vitrotechniques principales techniques et applications
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Vitrotechniques
Principales techniques et applications
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Plan Assainissement variétal
– Culture de méristèmes
Propagation de génotypes – Micropropagation– Embryogenèse somatique– Le problème de la variation somaclonale
Sélection /Amélioration variétale– Création de variabilité– Sauvetage d’embryons– Haplo/diploïdisation– Préparation et fusion de protoplastes
Conservation génétique– Cryoconservation
Vitrotechniques
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Culture de méristèmes
Assainissement de lignées
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Obtention de lignées saines
Principe : les méristèmes sont indemnes de virus (travaux de P. Limasset)
Culture de méristèmes – Quelques 1/10 mm
Régénération de plantes saines
Sauvetage d’embryons
Attention : les lignées sont toujours sensibles à des infections ultérieures !!!
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Applications
Espèces à reproduction végétative– pomme de terre, bananier, artichaut, fraisier…
– Normes sanitaires internationales
Sauvetage d’embryons
Premiers succès dans les années 50
Service proposé par la plupart des sociétés de biotechnologies végétales
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Micropropagation
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Micropropagation
Micropropagation
Apex de tige ou bourgeons latéraux, Procédure en trois étapes (Murashige, 1974)
– I : établissement du tissu en conditions d’asepsie
– II : multiplication de tiges feuillées– III: formation de racines et conditionnement de
propagules avant transfert en serres
Clonage très fidèle et très efficace– 200 000 rosiers à partir d’un bourgeon
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Culture simple de nœuds : le bouturage in vitro
Prolifération de pousses axillaires
Problèmes : vitrification (hyperhydricité liée à la production d’éthylène)
Micropropagation
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Exemple de la pomme de terre : applications industrielles depuis près de 20 ans
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Applications
Horticulture, Sylviculture, Agronomie
Les « grands succès » économiques– Banane– Orchidées– Pomme de Terre
Conservation de la biodiversité– plantes carnivores– Orchidées
Micropropagation
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L’industrie de la micropropagation
Gain de place Affranchissement des saisons Rapidité Qualité sanitaire et homogénéité Pour certaines espèces : pas d’autres solutions
Micropropagation
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Millions de plants par an issus de la micropropagation
1980 1988 2001
Pays-Bas 7,4 61,5
France 2,7 40,5
Belgique 50
Facteur limitant : main d’œuvre
Délocalisations
Micropropagation
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20 hottes à flux laminaire
60 000m2 de serres
3 chambres de culture
4 000 000 plants vendus chaque année
Technivit (Bourges)
Multiplication
Assainissement
Création variétale
Vivai Battisitini (Italie)
Exemples de PME réalisant de la micropropagation
Micropropagation
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Bioplant (Belgique)
Propagation technology (UK)
Micropropagation
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Embryogenèse somatique
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Embryogenèse somatique
Génération d’un embryon à partir d’un méristème, d’un cal ou de suspensions
Embryogenèse somatique
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Source : http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL3530/DB_Ch07/fig7_5.jpg
Pour mémoire : l’embryogenèse zygotique
Embryogenèse somatique
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Pétioles de luzerne
Mise en culture 2,4-D + kinétine
25°C 3 semaines, photopériode 16h, 75 µE
Masses de cal (origine cambium vasculaire) renfermant des cellules initiales d’embryons somatiques (origine épidermique)
Dispersion en milieu liquide B5 (2,4-D + kinétine) 7 jours
Développement des embryons : 5-7 jours
Tamisage : fraction 200-500 mm transférée sur milieu solide
http://www.plant.uoguelph.ca/research/embryo/synseeds.htm
Exemple : la luzerne Embryogenèse somatique
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Premier milieu de maturation (sucrose)
Second milieu de maturation (ABA, 3 jours)
Rinçage, deshydratation
(15% H2O)
Conservation : 1 an
Source : Crop Science, University of Guelph
Embryogenèse somatique
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Choix des explants, éventuellement application d’un stress pour les rendre compétents
Exemple de réussite récente :2003 : protocole d’embryogenèse somatique chez Arabidopsis avec une étape de stress: Ikeda-Iwai et al. (2003) Plant J.
