biotechnologies végétales
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Biotechnologies végétales. Marie-Françoise Niogret Maria Manzanares Antoine Gravot. UMR 118 Amélioration des Plantes et Biotechnologies Végétales – INRA-Agrocampus Ouest-Université de Rennes 1. 2011-2012. Biotechnologie : Définition OCDE (2005). - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Biotechnologies végétales
Marie-Françoise Niogret
Maria Manzanares
Antoine Gravot
UMR 118 Amélioration des Plantes et Biotechnologies Végétales – INRA-Agrocampus Ouest-Université de Rennes 1
2011-2012
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Biotechnologie : Définition OCDE (2005)
L’application de la science et de la technologie à des organismes vivants, de même qu’à ses composantes, produits et modélisations, pour modifier des matériaux vivants ou non-vivants aux fins de la production de connaissances, de biens et de services.
? Mais comment en est-on arrivé à
des définitions aussi sibyllines ?
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Biotechnologies«l’application des principes scientifiques et de l'ingénierie à la transformation de matériaux par des agents biologiques pour
produire des biens et services » (OCDE)
technologies de bioconversion
Fermenteurs
Bioréacteurs
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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
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Biotechnologies« Technologies impliquant l’obtention et/ou l’utilisation d’organismes génétiquement modifiés »
“Biotechnologies modernes” (Protocole de Carthagène)
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Biotechnologies« Développement et application d’outils moléculaires dans différents domaines relatifs à l’agronomie et la médecine »
•Science Museum/Science & Society Picture Library
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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
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Définitions Issues du génie des procédés (« école allemande »)
– Définition historique (Karl Ereky), début XXème Technologies de la biotransformation
– 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
Notion de « Biotechnologie moderne » du Protocole de Carthagène
Plaçant au premier plan l’ampleur des investissements R&D et des débouchés industriels et commerciaux
Définitions concernant spécifiquement le végétal et les techniques de culture in vitro
Plus récemment : définitions incluant les approches de génomique
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Definition proposée par l’Association Française des Biotechnologies Végétales :
Les biotechnologies végétales sont des technologies qui recouvrent toutes les interventions en laboratoire sur les organes, les tissus, les cellules ou l’ADN des végétaux, soit pour mieux maîtriser ou accélérer leur production, soit pour améliorer leurs caractéristiques, au service de la recherche, de l’agriculture ou de productions industrielles.
Et une définition plus simple que je vous propose: 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
S7 : Technologie et biotechnologie végétales Cours
– Cultures in vitro A. Gravot– Marqueurs moléculaires M.Manzanares– Transgénèse M-F.Niogret– Applications non-alimentaires A.Gravot
TD/contrôle continu– Analyse d’articles par binômes
Synthèse écrite 500 mots pour le lundi 3 octobre + diaporama Conseils personnalisés pour améliorer le diaporama le 7 octobre 12 et 13 octobre: soutenances orales : 12 minutes
– T-DNA & données de transcriptome (par binôme) 2 TD en salle bioinformatique Rapport à remettre pour le 6 décembre
TP en septembre– B-A-BA de la manipulation d’explants et de la préparation de milieux de culture. – Préparation et utilisation de protoplastes
Visite de l’IGEPP (INRA Le Rheu): Haplodiploïdisation & transgénèse Colza + Plateau de génotypage
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
1. Recombinaison homologue chez les végétaux Zinc Finger Proteins & TALEN :
Boch et al 2009 Science, Saika et al 2011 Plant Physiology, Move over ZFN Nature Biotec volume 29 number 8, Shaked et al. 2005 PNAS, Hanin 2001 et 2003, Reiss1996
2. Alternatives à l’utilisation de gènes de résistance à des antibiotiques : Golstein et al. 2005, Scutt 2002, Iamtham 2000, Scheid, 2005
3. Transformation des génomes chloroplastiques Ruf 2007 PNAS, Daniell 2007 PNAS, Daniell 1998, Daniell 2002 NatBiotec
4. Transgénèse et métabolisation du glufosinate Dröge et al. Planta 1992, 187:142-151, Metz et al. Molecular Breeding 4: 335–341, 1998.
