Génomique et amélioration

Conférence
donnée à
Agropolis Museum
le 30 juin 2004

des plantes
Quels enjeux pour la recherche et ses finalités?

Jean-Francois Briat par Jean-François Briat (INRA-Biochimie) et

André Bervillé André Bervillé (INRA, Dpt. Génétique et amélioration des plantes)

Sous l'égide de La Fondation des Sciences Citoyennes
 


S o m m a i r e 

Texte d'introduction de la conférence distribué au public

Exposé de Jean-François Briat : Génomique et améliorations des plantes

1) Quelques rappels et leur contexte historique

2) La génomique : un changement d'échelle

2.1 - La génomique structurale

2.2 - La génomique fonctionnelle

2.3 - La bioinformatique

3) De nouveaux partenariat pour gérer le changement d'échelle induit par la génomique

3.1 - Les plateformes technologiques

3.2 - Un exemple de programme de génomique : Génoplante

4) Génomique et amélioration des plantes

Pour en savoir plus

Texte d'introduction de la conférence distribué au public

De nombreuses évolutions ont modifié l'étude de la biologie. Le séquençage complet de plusieurs génomes d'organismes eucaryotes multicellulaires marque les débuts de la génomique. Celle-ci, en combinant bio-informatique, génétique inverse, et méthodes d'analyse globale de l'expression du génome, permet une meilleure compréhension de l'intégration de grandes fonctions physiologiques et de programmes de développement. Dans le domaine végétal, elle établit des relations avec l'amélioration des plantes, en particulier avec la sélection assistée par marqueurs et l'analyse de la variabilité génétique. Le changement d'échelle de la génomique et les moyens requis pour son développement impose de nouveaux partenariats et influence l'organisation des dispositifs de recherche.

Les études de génomique auront-elles un impact sur la filière tournesol ? La supériorité génotypique des hybrides F1 par rapport aux lignées parentales est un fait. L'intérêt économique de l'hybride F1 par rapport aux populations qui sont des mélanges d'hybrides peut donc être discuté. Qu'en est-il pour le tournesol ?

La marginalisation actuelle de la culture du tournesol sur des terres peu favorables (la culture avec le minimum d'intrants voire sans intrant, comme l'absence d'irrigation) et le développement de la culture biologique, conduisent à s'interroger sur l'intérêt économique des hybrides F1 par rapport aux populations.

Peut-on envisager dans le contexte économique actuel un schéma de sélection de populations et une organisation de la filière huile impliquant l'agriculteur ?

La conférence est introduite par Jean Jacques Drevon (Inra), modérateur, qui en rappelle le cadre : “ Savoirs partagés ” s’est associé avec “ Ouvrons la recherche ” et “ Fondation sciences citoyennes ” pour les trois conférences qui ont eu lieu depuis fin mars. Ce processus s’inscrit dans le cadre de l’Appel à des forums de la recherche publique pour une agriculture durable et une bonne alimentation, dans un environnement sain et des campagnes vivantes. L’objectif global du processus est la production d’un document de synthèse sur la réorientation de la recherche publique. Pour avancer sur des propositions, des groupes de travail via le web sont mis en place, ainsi que trois forums (Rennes - 23 juin, Toulouse - fin septembre et Montpellier – début octobre).

 

A - Exposé de Jean-François Briat :
Génomique et améliorations des plantes

Pour que tout débat soit constructif, il est nécessaire que chaque point de vue s’exprime à partir d’une connaissance “ technique ” minimum de l’objet en débat. Cet exposé propose donc de rappeler rapidement d’où vient la génomique, ce qu’elle est, comment sa pratique est organisée en France, et quelles sont ses applications potentielles dans le domaine de l’amélioration des plantes.

 

1) Quelques rappels et leur contexte historique
Jean-François Briat (INRA - Biochimie)

C’est Mendel en 1865 qui fonde la génétique en découvrant les lois fondamentales de l’hérédité . Ces travaux sur les caractères héritables du Pois passent quasiment inaperçus et il faudra attendre 1900 pour que De Vries, Tschermak et Correns redécouvrent simultanément et indépendamment les lois de Mendel. Une dizaine d’années plus tard, en 1911, Morgan élabore la théorie chromosomique de l’hérédité à partir des données expérimentales qu’il obtient avec la mouche du vinaigre (Drosophile)

Il faudra attendre l’après deuxième guerre mondiale pour que le support physique de l’hérédité soit élucidé, amenant ainsi les débuts de biologie moléculaire. En 1944 , Avery, Mc Leod et Mc Carty mettent en évidencele rôle des acides nucléiques comme support de l’information génétique, et en1950, Chargaff établit qu’une molécule d’ADN comprend

toujours la même quantité de A et de T, et la même quantité de C et de G. Trois ans plus tard Watson et Crick décrivent la structure en double hélice de la molécule d’ADN, aidé en cela par les images de diffraction électronique obtenues par Rosalin Franklin. Une dizaine d’années plus tard, Jacob et Monod proposent un modèle pour l’expression

d’un gènevia une molécule d’ARNmessager, et Crick propose l’hypothèse que le code génétique est constitué de triplets de nucléotides spécifiant un acide aminé donné pour la synthèse des protéines. C’est en 1965 que les travaux de Korona permettent le décryptage complet du code génétique...un siècle s’est écoulé depuis Mendel !!

