblages de génomes entre espèces végétales apparentées. Les lignes blanches horizontales représentent les chromosomes et les tresses colorées qui les relient montrent des blocs de gènes conservés. Cela permet aux chercheurs de suivre les gènes d'intérêt conservés provenant de cultures bien documentées (telles que Sorghum bicolor ; un type spécifique de sorgho) dans des génomes plus complexes, tels que la canne à sucre sauvage et le cultivar R570, afin de mieux comprendre leur fonction. Par contraste, l'assemblage monoploïde précédent de R570 est présenté dans la rangée supérieure, où plusieurs copies de chromosomes dans le génome étaient représentées comme un seul assemblage en mosaïque. Crédit : Adam Healey et John Lovell/HudsonAlpha
« Lorsque nous avons séquencé le génome, nous avons pu combler une lacune dans la séquence génétique autour de la maladie de la rouille brune », a déclaré Adam Healey, premier auteur de l'article et chercheur chez HudsonAlpha.
« Il existe des centaines de milliers de gènes dans le génome de la canne à sucre, mais seuls deux gènes, travaillant ensemble, protègent la plante de ce pathogène. Dans l’ensemble des plantes, nous ne connaissons qu’une poignée de cas où la protection fonctionne de manière similaire. Une meilleure compréhension du fonctionnement de cette résistance aux maladies dans la canne à sucre pourrait aider à protéger d’autres cultures confrontées à des agents pathogènes similaires à l’avenir.
Les chercheurs ont étudié un cultivar de canne à sucre connu sous le nom de R570, utilisé depuis des décennies dans le monde entier comme modèle pour comprendre la génétique de la canne à sucre. Comme tous les cultivars modernes de canne à sucre, le R570 est un hybride obtenu en croisant le espèces de canne à sucre (qui excellait dans la production de sucre) et une espèce sauvage (qui portait les gènes de résistance aux maladies).
Impact potentiel sur l'agriculture et la bioénergie
« Connaître l'image génétique complète du R570 permettra aux chercheurs de retracer quels gènes descendent de quel parent, permettant ainsi aux sélectionneurs d'identifier plus facilement les gènes qui contrôlent les caractères d'intérêt pour une production améliorée », a déclaré Angélique D'Hont, dernière auteure de l'article et spécialiste de la canne à sucre. chercheur au Centre français de recherches agronomiques pour le développement international (CIRAD).
L'amélioration des futures variétés de canne à sucre a des applications potentielles à la fois dans l'agriculture et la bioénergie. Améliorer la manière dont la canne à sucre produit du sucre pourrait augmenter le rendement que les agriculteurs obtiennent de leurs cultures, en fournissant plus de sucre sur la même quantité d'espace de culture.
La canne à sucre est une matière première importante pour la production de biocarburants, en particulier d'éthanol, et d'autres bioproduits. Les résidus qui restent après le pressage de la canne à sucre, appelés bagasse, constituent un type important de résidus agricoles qui peuvent également être décomposés et transformés en biocarburants et bioproduits.
« Nous travaillons à comprendre comment les gènes spécifiques des plantes sont liés à la qualité de la biomasse que nous obtenons en aval, que nous pouvons ensuite transformer en biocarburants et bioproduits », a déclaré Blake Simmons, directeur scientifique et technologique du Joint BioEnergy Institute, un DOE. Centre de recherche en bioénergie dirigé par Berkeley Lab.
« Avec une meilleure compréhension de la génétique de la canne à sucre, nous pouvons mieux comprendre et contrôler les génotypes végétaux nécessaires à la production des sucres et des intermédiaires dérivés de la bagasse dont nous avons besoin pour les technologies de conversion durable de la canne à sucre à une échelle pertinente pour la bioéconomie. »
Cette étude a impliqué des collaborations avec des instituts du monde entier, dont la France (CIRAD, UMR-AGAP, ERCANE) ; Australie (CSIRO Agriculture and Food, Queensland Alliance for Agriculture and Food Innovation/ARC Centre of Excellence for Plant Success in Nature and Agriculture – Université du Queensland, Sugar Research Australia) ; République tchèque (Institut de botanique expérimentale de l'Académie tchèque des sciences) ; et aux États-Unis (Corteva Agriscience, Joint BioEnergy Institute). Le génome a été séquencé au JGI et les travaux ont été réalisés dans les laboratoires partenaires du JGI, l'Arizona Genomics Institute et l'HudsonAlpha Institute for Biotechnology.
Le Joint Genome Institute est un bureau d’utilisateurs scientifiques du Département de l’énergie. Le Joint BioEnergy Institute est un centre de recherche en bioénergie du DOE.