5. ARN interférent : a. mécanismes applications : Fusaro et al. 2006 EMBO, Smith et al. 2000
Nature, Schwab 2006, Waterhouse 1998 PNAS, Small 2006, Brodersen 2005, Metzlaff et al. Cell, Vol. 88, 845–854
b. Impact du froid sur l’efficacité du RNAi Szittya 2003 EMBO c. Stratégie RNAi pour la résistance aux virus : Niu et al. 2006 Nat Biotec d. Stratégie RNAi pour la résistance aux insectes : Price&Gatehouse 2008
Trends Genetics, Gordon &Waterhouse Nat Biotec 2007 , Mao et al. 2007 Nat Biotec
6. Expression de protéines thérapeutiques : Ma et al. 2003, Stoger et al. 2005, Richter 2000, Tiwari2009
7. Génie métabolique : a. Contenu en vitamine E dans l’huile de soja: b. synthèse d’alcaloïdes chez le pavot Frick et al. 2007 Metabolic Engineering c. pro-vitamine A : le golden rice 2 d. arômes chez la tomate Lewinsohn 2001 Plant Physiology
8. Génie métabolique chez les arbres : Pilate 2002 Nat Biotec, Hu 1999 Nat Biotec, Editorial NatBiotec2005, Chen&Dixon 2007 Nat Biotec
9. Tolérance aux stress abiotiques a. secondaires : la voie du contrôle du statut oxydatif : Bartel 2001 b. Transport membranaire du sodium et tolérance au sel : Zhang &
Blumwald 2001, Apse&Blumwald Science 1999 c. expression de chaperones hétérologues : Castiglioni 2008 Plant Physiology
10. Apomixie chez le maïs Singh et al. 2011 Plant Cell 29 (8) 11. L’haploïdisation par des histones modifiées Copenhaver et Preuss 2010 Nat Biotech 12. Licences open-source BIOS & travaux de R.A. Jefferson : Broothaerts et al. 1995
NATURE 433, Chilton 2005 Nature Biotechnology 23(3) 13. Analyse de la controverse sur la présence de transgènes dans les stocks de
semences fermières de maïs au Mexique Quist 2001, More 2002, Marris 2005, Dyer 2009
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Totipotence de la cellule végétale
S7 : Technologie et biotechnologie végétales Les cellules végétales, prélevées sur un organe quelconque d'une plante, possèdent la capacité de régénérer un individu complet identique à la plante mère.
C'est la totipotence des cellules végétales. Elle repose sur l'aptitude à la dédifférenciation (site du GNIS)
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Gretchen Vogel, 2005
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
•maintien 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
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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
Organogénèse & callogénèse
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
“La totipotence repose sur l’aptitude à la dédifférenciation”
Sugimoto 2010 Dev CellBirnbaum 2008 Cell
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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
1960 Production fiable de protoplastes par digestion enzymatique (Cocking)
1971 (Nagata et Takabe) Régénération d’un plant entier à partir d’un protoplaste
Aspects historiques
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Développements : des outils agronomiques
1965 (Morel) Germination et micropropagation in vitro des orchidées
1967 (JP Bourgin & JP Nitsch) : tabacs haploïdes à partir d’anthères
1973 : hybride issu d’une fusion de protoplastes
Aspects historiques
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Développements : production de métabolites secondaires
1977 : culture de cellules de tabac dans un réacteur de 20 000 litres
1983 (Mitsui Petrochemical) : production industrielle d’un pigment: la shikonine
1997 L’entreprise Samyang Genex (Daejeon, Corée) produit un anticancéreux, le Genexol, à partir de cultures in vitro de Taxus
Aspects historiques
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Développements : la transgenèse
Marc Van Montagu (1983) : tabac résistant à la kanamycine
1994 : Flavr Savr (Calgene, antisensage d’une polygalacturonase)
1996 : maïs transgénique commercialisé aux USA
Aspects historiques
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Sussex, Plant Cell 2008
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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
Les cellules végétales, prélevées sur un organe quelconque d'une plante, possèdent la capacité de régénérer un individu complet identique à la plante mère. C'est la totipotence des cellules végétales. Elle repose sur l'aptitude à la dédifférenciation (site du GNIS)
Revenons sur le phénomène de totipotence…
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
Embryogenèse / Organogénèse
Embryogénèse
Régénération d’organes et de tissus à partir de cellules somatiques ou de cellules « indifférentiées »
Garces et al. PNAS 2007
Birnbaum 2008 Cell Sena & Birnbaum 2010
à partir de cellules somatiquesà partir de cultures de cellules “indifférentiées”
Birnbaum 2008 Cell
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
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
“La totipotence repose sur l’aptitude à la dédifférenciation” (?)
Sugimoto 2010 Dev CellBirnbaum 2008 Cell
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
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 Le rôle du péricycle : un grain de sable dans le modèle
S7 : Technologie et biotechnologie végétales Le rôle du péricycle : un grain de sable dans le modèle
S7 : Technologie et biotechnologie végétales
CONCLUSION:In this study, we show that callus formation from multiple organs is not a process of reprogramming to an undifferentiated state, but rather the differentiation of pericycle-like cells present in the organ toward root meristem-like tissue.
In this case, the pericyle-like cells are functionally analogous to animal tissue stem cells, which are found in many tissues throughout the body and can divide and differentiate into specialized types of cells.
This leaves open the question how rootmeristem-like callus tissue has the ability to form aerial shoots in the next stage of the regeneration process
Kaoru Sugimoto, Yuling Jiao, and Elliot M. Meyerowitz