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S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Technologies et biotechnologies végétales
Marie-Françoise Niogret
Antoine Gravot
UMR 6026 Interactions Cellulaires et Moléculaires
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Biotechnologies« Transformation de matière première en biens ou services par le moyen d’organismes vivants »
Fermenteurs
Bioréacteurs
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Biotechnologies« Technologies impliquant l’obtention et/ou l’utilisation d’organismes génétiquement modifiés »
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Biotechnologies« Technologies innovantes basées sur des connaissances scientifiques dans le domaine du vivant, impliquant d’importants investissements en R&D et une large ambition commerciale»
Bretagne Biotechnologies
Végétales
Meristem Therapeutics
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Biotechnologies végétales« Développement et utilisation de techniques de cultures in vitro dans différents domaines relatifs au végétal et à l’amélioration variétale»
Haplodiploïdisation Culture de méristèmes Micropropagation Sauvetage d’embryons Fusion de protoplastes Création de variabilité Banque de germoplasmes …
www.srpv-bretagne.com
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Biotechnologies« Développement et application d’outils moléculaires dans différents domaines relatifs à l’agronomie et la médecine »
•Science Museum/Science & Society Picture Library
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Définitions Issues du génie des procédés (école allemande)
– Définition historique (Karl Ereky), début XXème Production de biens à partir de matière première en utilisant des organismes vivants Utilisation des techniques de fermentation et dérivées
– Mots clés : génie des procédés, production industrielle
Issues du génie génétique (école américaine)– Depuis les années 70
« Utilisation des techniques de l’ADN recombinant »– Mots clés : ADN recombinant, protéines hétérologues, organismes génétiquement modifiés
Gerard Siclet : Technologies de pointe mettant en œuvre des processus cellulaires ou moléculaires, grâce au génie génétique
Plaçant au premier plan les applications industrielles et commerciales– Définition OCDE 1980 : Mise en œuvre de matériel biologique pour la production de biens et de services
En Europe : définitions concernant spécifiquement le végétal et insistant soigneusement sur les technologies ne faisant pas appel à la transgenèse
Plus récemment : définitions incluant les approches de génomique
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Biotechnologies végétales : Domaines abordés dans ce cours : Ensemble de pratiques
faisant appel aux cultures in vitro de plantes et aux techniques de biologie moléculaire dans les domaines de l’agronomie, l’industrie et la recherche fondamentale
Cultures in vitro
Biologie moléculaire
Agronomie :
Création variétale, Multiplication conforme, Identification variétale…
Recherche fondamentale
Industrie
Production de composés ou de protéines d’intérêt alimentaire et non-alimentaire
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Au programme… Les cultures in vitro
– Totipotence de la cellule végétale– Techniques de base de culture in vitro– Applications technologiques:
micropropagation, sauvetage d’embryon, haplo/diploïdisation, fusion de protoplastes…
– Applications en recherche : signalisation, adressage de protéines, échanges d’ions et de métabolites
Biotechnologie moléculaire– Bases de la transgenèse des végétaux– Applications en agriculture conventionnelle– Applications dans la valorisation non alimentaire des productions
végétales Production de protéines recombinantes Production de métabolites secondaires Phytoremédiation
MF Niogret
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Les travaux pratiques
Rôle des substances de croissance dans l’organogenèse et composition des milieux de culture
Préparation et fusion de protoplastes Caractérisation et phénotypage de mutants
d’Arabidopsis
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Les travaux dirigés
Préparation d’un exposé concernant un domaine de la biotechnologie végétale
Réalisation d’un dossier concernant un gène chez Arabidopsis thaliana– Expression tissulaire, régulation, fonctions connues– Brevets – Démarche concrète d’obtention de mutants
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Totipotence chez le végétal
Signification et limites
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Plan
Quelques définitions Naissance et développement des cultures in
vitro Applications et limites de la totipotence Mécanismes sous-jacents à la totipotence Signification biologique de la totipotence des
cellules végétales
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Quelques définitions
Cellules totipotentes: cellules issues des premières division de l'oeuf fécondé capables de donner naissance à tous les types de cellules de l'organisme et les seules à permettre le développement complet d'un individu.