Embryogenèse somatique
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Obtention de semences pour des variétés stériles (ex: pommes de terre polyploïdes, bananier…)
Semences « d’élite » pour des espèces allogames
Solution pour la conservation d’espèces tropicales dont les semences sont dites « récalcitrantes » à la déshydratation
Obtention rapide de semences « d’élite » pour des espèces ligneuses
Possibilité de cultures en réacteurs : production de semences artificielles à grande échelle (gymnospermes)
Applications
Embryogenèse somatique
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Application aux ligneux
http://www.botanic-garden.ku.dk/eng/forskning/vaev2.htm
Embryogenèse somatique
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Semences artificielles (synseeds)
Embryogenèse somatique
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Feijoa sellowiana
Embryogenèse somatique
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Vitrovariation
Non-conformité de la multiplication
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La vitrovariation
Les plantes régénérées à partir de cals, de protoplastes ou de feuilles ne sont pas toujours des clones parfaits:– instabilité chromosomique, aneupleuïdies– différences morphologiques
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J.-L. Fourré et al. Theor Appl Genet (1997) 94: 159–169
Clone V Clone C
Clone A
Clone B diploide
Clone B chimère trisomique
Clone C diploïde Clone C
trisomique
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J.-L. Fourré et al. Theor Appl Genet (1997) 94: 159–169
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Utilisation de la vitrovariation
Mise à profit de la variation somaclonale dans le cadre de programmes de sélection– Sélection de cals tolérants à des stress
Augmentation artificielle de la variabilité– Traitements chimiques– Radiations
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Création de variabilité
Mutagenèse
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Exemples à l’INRA d’Angers
UMR Génétique et Horticulture INRA/INH/Université d’Angers
Equipe : Méthodologie de la sélection et innovation variétale (A. Cadic)
Arbres ornementaux : GIE Saphinov
Pommier : SARL Novadi
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Caryopteris x clandonensis 'Inoveris' Grand Bleu® Caryopteris x clandonensis 'Inoveris' Heavenly Blue
Peu de variabilité dans les populations
Micropropagation et mutagenèse par irradiation
Amélioration d’une plante ornementale : le Caryopteris
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Vitropropagation (mise au point)
Irradiation de bourgeons : rayons γ (60Co) (trouver la dose adéquate)
Sélection des mutants
Acclimatation, croissance
Perte des caractères (????)
Stabilité des caractères
Régénération des plantules
Acclimatation, obtention de graines
Semis et sélection sur la nouvelle génération
1er prixNew Plants 99 - Paris
Commercialisation
INRA/SAPHINOV. Diffusion SAPHO
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Forsythia variété 'Lynwood'.
Micropropagation et mutagenèse par irradiation
1972
'Courtalyn' WEEK-END ®
'Courtasol' MAREE D'OR ® 'Courtacour' BOUCLE D'OR
© INRA, A. Cadic
© INRA, A. Cadic
© INRA, A. Cadic
Hybridation classique
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Micropropagation et mutagenèse par irradiation
'Courtadur' GRENADINE ®
'Bristol Ruby'
© INRA, A. Cadic
Culture de plantules in vitro
Doublement chromosomique à la colchicine
Variété tétraploïde Variété diploïde
Variété triploïde
(stérile)Allègement des soins d’entretien
Amélioration du Weigela
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Variétés polyploïdes, stériles, fortement hétérozygotes
Multiplication végétative
Apport des biotechnologies dans l’amélioration du Bananier
L’amélioration génétique par croisement est impossible
Presque toutes les variétés de bananes et de plantain découlent de mutations spontanées
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Source FAO
PROF. KSHANIKA SANNASGALA HIRIMBUREGAMA
Colombo, Sri Lanka
Mutagenèse par irradiation de vitroplants de bananiers
Sélection de mutants de petite taille, à fructification précoce
Possibilité de 4 récoltes tous les 2 ans (au lieu de 3)
Impact sur la vie économique locale. Forte demande de plants issus de vitroculture
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Problème de l’irradiation de tissus méristématiques : obtentions de chimères
Solution (chez le bananier):
Embryogénèse à partir de suspensions cellulaires
Démonstration que les embryons somatiques sont issus de cellules uniques
