France
May 2011
L’apomixie est une particularité de certaines plantes sauvages – celle de produire des graines sans fécondation ni recombinaison génétique – donnant naissance à des copies conformes de la plante mère.
Un mode de reproduction original que les chercheurs de l’IRD et leurs partenaires de l’Université de Zurich en Suisse, du LANGEBIO (Laboratorio Nacional de Genomica para la Biodiversidad ) à Irapuato au Mexique, de l’Université de Kiel en Allemagne et du Centre d’Ecologie Fonctionnelle du CNRS à Montpellier tentent d’appliquer à des espèces d’intérêt agricole – pour la plupart sexuées – telles que le blé ou le maïs.
Cette révolution éviterait en particulier aux producteurs des pays du Sud d’acheter des semences chaque année.
COMMENT REPRODUIRE DES SEMENCES DE QUALITÉ ?
Fiches d’actualité scientifique n° 375
L’apomixie est une particularité de certaines plantes sauvages – celle de produire des graines sans fécondation ni recombinaison génétique – donnant naissance à des copies conformes de la plante mère. Un mode de reproduction original que les chercheurs de l’IRD et leurs partenaires( 1) tentent d’appliquer à des espèces d’intérêt agricole – pour la plupart sexuées – telles que le blé ou le maïs. Cette révolution éviterait en particulier aux producteurs des pays du Sud d’acheter des semences chaque année.
Mais développer de telles variétés pose de nombreux défis. Notamment, une plante sexuée peut-elle se passer de père ? Une étude, publiée dans la revue Cell , élucide cette question fondamentale. L’équipe vient de montrer que l’embryon pourrait se développer sans la contribution du génome paternel. De fait, durant les premiers stades de croissance, l’essentiel des gènes qui s’expriment sont hérités de la mère. Puis, les contributions se rééquilibrent, mais c’est toujours le génome maternel qui distribue les rôles parentaux.
Grâce à ces résultats, les chercheurs espèrent, à terme, mettre au point, à l’usage des paysans du Sud, des cultures dont les qualités sélectionnées se conserveraient récolte après récolte.
En redistribuant les gènes des parents, la reproduction sexuée tend à faire disparaître d’une génération sur l’autre les caractères favorables sélectionnés chez les plantes cultivées – productivité, vigueur, résistance à la sécheresse ou aux pathogènes. Ainsi, il est difficile pour l’agriculteur de maintenir le rendement d’un champ de maïs ou de blé année après année. A chaque nouveau cycle de culture, il doit renouveler ses graines. Plus de 25 milliards d’euros par an sont consacrés dans le monde à l’achat de semences. Mais de telles dépenses sont difficilement supportables pour de nombreux producteurs dans les pays en développement.
Plus de mélange
Les chercheurs tentent de provoquer l’apomixie chez le maïs, comme chez ses cousins sauvages, ici au Mexique. Pour permettre aux paysans de produire leurs propres semences, les biologistes de l’IRD et leurs partenaires( 1) tentent depuis plus de dix ans d’appliquer aux plantes agricoles une stratégie reproductive originale que possèdent certains végétaux sauvages : l’apomixie, qui signifie étymologiquement « sans mélange ». De fait, cette multiplication asexuée permet de se soustraire au brassage génétique. Sans fécondation ni méiose, c’est-à-dire sans recombinaison génétique entre deux plants parents, les graines donnent naissance à des répliques exactes de la plante-mère. Dans la nature, environ 400 espèces font appel à l’apomixie, aussi variées que le pissenlit, le manguier ou encore l’aubépine.
Une plante sexuée peut-elle se passer de père ?
Mais comment rendre « apomictiques » des plantes sexuées – comme le sont la plupart des cultures ? Les scientifiques, n’étant pas parvenus à des résultats satisfaisants par hybridation *, changent de voie : ils entreprennent de provoquer un développement d’origine 100% maternelle chez l’embryon d’une plante sexuée, dont le génome est normalement constitué pour moitié de l’ADN de la mère et de celui du père.
Cette approche novatrice pose de nombreux défis techniques mais aussi théoriques : la plante peut-elle s’affranchir totalement du père, sans que cela nuise à son développement ? Dans une étude publiée dans la revue Cell , l’équipe de recherche répond positivement à cette interrogation : durant les étapes précoces de son développement l’embryon croît essentiellement grâce aux chromosomes hérités de la mère, ceux reçus du père restant inactifs. Au total, plus de 90% des ARNs( 2), c’est-à-dire les molécules qui permettent la différenciation des tissus et organes de l’embryon, s’avèrent d’origine maternelle.
