Diverses applications de la biotechnologie végétale

Applications de la biotechnologie végétale!

Le génie génétique des plantes offre l’occasion de modifier leurs propriétés ou leurs performances afin d’améliorer leur utilité. Cette technologie peut être utilisée pour modifier l’expression de gènes déjà présents dans les plantes ou pour introduire de nouveaux gènes d’autres espèces avec lesquelles la plante ne peut être reproduite de manière conventionnelle. Ainsi, cela donne une plus grande efficacité à la réalisation des objectifs de sélection conventionnels.

L'une des applications importantes de ces techniques réside dans l'ajout de gènes uniques à des types de plantes souhaitables. La transformation des plantes peut être utilisée pour introduire des caractéristiques nouvelles ou innovantes qui créent un nouveau marché ou déplacent des produits conventionnels. L’amélioration peut concerner la valeur nutritionnelle de la plante ou les propriétés fonctionnelles lors du traitement ou même de la consommation en soi.

Surtout, cette technologie élargit les possibilités de transfert de gènes entre organismes non apparentés et crée ainsi de nouvelles informations génétiques par altération spécifique de gènes clonés. Discutons plus en détail des implications de cette technologie.

Qualité de la nourriture:

Qualité nutritionnelle :

Les cultures de semences jouent un rôle important dans la nutrition humaine et animale. Seules quelques céréales représentent près de 50% du total des calories consommées. De même, sept espèces de légumineuses à grains représentent une part importante de notre apport calorique.

Cependant, les céréales et les légumineuses contiennent certaines protéines qui sont déficientes en acides aminés tels que la lysine et la thréonine. Les légumineuses sont également déficientes en acides aminés soufrés. Certaines autres cultures de semences, comme le riz, offrent un meilleur équilibre en acides aminés, mais n'affectent pas leur niveau global de protéines.

Il s'ensuit que chacun de ces aliments pourrait être catapulté à la perfection si ses carences pouvaient être surmontées en empruntant ces caractères manquants à d'autres cultures. C’est exactement ce que fait la biotechnologie végétale - le transfert de gènes uniques ou multiples à des plantes dépourvues de composants importants.

Ingo Potrykus, professeur à l’Institut fédéral suisse de technologie (Zurich), et Peter Beyer, de l’Université de Fribourg (Allemagne), ont récemment mis au point le «riz d’or», qui contient davantage de pro-vitamine A ou de b-carotène.

Ce riz modifié devrait apporter des avantages nutritionnels aux personnes souffrant de maladies associées à une carence en vitamine A, notamment la cécité irréversible chez des centaines de milliers d'enfants chaque année. Une teneur adéquate en vitamine A peut également réduire la mortalité associée aux maladies infectieuses telles que la diarrhée et la rougeole chez l'enfant en renforçant l'activité du système immunitaire humain.

Des outils génétiques peuvent être utilisés pour modifier la teneur en glucides, en lipides, en fibres et en vitamines des aliments. Une autre application utile consiste à capter des gènes de céréales riches en protéines et à les transférer dans des aliments à faible teneur en protéines. En fait, une expérience similaire a été réalisée à l’Université Jawaharlal Nehru de New Delhi, où des scientifiques ont transféré un gène d’amarante (Chaulai) dans une pomme de terre. La pomme de terre a enregistré une augmentation non seulement de sa teneur en protéines, mais également de sa taille.

Des outils transgéniques sont également utilisés pour améliorer la valeur nutritionnelle des cultures en réduisant leurs facteurs anti-nutritionnels (tels que les inhibiteurs de protéase et les hémaglutinines dans les légumineuses). Les problèmes associés à la flatulence dans certains aliments peuvent également être résolus en modifiant la teneur en fibres alimentaires et en oligosaccharides.

Les applications biotechnologiques sont également extrêmement utiles dans le cas du blé. La qualité du blé est déterminée par la présence de protéines de stockage des graines. Ainsi, sa qualité peut être améliorée en manipulant la présence de ces protéines. On peut également ajouter davantage de protéines de gluten pour améliorer l'élasticité de la pâte. En outre, la teneur en amidon du blé peut être modifiée pour correspondre aux propriétés de produits comme les nouilles.

Qualité fonctionnelle:

La transformation peut être appliquée aux fruits et légumes pour améliorer leur saveur et leur texture en manipulant leur processus de maturation. La performance des produits végétaux au cours de leur traitement peut également être améliorée par le génie génétique. Par exemple, le premier aliment génétiquement modifié, la tomate Flavr-Savr, a été génétiquement manipulé pour ralentir sa maturation et sa durée de conservation est plus longue (figure 2).