Cellules pluripotentes : Capacité que possède une cellule de se différencier en environ 200 types cellulaires représentatifs de l’ensemble des tissus (cellules souches embryonnaires issues d’embryons de 5 à 7 jours)
Cellules multipotentes : capables de donner naissance à plusieurs types cellulaires (les cellules souches myéloïdes de la moelle osseuse sont à l’origine des cellules sanguine)
Chez les animaux
Spécificité du végétal
Chez les plantes, la totipotence peut se définir comme la propriété qu’ont certaines cellules de pouvoir régénérer un individu lorsqu’elles sont placées dans des conditions appropriées, en passant éventuellement par une étape de dédifférenciation
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Exemple : microbouturage du Saint Paulia
2 mois plus tard
Source : http://www.didier-pol.net/1CLONES.html
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Historique
La totipotence comme fil conducteur de la naissance des biotechnologies végétales
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Historique de la culture de tissus et d’organes de plantes
Contexte théorique au début du XXème siècle:– Théorie cellulaire (Schleiden et Schwann)
– Microbiologie et biochimie
Comment étudier le comportement de cellules isolées ?
Cultures en conditions stériles
Caractérisation de substances de croissance
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
G. Haberlandt : le concept de totipotence de la cellule végétale
Aspects historiques
Deux idées importantes :
•la culture de cellules isolées constituerait potentiellement un modèle de recherche
•maintient en vie de cellules isolées
•Pas de multiplication cellulaire
•on peut potentiellement régénérer une plante entière à partir d’une cellule isolée totipotence
•Échec (mauvais choix d’explants, méconnaissance des substances de croissance)
http://users.ugent.be/~pdebergh/his/his2az1.htm
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Émergence des techniques de culture
– Haberlandt (1902) : concept de totipotence– White (1934) : culture in vitro de racines de tomates– Gautheret (1935) : utilisation d’auxine pour cultiver
du cambium de saule– 1939 : 1ère culture indéfinie de cals de carotte
Aspects historiques
La culture de tissus est possible en utilisant des substances de croissance et/ou des tissus méristématiques
https://www2.carolina.com
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Émergence des techniques de culture
– Braun (1941) : travaux sur le crown gall
– Miller (1955) : cytokinines– Murashige et Skoog : mise au point de
milieux de culture efficaces contenant des cytokinines et des auxines
Aspects historiques
Croissance in vitro des tumeurs
sans ajout d’hormones
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Confirmation des hypothèses d’Haberlandt
1956 (Muir) suspensions cellulaires
1958 (Reinart et Stewart) Embryogenèse somatique chez la carotte
Aspects historiques
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Confirmation des hypothèses de Haberlandt
1965 (Vasil et Hilderbrandt) Régénération d’un plant de tabac à partir d’une cellule unique
1971 (Nagata et Takabe) Régénération d’un plant entier à partir d’un protoplaste
Aspects historiques
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Développements : des outils agronomiques
1965 (Morel) multiplication in vitro des orchidées
1972 (Sharp) : tomates haploïdes à partir de pollen
1973 : hybride issu d’une fusion de protoplastes
Aspects historiques
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Développements : production de métabolites secondaires
1977 : culture de cellules de tabac dans un réacteur de 20 000 litres
1983 (Mitsui Petrochemical) : production industrielle de métabolites secondaires
Aspects historiques
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Développements : la transgenèse
Van Montaigu (1983) : tabac résistant à la kanamycine
1994 : Flavr Savr (Calgene, antisensage d’une polygalacturonase)
1996 : maïs transgénique commercialisé aux USA
Aspects historiques
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Conclusions Problématique initiale :
– recherche d’un modèle de cellules isolées– démonstration de la totipotence des cellules
végétales
Aspects historiques
Identification du rôle des substances de croissance
Mise au point de nombreuses techniques
Transgénèse
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
La totipotence : applications et limites
Meristème
Apex caulinaire
Nœud
Culture de méristème
EnracinementPlantules
Tige feuillée
Morphogenèse indirecte
Callogenèse
cal
Suspensions cellulaires
Caulogenèse indirecte
