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Edition des génomes pour accompagner la transition agroécologique et l'adaptation au changement climatique


 

 

 

 

Afin de développer des variétés éditées adaptées aux exigences des nouveaux contextes agronomiques, socio-économiques et environnementaux, il sera essentiel de reconsidérer la nature de certains caractères pour définir des idéotypes (combinaison d'allèles pour des caractères spécifiques) adaptés à la transition vers l'agroécologie et à l'adaptation au changement climatique, ainsi qu'à l'atténuation de ce dernier.

Ces transitions impliquent différents systèmes agricoles, dont certains sont déjà en place ou sont appelés à se développer de manière significative. Ils peuvent être définis par la nature et la quantité des intrants utilisés, par leur dépendance aux intrants (engrais, pesticides) et à l'irrigation, et par la diversité végétale mobilisée dans le temps et dans l'espace. Pour favoriser la transition vers l'agroécologie et l'adaptation au changement climatique, il convient de mobiliser et de déployer une plus grande diversité génétique dans les cultures commerciales annuelles et pérennes, mais aussi dans les plantes multiservices (plantes compagnes ou de couverture), cultivées seules ou au sein de mélanges intra- ou interspécifiques. 

 

Les modèles fonctionnels-structurels des plantes et les modèles de croissance des cultures sont essentiels pour comprendre les interactions génotype (G) × environnement (E) × gestion (M), mais aussi pour identifier les principaux caractères d'intérêt pour des environnements spécifiques, faciliter la conception d'idéotypes et développer des stratégies adaptatives pour faire face au changement climatique et aux systèmes agroécologiques1. Ils pourraient être des outils précieux pour définir les caractères les plus importants à améliorer dans l'adaptation des plantes au changement climatique dans le cadre de la transition vers l'agroécologie.

L'édition des génomes est un outil puissant pour introduire ces nouvelles caractéristiques dans les espèces cibles. Compte tenu des services multiples attendus des variétés (y compris des variétés qui pourraient fournir des services environnementaux en plus de la production), il sera probablement nécessaire d'avoir des idéotypes qui seront des combinaisons de caractères. Certaines combinaisons pourraient être difficiles à obtenir avec les outils de sélection actuels. L'ingénierie génétique pourrait être un outil complémentaire aux méthodes existantes, afin d'obtenir ces nouveaux idéotypes pour faire face au changement climatique dans un contexte agroécologique.

Cependant, l'édition des génomes nécessite l'identification préalable des gènes cibles pertinents et des allèles utiles. Cela reste un obstacle dans certains cas, même si le développement de ressources génomiques est très important et, aujourd'hui, accessible pour un large panel d'espèces, reliant les variants génomiques et les traits.

Dans ce PEPR, en articulation avec le PEPR "Agroécologie et Numérique" qui est en charge de la caractérisation des ressources génétiques, certains nouveaux caractères, qui sont des caractères clés pour la transition vers l'agroécologie, seront rendus disponibles grâce au lien entre les variants génomiques et les phénotypes correspondants. Parallèlement à cette approche, qui prend du temps, en particulier pour les caractères difficiles à phénotyper ou dont les bases génétiques sont complexes, des approches de biologie translationnelle utilisant des informations et des connaissances obtenues à partir de la biologie végétale fondamentale pourraient être appliquées. Une telle approche translationnelle de la recherche sur les cultures pourrait aider à identifier les cibles potentielles de l'édition des génomes dans une variété de cultures et de plantes multiservices.

L'un des exemples les plus célèbres de biologie translationnelle concerne le gène Mlo, dont l'inactivation confère une résistance récessive à l'oïdium chez l'orge2. La résistance à l'oïdium a été obtenue chez d'autres monocotylédones comme le blé3 et également chez des dicotylédones comme la tomate4 ou la vigne5 après inactivation des orthologues de Mlo dans ces espèces. Mlo est donc considéré comme un facteur de sensibilité à l'oïdium chez de nombreuses espèces végétales. D'autres gènes sont inclus dans la même classe et leur ingénierie médiée par CRISPR pourrait être intéressante pour réduire la dépendance à l'égard des pesticides.

L'édition des génomes pourrait impliquer l'inactivation de gènes ainsi que l'introduction d'allèles spécifiques dans les cultures et les plantes multiservices. Étant donné que la transition agroécologique et l'adaptation au changement climatique impliquent des interactions complexes avec l'environnement, la validation des caractères nouvellement développés dans des installations expérimentales aussi proches que possible des conditions agronomiques réelles, y compris des conditions en plein champ, sera essentielle pour un développement réussi.