Irradiation de suspensions de cellules embryogéniques
γ
γ
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Sauvetage d’embryon
Culture de méristèmes
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Incompatibilité du porte graine
Les semences hybrides sont viables mais le développement ne peut se faire sur le pied mère
Régénération de la plante par culture in vitro de l’embryon
Exemple de la triticale (Triticum x Secale)
Sauvetage d’embryons
![Page 41: Vitrotechniques Principales techniques et applications](https://reader036.vdocuments.fr/reader036/viewer/2022062223/551d9d8e497959293b8c31ae/html5/thumbnails/41.jpg)
Protoplastes
Préparation, applications
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Protoplastes
Définition : cellule de plante, de bactérie ou de champignon débarrassée de sa paroi
Protoplastes
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Isolement de protoplastes
Milieu hyperosmotique
Rupture mécanique des
parois
Milieu isotonique
Protoplastes
Faible rendement
Vieille école :
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Isolement de protoplastes
Milieu hyperosmotique
Digestion enzymatique:
Cellulase
Pectinase
Milieu isotonique
Protoplastes
Paroi primaire :
20-30% cellulose
70-80 % hémicellulose et pectine
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Purification de protoplastes
Filtration– Tamis successifs 100 à 30 µm
Rinçages Flottement sur coussin de saccharose
– Saccharose 20%, 100g
Contrôles– Absence de paroi : Calcofluor White– Viabilité : Florescein Diacetate (FDA)
Théoriquement > 80 % viabilité
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Culture de protoplastes
Couche mince, milieu liquide Composition des milieux
– Milieux MS (Murshige et Skoog), B5 (Gamborg)…– Maintenir un potentiel osmotique bas
Glucose 0,35 M Glucose + mannitol
– Doses élevées d’hormones Deux auxine fortes (2,4-D + ANA) + cytokinine
Densité élevée de protoplastes (50 000 – 500 000/ ml) Premiers temps à l’obscurité : éviter l’oxydation
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Intérêt des protoplastes
Transformation génétique Régénération de plantes à partir de cultures de
protoplastes Etudes d’échanges de métabolites Fusion de protoplastes
Protoplastes
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Fusion de protoplastes
•Fusion spontanée (soja, maïs)
• Ca2+ pH basique
•PEG
•Choc électrique
Protoplastes
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http://www.snv.jussieu.fr/vie/
Exemple : fusion entre un protoplaste de poireau et un protoplaste de choux rouge
Protoplastes
Comment trier les hybrides ?
Mais aussi :
résistance à des xénobiotiques
tri sur des caractères morphologiques
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Comment se répartit le matériel génétique ?
Protoplastes
Cybrides
(cytoplasmes hybrides)
hybrides somatiques
(addition des noyaux)
noyaux
mitochondries
chloroplastes
![Page 51: Vitrotechniques Principales techniques et applications](https://reader036.vdocuments.fr/reader036/viewer/2022062223/551d9d8e497959293b8c31ae/html5/thumbnails/51.jpg)
Solanum melongena
Solanum sysimbrifolium
Ralstonia solanacearum Verticillium dahliaesensibilité
Bonne tolérance
Problème: fécondation croisée
inefficace
Application agronomique
Collonier et al. 2003 Plant Science Protoplastes
![Page 52: Vitrotechniques Principales techniques et applications](https://reader036.vdocuments.fr/reader036/viewer/2022062223/551d9d8e497959293b8c31ae/html5/thumbnails/52.jpg)
Confection de protoplastes à partir de 500 mg de feuilles de chaque espèce
Ajustement de la densité à 3.5 105 / ml dans 0.5M mannitol + 0.5mM CaCl2
Mélanger les deux préparations dans une boite de Petri
Alignement : courant alternatif 15s, 230, V.cm-1, 1 MHz
Fusion : courant continu 2*45s 1200 V.cm-1
Collonier et al. 2003 Plant Science Protoplastes
![Page 53: Vitrotechniques Principales techniques et applications](https://reader036.vdocuments.fr/reader036/viewer/2022062223/551d9d8e497959293b8c31ae/html5/thumbnails/53.jpg)
Après le choc électrique : milieu de culture + 0.4 M de glucose + PEG 250 mg/l + hormones : 2,4-D, zeatin, NAA
7 jours à l’obscurité
15 jours à la lumière
Milieu neuf :
2,4-D + BAP
calMilieu de régénération de tiges : zéatine et IAA
Milieu de multiplication sans hormones
Sélection des hybrides (400)22 plants régénérés
Collonier et al. 2003 Plant Science Protoplastes
![Page 54: Vitrotechniques Principales techniques et applications](https://reader036.vdocuments.fr/reader036/viewer/2022062223/551d9d8e497959293b8c31ae/html5/thumbnails/54.jpg)
Comment être sûr qu’il s’agit d’hybrides ?
