Représentation artistique de l’effet de l’édition de six copies du gène TT8 chez Camelina sativa. Les graines avec des gènes TT8 inactivés (à droite) présentent une coloration jaune, une épaisseur réduite de leur tégument et une accumulation d’huile près de 22 % plus élevée que les graines de type sauvage (à gauche). Crédit : Valérie Lentz/Brookhaven National Laboratory
Les scientifiques ont augmenté la production d’huile de Camelina sativa de 21,4 % en modifiant le gène TT8, ouvrant ainsi la voie à des cultures de biocarburants plus efficaces.
À mesure que les initiatives visant à atteindre zéro émission nette de carbone provenant des carburants de transport prennent de l’ampleur, le besoin en pétrole issu de cultures non alimentaires augmente. Ces cultures exploitent la lumière du soleil pour transformer le dioxyde de carbone atmosphérique en huile, qui est stockée dans leurs graines. Les sélectionneurs de cultures visant à maximiser la production d’huile privilégient souvent les plantes à graines jaunes, car celles-ci produisent généralement plus d’huile que les variétés à graines brunes dans les cultures oléagineuses comme le canola. Cela est dû à une protéine qui colore les graines en brun, absente des plantes à graines jaunes, et qui joue également un rôle clé dans la production d’huile.
Percée dans le développement des cultures de biocarburants
Aujourd’hui, les biochimistes végétaux du laboratoire national de Brookhaven du Département américain de l’énergie (DOE), qui souhaitent accroître la synthèse d’huiles végétales pour la production durable de biocarburants et d’autres bioproduits, ont exploité ces connaissances pour créer une nouvelle variété de graines oléagineuses à haut rendement. Dans un article qui vient de paraître dans Le Journal de la biotechnologie végétale,Camelina sativa, un proche parent du canola, accumule 21,4 % plus d’huile que la cameline ordinaire.
“Si les sélectionneurs peuvent obtenir une augmentation de quelques pour cent de la production de pétrole, ils considèrent que cela est significatif, car même de petites augmentations de rendement peuvent conduire à de fortes augmentations de la production de pétrole lorsque vous plantez des millions d’acres”, a déclaré John Shanklin, biochimiste du Brookhaven Lab. directeur du département de biologie du Laboratoire et responsable de son programme de recherche sur les huiles végétales. « Notre augmentation de près de 22 % était inattendue et pourrait potentiellement conduire à une augmentation spectaculaire de la production », a-t-il déclaré.
L’équipe de recherche du Brookhaven Lab (de gauche à droite) : Jin Chai, Jodie Cui, Shreyas Prakash, Xiao-Hong Yu, John Shanklin, Jorg Schwender, Hai Shi et Sanket Anokar. Tous sont membres du département de biologie du Brookhaven Lab ; Prakash et Cui sont respectivement étudiants de premier cycle à l’Université Cornell et à l’Université Stony Brook et participent au programme de stages en laboratoire scientifique de premier cycle parrainé par le ministère américain de l’Énergie. Crédit : Jessica Rotkiewicz/Laboratoire national de Brookhaven
Idée simple, plante insolite
L’idée derrière le développement de cette variété de caméline à haut rendement était simple : imiter ce qui se passe dans les variétés locales de canola à haut rendement et à graines jaunes.
“Les sélectionneurs avaient identifié des plantes avec plus d’huile, dont certaines avaient des graines jaunes, et ils ne se souciaient pas vraiment du mécanisme”, a déclaré Shanklin. Mais une fois que les scientifiques ont découvert le gène responsable à la fois de la couleur jaune des graines et de l’augmentation de la teneur en huile, ils ont trouvé un moyen d’augmenter potentiellement le rendement en huile dans d’autres espèces.
Édition génétique pour améliorer la production de pétrole
Le gène contient les instructions nécessaires pour fabriquer une protéine appelée Essai transparent 8 (TT8), qui contrôle la production de composés qui donnent, entre autres, aux graines leur couleur brune. Il est important de noter que TT8 inhibe également certains des gènes impliqués dans la synthèse du pétrole.
