Des scientifiques conçoivent une caméline à graines jaunes avec une production élevée d'huile

Les efforts visant à atteindre zéro émission nette de carbone provenant des carburants de transport augmentent la demande de pétrole produit par des cultures non alimentaires. Ces plantes utilisent la lumière du soleil pour alimenter la conversion du dioxyde de carbone atmosphérique en huile, qui s’accumule dans les graines. Les sélectionneurs de cultures, intéressés à sélectionner des plantes produisant beaucoup d’huile, recherchent des graines jaunes. Dans les cultures d'oléagineux comme le canola, les variétés à graines jaunes produisent généralement plus d'huile que leurs homologues à graines brunes. La raison : la protéine responsable de la couleur brune des graines, qui manque aux plantes à graines jaunes, joue également un rôle clé dans la production d’huile.

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 biotechnologie végétaleils décrivent comment ils ont utilisé des outils de génétique moderne pour produire une variété à graines jaunes de Camelina sativa, un proche parent du canola, qui accumule 21,4 % plus d'huile que la cameline ordinaire.

“Si les sélectionneurs peuvent obtenir une augmentation de quelques pour cent de la production d'huile, ils considèrent que cela est significatif, car même de petites augmentations de rendement peuvent conduire à de fortes augmentations de la production d'huile 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 entraîner une augmentation spectaculaire de la production”, a-t-il déclaré.

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 naturelles de canola à haut rendement et à graines jaunes.

“Les sélectionneurs avaient identifié des plantes contenant plus d'huile, dont certaines avaient des graines jaunes, et ils ne se préoccupaient 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 découvert un moyen d’augmenter potentiellement le rendement en huile chez d’autres espèces.

Le gène contient les instructions pour fabriquer une protéine connue sous le nom de Transparent Testa 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 l'élimination 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 chez la caméline est très difficile car cette plante est inhabituelle parmi les êtres vivants. Au lieu d’avoir deux ensembles 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 improbable que des mutations surviennent simultanément dans les six copies de TT8 et perturbent complètement sa fonction.”

L’édition génétique fait son chemin vers le pétrole

Grâce aux outils de la génétique moderne, l'équipe de Brookhaven a réussi à éliminer les six copies de TT8. Ils ont utilisé la technologie d’édition de gènes connue sous le nom de CRISPR/Cas9 pour cibler les séquences spécifiques d’ADN contenues dans les 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.

En outre, 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 entraîné 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 de 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 davantage de détails sur la façon dont TT8 et d'autres facteurs contrôlent les voies biochimiques peut fournir des cibles génétiques supplémentaires pour augmenter les rendements en huile”, » dit Shanklin.