Une autre stratégie courante pour contrôler la maturation consiste à limiter la production d’éthylène, l’hormone de maturation. L'éthylène est produit à partir de S-adénosylméthionine par conversion en acide 1-amino-cyclopropane-1-carboxylique (ACC) en présence de l'ACC Synthase, suivie de la génération d'éthylène par une ACC oxydase ou d'une enzyme formant de l'éthylène.

La maturation peut être retardée en dirigeant des constructions antisens contre l'une de ces enzymes ou en éliminant l'ACC avec une désaminase ACC. Les fruits peuvent ensuite être mûris selon les besoins par exposition à une source artificielle d'éthylène.

Maltage et brassage:

La production de bière implique la germination de l'orge dans des conditions contrôlées. La qualité de la bière dépend donc largement de la composition du grain d'orge. De nombreuses qualités de ces grains peuvent être considérablement améliorées grâce au génie génétique. Par exemple, l'amélioration de la stabilité des enzymes de l'orge (en particulier à des températures élevées) peut améliorer son efficacité à la température utilisée lors du brassage. La saveur de la bière peut également être manipulée en traitant génétiquement l'orge. Une de ces techniques consiste à réduire les taux de lipo-oxygénase.

Glucides de stockage:

L'augmentation des taux de certaines enzymes telles que l'ADP pyrophosphorylase peut améliorer la synthèse de l'amidon dans les produits alimentaires. Cela peut améliorer le rendement des féculents. La transformation peut également altérer les propriétés des amidons végétaux. La proportion d'amylase et d'amylopectine dans l'amidon et la qualité peuvent également être régulées. Cela permettrait d'adapter l'amidon aux exigences d'aliments spécifiques ou de produits industriels.

Des plantes transgéniques avec des niveaux élevés de fructanes (une forme de glucose) sont déjà produites en utilisant une levansucrase de bactéries. La teneur en saccharose des plantes peut également être manipulée pour améliorer la qualité des cultures de sucre telles que la canne à sucre et la betterave à sucre.

Résistance aux maladies:

Résistance aux insectes:

Le génie génétique s'est avéré être un avantage pour la production de plantes résistantes aux parasites. Cette technologie a permis de surmonter les inconvénients liés à l'utilisation de pesticides chimiques. Récemment, la technique consistant à introduire des gènes résistants aux maladies dans des espèces végétales a également acquis une popularité considérable.

Par exemple, les inhibiteurs de protéase peuvent empêcher la digestion des protéines par les insectes et donc ralentir leur vitesse de croissance. Le transfert de ces protéines aux plantes constitue un mécanisme de protection naturel contre les attaques d’insectes.

Certains gènes bactériens se sont également révélés très efficaces pour prévenir les dommages causés par les ravageurs. Bacillus thuringiensis (Bt) produit de la toxine Bt, qui est efficace contre les larves d'insectes. Des plantes transgéniques portant des gènes Bt ont été produites dans des cultures telles que le soja, le maïs et le coton et se sont révélées être résistantes aux attaques de ravageurs.

De nombreuses autres substances sérochimiques (produits chimiques modifiant le comportement des insectes) sont produites par certaines espèces d’insectes et de plantes. Leur transfert vers d'autres plantes peut s'avérer très efficace pour contrôler l'incidence de la maladie. Pour prendre un autre exemple, la culture de pomme de terre sensible ne contient pas de produits chimiques anti-nutriments tels que la farnase, un terpénoïde et d'autres composés apparentés.

Ils sont produits par des espèces végétales résistantes aux pucerons telles que Solanum berthaultii (dans les poils de la feuille). Ces composés agissent en provoquant une réponse d'attaque chez les pucerons, de sorte qu'ils sont incapables de s'établir sur la culture. Le transfert de ces gènes dans la culture de la pomme de terre peut la protéger de la menace des pucerons.

Résistance au virus:

La production de plantes transgéniques résistantes aux virus est l’une des applications les plus réussies de la transformation des plantes. Plusieurs stratégies impliquant l'expression du génome viral dans la plante se sont révélées efficaces. Par exemple, l'expression du gène de la protéine d'enveloppe du virus a été largement réussie. L'expression sensée et antisens de parties du génome viral peut protéger contre l'infection virale.