Protoplastes
![Page 55: Vitrotechniques Principales techniques et applications](https://reader036.vdocuments.fr/reader036/viewer/2022062223/551d9d8e497959293b8c31ae/html5/thumbnails/55.jpg)
Détermination de la ploïdie par cytométrie en flux
4 hybrides
Collonier et al. 2003 Plant Science Protoplastes
![Page 56: Vitrotechniques Principales techniques et applications](https://reader036.vdocuments.fr/reader036/viewer/2022062223/551d9d8e497959293b8c31ae/html5/thumbnails/56.jpg)
Morphologie des hybrides
Collonier et al. 2003 Plant Science Protoplastes
![Page 57: Vitrotechniques Principales techniques et applications](https://reader036.vdocuments.fr/reader036/viewer/2022062223/551d9d8e497959293b8c31ae/html5/thumbnails/57.jpg)
Dénombrement des chromosomes respectifs
GISH : Genomic In Situ Hybridization
sonde : ADN de S. sysimbrifolium « coloré » à la fluoresceine
Contre coloration : iodure de propidium
24 chromosomes de chaque
Collonier et al. 2003 Plant ScienceProtoplastes
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Origine des gDNA et cpDNA
RAPD pattern
CAPS pattern
Les chloroplastes sont de S sysimbrifolium !!
Les ADN génomiques sont tous les deux présents
Collonier et al. 2003 Plant ScienceProtoplastes
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Tolérance au flétrissement bactérien causé par Ralstonia
S. melongena S. sysimbrifolia Hybride
Collonier et al. 2003 Plant Science
Collonier et al. 2003 Plant Science Protoplastes
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Haplo/diploïdisation
Androgenèse, Gynogenèse
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Des haploïdes : pourquoi faire ?
Recherche de mutations récessives Haplo/diploïdisation : homozygotie 100%
Des homozygotes : pourquoi faire ?
Outil de sélection :
espèces autogames, espèces allogames
Haplo/diploïdisation
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Obtention de plants haploïdes
Haploïdisation spontanée– Parthénogenèse (cellules sac embryonnaire)
Haploïdisation induite– Androgenèse in vitro– Gynogenèse in vitro– Parthénogenèse in situ
Haplo/diploïdisation
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Androgenèse
Développement sporophytique (haploïde) par culture des gamétophytes mâles – Cultures d’anthères ou de microspores isolées
Source : CNRC-IBP-Canada
Haplo/diploïdisation
Limite : albinisme dans certains cas
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Gynogenèse
Développement sporophytique de gamétophytes femelles obtention de plants haploïdes– Culture in vitro d’ovaires ou d’ovules– Pollinisation croisée– Utilisation de pollen irradié
Haplo/diploïdisation
Parthénogenèse in situ
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Doublement des chromosomes
Utilisation d’agents mitoclasiques– Blocage de la polymérisation des microtubules
Colchicine Oryzaline
Contrôle de la ploïdie– Cytométrie en flux
Haplo/diploïdisation
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Le pommier : un matériel génétique difficile à étudier:
•Cycle reproductif lent (période juvénile 5-7 ans)
•Autostérilité
Impossible d’obtenir des lignées 100% homozygotes par la sélection classique
Obtention de lignées haploïdes
Doublement chromosomique
Obtention d’haploïdes de pommier
Source : http://www.angers.inra.fr/dossiers/haploidie/ Haplo/diploïdisation
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Obtention des haploïdes
Fécondation avec du pollen irradié à 200 Gy Récolte des graines et semis Première étape : sélection des haploïdes
Source : http://www.angers.inra.fr/dossiers/haploidie/ Haplo/diploïdisation
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Micropropagation des haploïdes
Mise en culture d’apex
Multiplication (repiquage toutes les 5 semaines)
Source : http://www.angers.inra.fr/dossiers/haploidie/ Haplo/diploïdisation
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Doublement de chromosomes
Recouvrir avec du milieu contenant de l’oryzaline 15-50 µM
Incuber 2 heures à 2°C
Cultiver 1 mois
Source : http://www.angers.inra.fr/dossiers/haploidie/ Haplo/diploïdisation
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Source : http://www.angers.inra.fr/dossiers/haploidie/
Contrôle de la ploïdie
Comptage des chromosomes
Cytométrie en flux
Haplo/diploïdisation
![Page 71: Vitrotechniques Principales techniques et applications](https://reader036.vdocuments.fr/reader036/viewer/2022062223/551d9d8e497959293b8c31ae/html5/thumbnails/71.jpg)