Embryogenèse somatique indirecte
Morphogenèse directe
Caulogenèse directe
Embryogenèse somatique directe
Semences artificielles
Principales méthodes de micropropagation
D’après Lindsey et Jones 1989
Explants divers (racines, tige, feuilles…)
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Des cellules plus ou moins totipotentes
Les méristèmes :
•un réservoir de cellules totipotentes
Les autres types cellulaires :
• une totipotence plus ou moins facile à exprimer
•Utilisation de substances de croissance exogènes
•Régénération directe
•Régénération en passant par un stade de cal
Variabilité interspécifique
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Limites de la totipotence :impossibilité technique
Différentiation irréversible : xylème (!) En fonction de la méthode de préparation des protoplastes,
récalcitrance à la régénération Pour beaucoup d’espèces d’intérêt agronomique, les
protoplastes ne sont pas totipotents (récalcitrants) ex : Vitis vinifera
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Limites de la totipotence :
Variation somaclonaleLes plantes régénérées présentent souvent des problèmes– Perte de caractères chimériques– Aneuploïdies , délétions chromosomiques
Modification du caractère juvénile– Impact sur la fertilité
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Mécanismes sous-jacents à la totipotence
Chez les cellules végétales
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Pourquoi les cellules végétales sont totipotentes : Arguments classiques
Petit nombre de types cellulaires Seulement 3 ou 4 types d’organes
fondamentaux (racine, tige, feuilles) dont les fleurs, vrilles, épines, fruits et tubercules sont des dérivés
Grande plasticité génomique – la croissance peut rester presque normale malgré
de profonds remaniements chromosomiques
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Etapes liées à la totipotence
Etape 1 : – Cellules différentiées : dédifférenciation nécessaire– Cellules souches méristématiques
Etape 2 : mise en route de l’activité mitotique utilisation de substances de croissance
Etape 3 : autonomie de la croissance tissulaire vis-à-vis des substances de croissance exogènes
Enjeux scientifiques actuels:
Comprendre les mécanismes de dédifférenciation
Comprendre la nature des cellules souches
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Comprendre les mécanismes de dédifférenciation
Modulation de l’expression génétique via des mécanismes épigénétiques– Reconformation de la chromatine
Modification des histones Méthylation de l’ADN
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Comprendre la nature des cellules souches
Notion de cellule souche en biologie végétale Notion de niche de cellule souche en biologie
végétale
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Signification de la totipotence
Pourquoi les cellules de plantes sont-elles totipotentes ?
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
F. Hallé : la totipotence est une spécificité des organismes autotrophes fixés
On retrouve la totipotence des cellules chez les coraux
quels sont les autres points communs coraux / plantes ?
Signification de la totipotence
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Points communs coraux/plantes
Croissance indéfinie
Zones méristématiques
Morphologie type « fractales »
Autotrophie, faible flux énergétique
Vie fixée
Durée de vie potentiellement illimitée
Squelette de nature excrémentielle
Signification de la totipotence
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Autotrophie :
Faible flux énergétique
Deux contraintes :
•maximisation de la surface dans l’espace
•croissance verticale
Lutte contre la croissance
homothétique
Développement en axes ramifiés
Signification de la totipotence
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Autotrophie :
Faible flux énergétique
Deux contraintes :
•maximisation de la surface dans l’espace
•croissance verticale
Lutte contre la croissance
homothétique
Développement en axes ramifiés
Signification de la totipotence
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Autotrophie :
Faible flux énergétique
Deux contraintes :
•maximisation de la surface dans l’espace
•croissance verticale
Lutte contre la croissance
homothétique
Développement indéfini à partir des méristèmes
Totipotence des cellules
méristématiques
Développement en axes ramifiés
Signification de la totipotence
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
•Architecture adaptée à l’autotrophie
•Réactivité du développement dans un contexte de vie fixée
•Multiplication végétative
Fonctions biologiques de la totipotence