La rencontre de la génétique et de la biologie moléculaire détermine l’émergence de la génétique moléculaire etles premières expériences de génie génétique chez les bactéries sont attribuées àCohen et Boyer en 1973. Conscients de la révolution biologique qui s’annonce les biologistes impliqués dans ce type d’étude décident d’un moratoire d’un an lors d’une conférence à Assylomar en 1975 pour réfléchir à l’opportunité de continuer leurs

travaux sur le génie génétique. Concernant le génie génétique appliqué aux végétaux, c’est en 1977 qu’est découvert le transfert de gènes entre les agrobactéries et les plantes, qui servira de fondement à l’obtention de la première plante transgénique en 1983 .

Le perfectionnement et l’intensification du débit des méthodes de la biologie et de la génétique moléculaire ont rapidement conduit les scientifiques à penser qu’il devenait possible d’accéder à l ‘ensemble de l’information génétique contenu dans le génome d’un organisme eukaryote multicellulaire. L’heure de la génomique avait sonné !!. C’est ainsi qu’ ont été lancé leprogramme HUGO de séquençage du génome humain en 1988, et le programme de séquençage du génome de la plante Arabidopsis thaliana en 1992, une petite crucifère utilisée comme modèle par les biologistes moléculaires étudiant les végétaux. C’est en 2000 que la séquence complète du génome de cette plante a été terminé et mis à la disposition de l’ensemlble de la communauté scientifique.

Pour accompagner la mise en place de programmes de séquençage à grande échelles, l’Etat français a créé le Génoscope (groupement d’intérêt public,GIP) à Evry en 1996. Dans le domaine de la biologie végétale, un groupement d’intérêt scientifique (GIS) nommé Génoplante a été crée en 1999 pour fédérer les efforts en génomique végétale des établissements publics de recherches et des partenaires privés.

 

2) La génomique : un changement d'échelle

La génomique s’inscrit dans la continuité de la génétique, qu’elle dote d’outils d’analyse fine et directe du génome et d’une capacité de traitement très rapide d’un très grand nombre de données grâce à des équipements de type industriel.

2.1 - La génomique structurale
concerne l ’étude de la structure des génomes. Elle ambitionne de décrire l’organisation des chromosomes et de dresser l’inventaire des gènes qu’ils contiennent. Pour cela elle s’appuie sur :

+ la cartographie génétique : les marqueurs moléculaires sont de nouveaux type de marqueurs génétiques qui apparaissent au milieu des années 1980 pour permettre de dresser des cartes génétiques avec une précision et une rapidité jusqu’alors inégalées

+ la cartographie physique qui consiste àfragmenter et multiplier de grands fragments d ’ADN couvrant l ’ensemble d ’un génome pour les analyser et les propager chez les bactéries ou les levures sous forme de chromosomes artificiels

Ces fragments sont ensuite ré-ordonnés selon leur origine chromosomique pour obtenir un ensemble de fragments indépendants et identifiés individuellement, recouvrant la totalité du génome.

La correspondance entre la carte physique et la carte génétique grâce aux marqueurs moléculaires permet de passer d’une localisation sur la carte génétique à une région d’ADN et vice versa. L’intégration des deux types de cartes permet ainsi d’isoler les gènes responsables des caractères étudiés, étape nécessaire pour avancer dans la compréhension de leur fonction.

Le séquençage d’un génome constitue la carte ultime du génome. Sa réalisation nécessite des robots de séquençage permettant un débit compatible avec le séquençage de génomes entiers. Ces conditions sont trouvées dans des centres de séquençage de grande taille, qui possèdent plusieurs dizaines de ces robots (Génoscope à Evry) et qui travaillent dans le cadre de collaborations et de financements internationaux

Le séquençage de génomes complets fut le théâtre de la première confrontation d’envergure dans la recherche génomique entre la recherche publique (consortium international de laboratoires publics) et la recherche privée (en la matière l’entreprise américaine Celera Genomics dirigée par Greg Vanter), l’enjeu, déjà, étant la brevetabilité des gènes.