Quand la mère domine
Les chercheurs arriveront-ils à transformer en plante apomictique une culture comme le blé, ici dans Haut-Atlas marocain ? Pour élucider cette question fondamentale, les généticiens ont choisi la plante modèle nommée Arabidopsis thaliana . Sous la loupe de leur microscope, ils ont croisé deux variétés distinctes. Quinze heures après la fécondation, ils ont extrait les jeunes embryons. A ce stade, ces derniers ne sont constitués que de deux à quatre cellules. En utilisant des méthodes de séquençage à très haut débit, les chercheurs ont analysé les ARNs contenus dans ces quelques cellules. Grâce aux différences de séquences entre les deux génomes parentaux, l’équipe a pu déterminer, pour chacun des 3000 gènes observés, que tel ARN est produit par des chromosomes hérités de la mère, et tel autre de ceux du père. C’est ainsi que chacune des deux contributions parentales a été quantifiée.
Au cours du développement embryonnaire, les rôles se rééquilibrent progressivement. Mais là encore, c’est la mère qui contrôle la situation. Lors de ces mêmes travaux, les chercheurs ont identifié les deux mécanismes mis en œuvre par le génome maternel qui répriment et maintiennent silencieux les gènes du père au départ, puis les activent grâce à la production de protéines particulières.
Ces nouveaux résultats suggèrent qu’il serait possible de provoquer une sorte de multiplication clonale chez des espèces sexuées. Mais en l’absence de fertilisation, quel est le signal qui déclenche la croissance d’une graine ? Une fois cette dernière barrière levée, les chercheurs espèrent à terme fournir aux agriculteurs, en particulier des pays du Sud, des plantes alimentaires apomictiques, chez lesquelles se fixeraient de génération en génération les qualités agronomiques sélectionnées.
* voir fiche d’actualité n°11 - Transfert de l’apomixie au maïs par hybridation : les chercheurs approchent du but
1. Ces travaux ont été réalisés en partenariat avec l’Université de Zurich en Suisse, le LANGEBIO (Laboratorio Nacional de Genomica para la Biodiversidad ) à Irapuato au Mexique, l’Université de Kiel en Allemagne et le Centre d’Ecologie Fonctionnelle du CNRS à Montpellier.
2. L’ARN est une molécule présente dans les cellules qui véhicule l’information génétique portée par l’ADN ou qui l’utilise pour fabriquer les protéines.
Fiche n° 375
REFERENCES :
Autran D, Baroux C., Raissig M. T., Lenormand T., Wittig M., Grob S., Steimer A., Barann M., Klostermeier U. C., Leblanc Olivier, Vielle-Calzada J-P., Rosenstiel P., Grimanelli D, Grossniklaus U. Maternal epigenetic pathways control parental contributions to Arabidopsis early embryogenesis. Cell , 2011.
doi:10.1016/j.cell.2011.04.014. PDF
¿Cómo reproducir semillas de calidad?
La apomixis es una particularidad de determinadas plantas silvestres de reproducir granos, sin fecundación ni recombinación genética, que da origen a descendientes genéticamente idénticos de la planta madre.
Un modo de reproducción original que investigadores del IRD y sus asociados de la Universidad de Zurich, Suiza; del LANGEBIO (Laboratorio Nacional de Genómica para la Biodiversidad del CINVESTAV) en Irapuato, México; de la Universidad de Kiel, Alemania; y del Centro Nacional de Ecología Funcional del CNRS en Montpellier, Francia tratan de aplicar a especies de interés agrícola – en su mayor parte sexuadas – como el trigo o el maíz.
Esta evolución evitaría a los productores, en particular de países del Sur, a comprar semillas cada año. Sin embargo, reproducir dichas variedades plantea numerosos desafíos. ¿Puede una planta sexuada prescindir del padre? Un estudio publicado en la revista Cell dilucida esta pregunta fundamental. El equipo acaba de demostrar que el embrión podría desarrollarse sin la contribución del genoma paterno. De hecho, durante las primeras etapas de crecimiento los genes que se expresan son heredados por la madre. Más tarde las contribuciones se equilibran, pero es siempre el genoma materno el que distribuye las funciones de parentesco.
Gracias a estos resultados los investigadores esperan en un futuro, para uso de los agricultores del Sur, perfeccionar los cultivos cuyas características seleccionadas se conserven cosecha tras cosecha. Al distribuir los genes de los padres, la reproducción sexuada tiende a hacer desaparecer de una generación a otra los caracteres favorables seleccionados en las plantas cultivadas (productividad, vigor, resistencia a la sequía o a la patogénesis). Así que resulta difícil para el agricultor mantener año tras año el rendimiento de un campo de maíz o de trigo, ya que debe renovar los granos cada nuevo ciclo de cultivo. Más de 25 millones de euros se destinan al año en el mundo a la compra de semillas. Sin embargo, dichos gastos serían difícilmente solventados por los productores de países en desarrollo.
Fiche n° 375
REFERENCIAS :
Autran D, Baroux C., Raissig M. T., Lenormand T., Wittig M., Grob S., Steimer A., Barann M., Klostermeier U. C., Leblanc Olivier, Vielle-Calzada J-P., Rosenstiel P., Grimanelli D, Grossniklaus U. Maternal epigenetic pathways control parental contributions to Arabidopsis early embryogenesis. Cell , 2011.
doi:10.1016/j.cell.2011.04.014. PDF
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