Résistance aux nématodes:

De nouveaux gènes pour la résistance aux nématodes offrent une approche alternative à la production de plantes résistantes aux nématodes. Le génie génétique offre la possibilité de développer des plantes transgéniques présentant une résistance génétique à ces phytoravageurs à long terme, et de réduire ainsi le recours aux nématicides chimiques en agriculture.

Résistance aux herbicides :

Le choix d'un herbicide est très critique car il comporte un risque élevé d'induire une résistance. Les mauvaises herbes peuvent rapidement développer une résistance multiple aux herbicides dans certains systèmes lorsque plusieurs classes d'herbicides agissent sur la même cible moléculaire. Là encore, les gènes de résistance aux herbicides offrent une protection en détoxifiant l'herbicide (en le convertissant en une forme inactive).

Améliorer l'efficacité de la photosynthèse:

Le processus de la photosynthèse est le mécanisme le plus important pour ajouter de l'énergie aux plantes. Cependant, même les usines les plus efficaces ne peuvent utiliser que trois à quatre pour cent de la lumière du soleil. La biotechnologie est maintenant utilisée pour améliorer le niveau d'efficacité photosynthétique de la RuBPCase (ribulose bis phosphate carboxylase, impliquée dans la fixation du dioxyde de carbone).

Cela améliore l'efficacité de la catalyse et réduit la fonction compétitive de l'oxygénase (car RuBP Case se comporte également comme une oxygénase). Des variantes utiles peuvent également être produites en combinant les gènes codant pour les grandes et petites sous-unités des enzymes de différentes espèces.

Deux manières différentes de le faire sont:

Tolérance au stress abiotique:

La productivité des installations subit des pertes importantes en raison de diverses formes de stress au cours de leur développement. Ces facteurs de stress comprennent la température, la salinité, la sécheresse, les inondations, les rayons ultraviolets et diverses infections. Bien que la base moléculaire de ces réponses ne soit pas encore claire, nous savons qu'elles incluent la synthèse de novo de protéines spécifiques (sous choc thermique) et d'enzymes (alcool déshydrogénase sous anaérobiose et phénylalanine amino lyase sous irradiation UV).

Les gènes répondant au stress abiotique ont été clonés et séquences dans de nombreux laboratoires, y compris celui des auteurs qui ont identifié et transformé un gène codant pour la glyoxalase 1 afin de conférer une tolérance aux plantes.

Les séquences régulatrices de certains gènes ont également été identifiées. Par exemple, la séquence promotrice en 5 'de l'alcool déshyhrogénase a été liée au gène rapporteur de la CAT (Chloremphenicol Acetyl Transferase) et transférée à des protoplastes de tabac où une expression sensible à la O 2 a été démontrée.

Ces promoteurs inductibles pour l'environnement deviendront certainement des outils utiles pour étudier l'expression des gènes, et ces travaux jetteront les bases du transfert de gènes sensibles au stress sous des promoteurs régulés à des espèces sensibles. Des plants de tomates résistants à la salinité ont récemment été développés.

Les gènes d’organismes variés tels que les ressources marines peuvent également être utilisés pour améliorer les plantes de différentes manières. Il s'agit d'une étape novatrice vers le développement d'espèces tolérantes au sel, en transférant les gènes des plantes marines (halophytes) aux cultures de céréales et de légumes.

De même, un gène, qui code pour une protéine d'un poisson plat, a été transformé en plantes pour les protéger du gel. Cette protéine pourrait être utile pour prévenir les dommages dus au gel lors du stockage post-récolte. Ainsi, la congélation pourrait être utilisée pour préserver la texture et la saveur de certains fruits et légumes, qui ne sont actuellement pas adaptés à la congélation.

Développement de la capacité de fixation de l'azote dans les cultures non légumineuses:

L’application d’engrais azotés s’est révélée un moyen efficace d’améliorer les rendements des cultures, mais elle reste une proposition coûteuse. L'alternative consiste à fournir une source naturelle d'azote dans la plante. L'introduction de micro-organismes fixateurs d'azote peut le faire.

Ces micro-organismes sont capables de fixer l'azote atmosphérique en présence de la bactérie fixatrice d'azote Rhizobium. La transformation des gènes de fixation de l'azote (gènes nif) des cultures légumineuses en cultures non légumineuses peut offrir une alternative rentable aux engrais coûteux.

Cependant, d'autres moyens d'améliorer le rendement en azote chez les plantes peuvent être atteints en augmentant l'efficacité du processus de fixation chez les bactéries symbiotiques, en augmentant l'efficacité du processus de fixation chez les bactéries synthétiques, en modifiant les bactéries fixatrices d'azote pour maintenir la fixation d'azote en présence de protéines exogènes. azote.