2.2 - La génomique fonctionnelle.
Elle a pour objectif de fournir des outils d’analyse efficaces pour attribuer des fonctions aux plus grand nombre de gènes révélés par le séquençage du génome. Elle couvre deux axes majeurs : (i) l’expression du génome ; (ii) la modification de l’expression des gènes.

Son objectif d ’exhaustivité a conduit le développement de techniques qui visent à obtenir des données d’expression les plus complètes possibles.

Le transcriptome (puces à ADN :Afymetrix,privé, USA ;CATMA public / privé, CE) cherche à déterminer le niveau d’expression des gènes en ARN correspondants, à différents stades de développement et / ou dans différentes conditions environnementales. Les méthodes actuelles permettent de révéler l’expression de l’ensemble des gènes d’un organisme (plus de 25000 chez Arabidopsis), et d’apprécier les modifications de ce patron d’expression en fonction de moments ou de conditions différentes.

Le protéome (basé sur des méthodes de séparation de protéines et despectrométrie de masse) vise à établir des répertoires d’expression des gènes au niveau non plus des ARNs mais des protéines. A la différence du transcriptome, l’ensemble des protéines exprimées à un moment donné ne peut pas être visualisé. Au maximum quelques milliers de protéines peuvent être caractérisées par ces approches, ce qui ne rend pas encore possible l’établissement de corrélations exhaustives entre transcriptome et protéome.

Les produits des réactions enzymatiques des cellules sont de petites molécules organisques non protéiques, appelées métabolites. Le terme métabolome définit l’esemble des métabolites déterminés par une, ou la combinaison de plusieurs, méthodes analytiques. La encore, la grande complexité métabolique fait que le nombre de métabolites analysables n’est pour l’instant que de quelques centaines, rendant impossible la corrélation stricte entre expression du génome en transcrits et correspondance métabolique.

Un des problèmes soulevés par les programmes de génomique est l’augmentation sans précédent des volumes de données biologiques à traiter, d’ou le développement, au sein de la génomique, de la bioinformatique

2.3 - La bioinformatique
propose d’organiser, de gérer et d’analyser la multitude de données produites par les méthodes de la génomique. Elle a pour mission de :

- stocker les données de génomique structurale et fonctionnelle dans de larges bases de données informatiques

- permettre à tous les biologistes d’y accéder de façon simple et rapide

A partir des données de séquençage, la bioinformatique développe des programmes pour

- annoter les gènes : comparer les séquences d ’organismes différents entre elles et prédire la fonction des gènes

- prédire des éléments :

+ de régulation de l ’expression des gènes

+ de localisation dans la cellule des protéines codées par les gènes

 

3) De nouveaux partenariats pour gérer le changement d'échelle induit par la génomique

L ’exhaustivité de la génomique impose une révolution technique dans la pratique scientifique en biologie : automatisation, robotisation, informatisation … donc industrialisation. Cette situation a pour conséquence d’augmenter de façon très importante la technicité des pratiques scientifiques, et les coûts de recherche. Une nécessité d’ économie d ’échelle s’impose donc, induisant de nouvelles organisations de la recherche et de nouveaux partenariats.

3.1 - Les plateformes technologiques

Le CNRG (Consortium national de recherche en génomique ), est un groupement d'intérêt public (GIP) regroupant :

- les Centres nationaux de ressources génomiques qui gèrent les plates-formes technologiques de niveau international comme le Centre national de séquençage (CNS) et le Centre national de génotypage (CNG) tous deux installés à Évry

- le réseau des Génopoles . Une Génopole regroupe en un même lieu laboratoires publics de recherche, entreprises de biotechnologies et enseignement de haut niveau dans le domaine de la génomique et des sciences connexes.

+ en 1999 création de Genopole® à Evry,

+ un an après l'État décide d'étendre à l'ensemble du territoire français le concept de Genopole®. Actuellement, 8 sites sont labellisés [Evry / Ile-de-France, Lille, Marseille, Montpellier, Strasbourg, Toulouse, Rhône Alpes (Lyon/Grenoble)] et un site en test sur deux ans (Génopole Ouest (site Rennes-Nantes, en test 2002-2004)

Les Missions du CNRG sont:

- de participer à la politique nationale de génomique en mettant à la disposition de la communauté scientifique française de grands équipements technologiques de niveau international.

- de séquencer des génomes, exploiter, diffuser et valoriser les résultats de ces travaux de recherche

- d'effectuer le génotypage de génomes, plus particulièrement du génome humain pour l'étude de maladies génétiques

- de mettre en place des infrastructures, des moyens scientifiques et techniques nécessaires au développement de la génomique fonctionnelle ;

- d'animer et coordonner la politique scientifique et de transferts de technologies des génopoles régionales ;

- d'élaborer une charte déontologique et mener des actions d'information scientifique et technique dans le domaine de la génomique.