humidité relative 80%
Microgreffage et sortie d’in vitro
Source : http://www.angers.inra.fr/dossiers/haploidie/ Haplo/diploïdisation
![Page 72: Vitrotechniques Principales techniques et applications](https://reader036.vdocuments.fr/reader036/viewer/2022062223/551d9d8e497959293b8c31ae/html5/thumbnails/72.jpg)
Autres utilisation du doublement de chromosomes
Obtention de lignées tétraploïdes– Robustesse– Stérilité exemple du schéma de production de
graines de pastèques triploïdes
F0 2N
F-1 2NF0 4N
colchicine
F1 3N
♀
♂
♀
♂Pollinisateur 2N
Fruits sans pépins
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Cryoconservation
![Page 74: Vitrotechniques Principales techniques et applications](https://reader036.vdocuments.fr/reader036/viewer/2022062223/551d9d8e497959293b8c31ae/html5/thumbnails/74.jpg)
Définitions
Conservation de matériel vivant à très basse température– Azote liquide (-196°C)– Vapeurs d’azote (-150°C)
Etat de vie suspendue, réversible
Cryoconservation
![Page 75: Vitrotechniques Principales techniques et applications](https://reader036.vdocuments.fr/reader036/viewer/2022062223/551d9d8e497959293b8c31ae/html5/thumbnails/75.jpg)
Problématique :
Conservation d’espèces en voie de disparition :
objectif agronomique : réservoir de variabilité utilisable pour des plans de sélection
objectif médical : réservoir de substances actives inconnues
objectif éthique : préservation d’une richesse de nature non-marchande
Conservation de variétés agronomiques ou horticoles intéressantes
Eviter de perdre les variétés tombées en désuétude
Erosion génétique des espèces à multiplication végétative
Graines récalcitrantes
Espèces à multiplication végétative (pomme de terre, bananier, manioc)
Souches de culture in vitro
Conservation de graines orthodoxes à basse température :
Le Kew Garden à Londres
![Page 76: Vitrotechniques Principales techniques et applications](https://reader036.vdocuments.fr/reader036/viewer/2022062223/551d9d8e497959293b8c31ae/html5/thumbnails/76.jpg)
Avantage :
faible surface / jardin botanique
Inconvénients :
importantes charges de travail
risque de pertes : contaminations, erreur humaine
variations somaclonales
http://www.biw.kuleuven.be
Exmple : Conservation de cultures de bananes
Cultures in vitro en conditions de croissance réduite :
Cryoconservation
![Page 77: Vitrotechniques Principales techniques et applications](https://reader036.vdocuments.fr/reader036/viewer/2022062223/551d9d8e497959293b8c31ae/html5/thumbnails/77.jpg)
stockage à –196°C
cryopreservation de cultures de tissus (100 espèces)
cyopreservation de graines récalcitrantes (40 espèces)
conservation de souches de cellules fortement productrices de métabolites secondaires
conservation de tissus génétiquement modifiés
Meilleure solution : la cryopreservation
Cryoconservation
![Page 78: Vitrotechniques Principales techniques et applications](https://reader036.vdocuments.fr/reader036/viewer/2022062223/551d9d8e497959293b8c31ae/html5/thumbnails/78.jpg)
Principes
Éviter la formation de cristaux dans le cytoplasme– Congélation rapide– Déshydratation des échantillons
Séchage à l’air Déshydratation par congélation lente
Cryoconservation
![Page 79: Vitrotechniques Principales techniques et applications](https://reader036.vdocuments.fr/reader036/viewer/2022062223/551d9d8e497959293b8c31ae/html5/thumbnails/79.jpg)
Déshydratation par congélation
Prérefroidissement (-40°C)
Formation de cristaux dans le milieu extracellulaire
Le cytoplasme reste en surfusion
Abaissement du potentiel hydrique du milieu extracellulaire H2O
H2O
H2O
Déshydratation de l’échantillon
Cryoconservation
![Page 80: Vitrotechniques Principales techniques et applications](https://reader036.vdocuments.fr/reader036/viewer/2022062223/551d9d8e497959293b8c31ae/html5/thumbnails/80.jpg)
Vitrification du milieu intracellulaire
Solidification non-cristalline du cytoplasme– Concentration de solutés osmoprotectants– Congélation rapide
Cryoconservation
![Page 81: Vitrotechniques Principales techniques et applications](https://reader036.vdocuments.fr/reader036/viewer/2022062223/551d9d8e497959293b8c31ae/html5/thumbnails/81.jpg)
Substances cryoprotectrices
DMSO, glycérol, proline Adaptation métabolique:
– Froid– Réduction photopériode– ABA
[solutés ]
Sucres, proline, glycine bétaïne
Cryoconservation