Xiao-Hong Yu, qui a dirigé ce projet, a émis l’hypothèse que la suppression du TT8 dans la cameline devrait libérer l’inhibition de la synthèse du pétrole et libérer du carbone qui pourrait être canalisé vers la production pétrolière.
Se débarrasser d’un seul gène de la caméline est très difficile car cette plante est inhabituelle parmi les êtres vivants. Au lieu d’avoir deux jeux de chromosomes, c’est-à-dire deux copies de chaque gène, il en possède six.
“Ce génome ‘hexaploïde’ explique pourquoi il n’existe pas de variétés naturelles de caméline à graines jaunes”, a expliqué Yu. « Il serait très peu probable que des mutations surviennent simultanément dans les six copies de TT8 et perturbent complètement sa fonction. »
L’édition génétique a un impact sur le pétrole
Grâce à des outils génétiques modernes, l’équipe de Brookhaven a réussi à éliminer les six copies de TT8. Ils ont utilisé la technologie d’édition génétique connue sous le nom de CRISPR/Cas9 pour cibler des séquences spécifiques de ADN au sein des gènes TT8. Ils ont utilisé cette technologie pour diviser l’ADN à ces endroits, puis créer des mutations qui ont désactivé les gènes. Yu et l’équipe ont ensuite effectué une série d’analyses biochimiques et génétiques pour surveiller les effets de leur édition génétique ciblée.
“Le phénotype des graines jaunes que nous recherchions était un excellent guide visuel pour notre recherche”, a déclaré Yu. « Cela nous a aidé à trouver les graines que nous recherchions en criblant moins de 100 plantes, parmi lesquelles nous avons identifié trois lignées indépendantes dans lesquelles les six gènes étaient perturbés. »
Les résultats : La couleur du tégument est passée du brun au jaune uniquement chez les plantes dans lesquelles les six copies du gène TT8 ont été perturbées. Les graines jaunes présentaient des niveaux inférieurs de composés « flavonoïdes » et de « mucilage » – tous deux normalement produits par des voies biochimiques contrôlées par TT8 – que les graines brunes provenant de souches de caméline au génome non édité.
De plus, de nombreux gènes impliqués dans la synthèse du pétrole et la production d’acides gras, les éléments constitutifs du pétrole, ont été exprimés à des niveaux accrus dans les graines des plantes éditées par CRISPR/Cas9. Cela a conduit à une augmentation spectaculaire de l’accumulation de pétrole. Les graines modifiées contenaient une autre surprise positive dans la mesure où les niveaux de protéines et d’amidon étaient inchangés.
Les mutations ciblées dans TT8 ont été héritées des générations suivantes de plantes de caméline, ce qui suggère que les améliorations seraient stables et durables.
« Nos résultats démontrent le potentiel de création de nouvelles lignées de caméline par modification génétique, dans ce cas en manipulant TT8 pour améliorer la biosynthèse du pétrole. Comprendre plus de détails sur la façon dont TT8 et d’autres facteurs contrôlent les voies biochimiques pourrait fournir des cibles génétiques supplémentaires pour augmenter les rendements en pétrole », a déclaré Shanklin.
Cette recherche a été financée par le Bureau scientifique du DOE – en partie par le biais d’un projet intitulé « Amélioration de la production d’oléagineux de caméline avec une fertilisation minimale à l’azote dans des systèmes de culture durables » dirigé par la Montana State University ; le Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI), un centre de recherche en bioénergie financé par le DOE et dirigé par l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign ; et le programme de biosciences physiques du Brookhaven Lab. Les étudiants soutenus par le Bureau des sciences ont également contribué à cette recherche. De plus, les scientifiques ont utilisé un microscope confocal au Center for Functional Nanomaterials (CFN), qui fonctionne comme une installation utilisateur du DOE Office of Science au Brookhaven Lab.