Le Réseau Inter-Organismes (RIO) doit coordonner les équipements lourds de plateformes technologique (génomique mais aussi imagerie et biologie structurale) soutenus par les grands organismes de recherche publics(CNRS, INRA, INSERM…).

3.2 - Un exemple de programme de génomique : Génoplante.

Il s’agit d’un programme français de génomique végétale basé sur une coopération étroite entre les secteurs publics et privés. Sesmissions sont de favoriser le développement et la coordination de recherches sur les génomes végétaux avec des applications et des débouchés dans les domaines de la biologie et de la physiologie des plantes, de l ’agronomie, de l ’agroalimentaire, de l ’agroindustrie et de l ’environnerment

Génoplante est un GIS (groupement d ’intérêt scientifique). Génoplante Recherche regroupe des membres publics (INRA, CNRS, IRD, CIRAD) et privés (Bayer CropScience, Biogemma, Bioplante). Il est organisé autour d’un comité d ’orientation stratégique assisté d’un conseil scientifique international pour élaborer les grands choix scientifiques du programme, un directoire opérationnel se chargeant de la mise en oeuvre de ces orientations. Dix Comités thématiques (chacun animé par 2 coordinateurs : 1 public + 1 privé) sont en charge de l’animation scientifique. On peur noter les comités

  • générique : Arabidopsis, riz, nouveaux outils, bioinformatique, cibles importantes dans le génomes des espèces cultivées
  • espèces : blé, maïs, colza, Tournesol, Pois.

Génoplante Valor est une société par actions simplifiée(SAS) qui gère la propriété industrielle générée par les projets et qui doit valoriser les résultats de recherche.

Le budget de Génoplante est de 200 millions d ’ € sur 5 ans :

+ 40% en propre des organismes publics de recherche

+ 40% en propre des partenaires privés (dont 6% de soutien aux recherches dans les laboratoires publics)

+ 20% (40 millions d ’€) des ministères de la recherche et de l ’agriculture

 

4) Génomique et amélioration des plantes

Bien avant l’avènement de la génétique et plus récemment de la génomique, l’Homme cherchait déjà à améliorer les espèces. En ce qui concerne l’amélioration des plantes on date à environ 10000 ans av JC le croisement de deux blés sauvages pour générer le premier blé tétraploïde cultivé. L’orientation productiviste de l’agriculture dans les pays développés après 1945 a bénéficié de la rationalisation de l’amélioration des espèces utilisées en agriculture sur la base des connaissances de la génétique classique.

D'après le CGIAR (Consultative Group on International Agricultural Research), uneaugmentation de la production alimentaire de plus de 50 % pour nourrir 2 milliards d'individus supplémentaires d'ici à 2025, largement situés dans les pays du Sud, semble indispensable

Dans ce contexte, les enjeux sont de deux types:

à augmenter les quantités alimentaires disponibles et nourrir une population en augmentation tout en préservant l'environnement d'apports excessifs d'engrais et de pesticides

à accroître la compétitivité des productions végétales et leurs utilisations dans le domaine agroalimentaire et des matières premières renouvelables.

En quoi la génomique est elle concernée par ces enjeux ?

Depuis quelques décennies, l’amélioration des plantes est une activité scientifique basée sur une exploitation de la variabilité génétique naturelle, et depuis peu sur la connaissance croissante du fonctionnement du génome des plantes dans leur environnement.

L’amélioration des plantes nécessite une connaissance et la gestion de la biodiversité pour disposer d’une variabilité génétique large, qu’il faut:
+ collecter,
+ caractériser : description et inventaire de l’ensemble des caractères des plantes visibles (taille de l’épi, couleur du grain…) ou invisibles (marqueurs moléculaires que la génomique contribue à définir).
+ conserver
+ gérer.

La Sélection assistée par marqueurs (SAM) :
+ utilise les données de la génomique pour améliorer l’efficacité du processus de sélection et réduire sa durée.
+ permet au sélectionneur de repérer les plantes intéressantes dans la descendance d’un croisement en se basant sur la présence des marqueurs moléculaires proches des gènes contrôlant les caractères recherchés.
+ bénéficie du fait que les marqueurs moléculaires présentent l’avantage de pouvoir être détectés facilement et d’être visualisables à partir d’échantillons d’ADN extraits de plantes très jeunes.
+ permet ainsi de réduire de moitié la durée de la sélection de nouvelles variétés

 

Pour en savoir plus

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