Une équipe de recherche utilise CRISPR/Cas9 pour modifier la photosynthèse pour la première fois

Une équipe de l'Innovative Genomics Institute de l'Université de Californie à Berkeley (UCB) a produit une augmentation de l'expression des gènes dans une culture vivrière en modifiant son ADN régulateur en amont. Alors que d'autres études ont utilisé l'édition de gènes CRISPR/Cas9 pour inhiber ou diminuer l'expression de gènes, de nouvelles recherches publiées dans Avancées scientifiques est la première approche impartiale d’édition de gènes visant à augmenter l’expression des gènes et l’activité photosynthétique en aval.

« Des outils comme CRISPR/Cas9 accélèrent notre capacité à affiner l'expression des gènes dans les cultures, plutôt que de simplement supprimer les gènes ou de les « désactiver ». Des recherches antérieures ont montré que cet outil peut être utilisé pour diminuer l'expression de gènes impliqués dans des compromis importants, tels que ceux entre l'architecture des plantes et la taille des fruits”, a déclaré Dhruv Patel-Tupper, auteur principal de l'étude et ancien chercheur postdoctoral au sein de l'étude. Laboratoire Niyogi à UCB.

“Il s'agit de la première étude, à notre connaissance, dans laquelle nous demandons si nous pouvons utiliser la même approche pour augmenter l'expression d'un gène et améliorer l'activité en aval de manière impartiale.”

Contrairement aux stratégies de biologie synthétique qui utilisent des gènes provenant d’autres organismes pour améliorer la photosynthèse, les gènes impliqués dans le processus de photoprotection se trouvent naturellement dans toutes les plantes.

Inspiré d'un 2018 Communications naturelles Dans un article qui améliorait l'efficacité de l'utilisation de l'eau d'une culture modèle en surexprimant l'un de ces gènes, PsbS, dans les plantes, le laboratoire Niyogi et son chef Kris Niyogi voulaient comprendre comment modifier l'expression des gènes natifs d'une plante sans ajout d'ADN étranger.

Selon l'Organisation des Nations Unies pour l'alimentation et l'agriculture, le riz fournit au moins 20 % des calories mondiales et, comme il ne possède qu'une seule copie de chacun des trois gènes clés de photoprotection des plantes, il s'agissait d'un système modèle idéal pour cette étude d'édition génétique.

Le laboratoire Niyogi a poursuivi ces travaux dans le cadre de Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE), un projet de recherche international dirigé par l'Université de l'Illinois qui vise à augmenter la production alimentaire mondiale en développant des cultures vivrières qui transforment plus efficacement l'énergie solaire en nourriture avec le soutien de la Fondation Bill & Melinda Gates, la Fondation pour la recherche sur l'alimentation et l'agriculture et le Bureau britannique des Affaires étrangères, du Commonwealth et du Développement.

Le plan du laboratoire était d'utiliser CRISPR/Cas9 pour modifier l'ADN en amont du gène cible, ce qui contrôle la quantité et le moment où le gène est exprimé. Ils se demandaient si ces changements auraient un impact sur l’activité en aval et dans quelle mesure. Même eux ont été surpris des résultats.

“Les changements dans l'ADN qui ont augmenté l'expression des gènes étaient beaucoup plus importants que ce à quoi nous nous attendions et plus importants que ce que nous avons réellement vu dans d'autres articles similaires”, a déclaré Patel-Tupper, aujourd'hui chercheur en politique scientifique et technologique de l'AAAS à l'USDA.

“Nous avons été un peu surpris, mais je pense que cela montre à quel point les plantes et les cultures sont plasticisées. Elles sont habituées à ces grands changements dans leur ADN résultant de millions d'années d'évolution et de milliers d'années de domestication. En tant que biologistes végétaux , nous pouvons exploiter cette « marge de manœuvre » pour apporter des changements importants en seulement quelques années afin d'aider les plantes à croître plus efficacement ou à s'adapter au changement climatique. »

Dans cette étude, les chercheurs de RIPE ont appris que les inversions, ou « retournements » de l’ADN régulateur, entraînaient une augmentation de l’expression génique du PsbS. Unique dans ce projet, après que la plus grande inversion ait été réalisée dans l'ADN, les membres de l'équipe ont mené une expérience de séquençage d'ARN pour comparer l'évolution de l'activité de tous les gènes du génome du riz avec et sans leurs modifications.

Ce qu’ils ont découvert était un très petit nombre de gènes différentiellement exprimés, beaucoup plus petit que des études similaires sur le transcriptome, ce qui suggère que leur approche ne compromettait pas l’activité d’autres processus essentiels.

Patel-Tupper a ajouté que même si l'équipe a montré que cette méthode est possible, elle reste relativement rare. Environ 1 % des plantes générées avaient le phénotype souhaité.

“Nous avons montré ici une preuve de concept selon laquelle nous pouvons utiliser CRISPR/Cas9 pour générer des variantes dans des gènes clés de cultures et obtenir les mêmes progrès que nous le ferions dans les approches traditionnelles de sélection végétale, mais sur un caractère très ciblé que nous souhaitons développer.” et à une échelle de temps beaucoup plus rapide”, a déclaré Patel-Tupper.

“C'est certainement plus difficile que d'utiliser une approche basée sur les plantes transgéniques, mais en modifiant quelque chose qui existe déjà, nous pourrons peut-être éviter les problèmes réglementaires qui peuvent ralentir la rapidité avec laquelle nous mettons des outils comme celui-ci entre les mains des agriculteurs.”