Stérilité masculine cytoplasmique :

De nombreuses recherches ont été consacrées à expliquer le mécanisme de la stérilité masculine cytoplasmique (CMS). Ce trait entraîne la production de pollen non fonctionnel chez des espèces de plantes matures telles que le sorgho, le maïs et la betterave à sucre, et facilite donc la production de précieuses semences hybrides à haut rendement.

La stérilité mâle cytoplasmique chez ces espèces végétales est essentiellement associée à la réorganisation de l'ADN mitochondrial et à la synthèse de nouveaux polypeptides. Les outils biotechnologiques en développement rapide peuvent éventuellement permettre le transfert du trait CMS aux lignées fertiles mâles. La stérilité masculine génétiquement modifiée offre également un grand potentiel de génération d'hybrides en agriculture.

Développement des plantes :

Le développement d'une plante est un processus complexe impliquant le rôle de récepteurs de la lumière tels que le phytochrome, l'expression des gènes du chloroplaste, l'expression du gène mitochondrial en relation avec la stérilité masculine, l'accumulation de produits de stockage et le développement des organes de stockage (fruits).

Il est maintenant possible de cloner et de séquencer divers gènes responsables du développement des plantes. Cela a augmenté la possibilité de manipuler l'expression de ces gènes et, par la suite, le processus dans lequel ils sont impliqués. Par exemple, il a été rapporté que des gènes à floraison précoce altèrent les propriétés des variétés à maturation tardive.

L’isolement d’éléments promoteurs spécifiques a également permis de concevoir des cultures qui expriment des protéines dans des tissus spécifiques. Les gènes responsables de la formation de la couleur peuvent être transférés à des plantes portant des fleurs incolores. De plus, la manipulation des gènes qui contrôlent la floraison et la formation du pollen peut générer des plantes transgéniques à fertilité modifiée. L'expression du gène de la feuille et de l'APETALAI chez Arabidopsis a entraîné une floraison précoce.

De même, les récepteurs hormonaux présumés chez les plantes influencent la sensibilité des différents tissus aux régulateurs de croissance, ainsi que leur différenciation et leur développement ultérieurs. L'introduction de gènes de type sauvage ou modifiés pour des régulateurs de croissance spécifiques s'est avérée efficace pour manipuler le développement des plantes (comme changer le moment de la maturité ou le nombre et la taille des tubercules de pomme de terre). Cette approche peut être appliquée pour modifier la réponse de la floraison, le développement du fruit et l'expression des gènes de la protéine de stockage.

Protéines utiles des plantes :

De nombreuses plantes sont maintenant utilisées pour produire des protéines utiles. Cela a donné naissance à Neutraceuticals - un mot inventé pour les aliments composés. Ces aliments sont également appelés aliments fonctionnels. Les produits neutraceutiques incluent tous les aliments «de marque», des céréales pour petit-déjeuner enrichies de vitamines à Benecol, une margarine qui réduit le cholestérol LDL. Une entreprise américaine de premier plan, Novartis Consumer Health, estime le marché américain des aliments fonctionnels à environ 10 milliards de dollars, avec un taux de croissance annuel prévu de 10%.

Production de vaccins à partir de plantes :

Les plantes constituent une riche source d’antigènes pour l’immunisation des animaux. Les plantes transgéniques peuvent être développées pour produire des protéines antigéniques ou d'autres molécules. La production de l'antigène dans une partie comestible de la plante pourrait s'avérer un système de mode de délivrance facile et efficace pour l'antigène dans une partie comestible de la plante pourrait s'avérer un système de mode de délivrance facile et efficace pour l'antigène.

Les applications potentielles de cette technologie pourraient inclure une immunisation efficace des humains et des animaux contre les maladies et le contrôle des animaux nuisibles. Par exemple, des antigènes du virus de l'hépatite B ont été exprimés avec succès dans des plants de tabac et utilisés pour immuniser des souris. Des souris nourries avec des pommes de terre exprimant la sous-unité P de l'entérotoxine E. coli LT-B ont également produit des anticorps, assurant ainsi une protection contre la toxine bactérienne.

Cette technique devrait ouvrir la voie à une vaccination peu coûteuse contre plusieurs maladies humaines. Les vaccins oraux contre le choléra ont déjà été exprimés chez des plantes. La production d'antigènes par les plantes est non seulement rentable, mais peut également être produite en masse et facilement récupérée.