Caractères réduisant les produits phytosanitaires et les intrants basés sur des ressources non renouvelables

Les systèmes de culture à faibles intrants se concentrent sur l'amélioration de l'efficacité de l'absorption et de l'utilisation de l'eau et des éléments nutritifs (N, P) (et sur la tolérance à leurs limites) ainsi que sur la tolérance/résistance des plantes aux agents pathogènes (champignons, bactéries, virus, etc.) ou aux parasites (insectes, nématodes, etc.) afin d'atteindre les objectifs souhaitables en matière de réduction de l'utilisation des pesticides. Parallèlement, la réduction de l'intensité du travail du sol contribue à une utilisation plus parcimonieuse de l'énergie et constitue un pilier de l'agriculture de conservation des sols.
Dans ces agrosystèmes à faible niveau d'intrants et éco-efficaces, la priorité est donnée à la stabilité des performances (notamment en augmentant la diversité des espèces et des variétés ou en favorisant les variétés stables et moins sensibles aux conditions sub-optimales) plutôt qu'à une production élevée pendant les années les plus favorables. L'agriculture biologique est également une forme d'agriculture agroécologique utilisant peu ou pas d'intrants de synthèse, compensée par une charge de travail plus importante, notamment pour le désherbage mécanique, nécessitant une plus grande diversité des espèces cultivées qui bénéficierait directement du développement de nouveaux cultivars.

L'édition des génomes devra répondre à ces besoins par une gamme de caractères qui sont impliqués dans :

  • Tolérance ou résistance aux parasites et aux maladies (champignons, bactéries, virus, insectes, etc.) 
  • Absorption et utilisation efficaces des éléments nutritifs limitants (N, P) et tolérance à leurs carences grâce à une meilleure capture des ressources (système d'enracinement, transporteurs, etc..) ou à leur remobilisation vers les organes récoltés. 
  • Réponse des plantes à un travail du sol nul ou réduit : par exemple, caractères impliqués dans l'établissement de la plante, système d'enracinement, etc. 
  • Tolérance des plantes au désherbage mécanique : par exemple, caractéristiques impliquées dans l'ancrage des racines. 
  • Capacité de la plante à supprimer la croissance des adventices par compétition : par exemple, les caractéristiques impliquées dans la couverture du sol, la morphologie (structure des tiges et des feuilles) et la dynamique de croissance. 
  • Production de substances allélochimiques (exsudats racinaires, composés organiques volatils, etc.) pour la régulation des adventices et des ravageurs.

Caractères favorisant l'adaptation au changement climatique

Le changement climatique combine une augmentation tendancielle de la température de l'air et de la concentration en CO2, une plus grande variation entre les années et une augmentation de la fréquence des accidents climatiques entraînant des situations plus fréquentes et plus intenses de sécheresse, d'engorgement et de canicule, ainsi que des risques accrus d'exposition au gel printanier. Dans les régions tempérées, cela peut également se traduire par une augmentation des précipitations hivernales, accompagnée d'inondations, de phénomènes érosifs et d'épisodes d'anoxie des sols. Selon les régions, des opportunités favorables peuvent se présenter (Europe du Nord) ou les contraintes existantes peuvent être renforcées (Europe du Sud). Cela peut avoir des conséquences sur les systèmes de culture, par exemple en modifiant la zone de culture pour les espèces et les variétés cultivées, ou en introduisant des doubles cultures dans les rotations (en tant que culture dérobée ou culture relais).

 

Les caractères susceptibles d'accroître la survie des plantes, leur tolérance à la sécheresse et aux températures élevées, ainsi que la stabilité des rendements face à des conditions climatiques variables (et à des stress multiples) seront ciblés. La possibilité d'anticiper les dates de semis nécessitera également des plantes plus tolérantes au froid et plus vigoureuses. Le développement de la double culture et l'extension vers le nord des zones de culture nécessiteront une adaptation des groupes de maturité au-delà des objectifs actuels de selection

L'édition des génomes devra répondre à ces besoins par une série de traits qui sont impliqués dans

  • Adaptation au stress abiotique (froid, chaleur, sécheresse, salinité, excès d'eau) par l'échappement au stress (phénologie), l'évitement ou la tolérance des phases de germination et de maturation: caractères impliqués dans la régulation stomatique, l'efficacité de l'utilisation de l'eau, la sénescence, l'allocation de la biomasse, la croissance des racines, la fermeture de la canopée, la précocité de l'anthèse, la vigueur germinative, etc. 
  • Variété à floraison ou à maturation très précoces et à cycle court. 
  • Nouvelles variétés plus tardives qui permettront de maintenir les périodes de maturation des fruits. 
  • Modulation de la phénologie et des caractères/besoins connexes tels que la dormance, les besoins en froid pour l'adaptation au changement climatique (y compris les épisodes de gel au printemps), en particulier chez les espèces pérennes pour lesquelles cette adaptation pose des défis particuliers. 
  • Modulation de la maturation et du métabolisme des fruits pour protéger la qualité des fruits face au changement climatique.

Caractéristiques améliorant l'interaction plante/plante et plante/microbe

L'agroécologie met l'accent sur l'utilisation de la diversité temporelle et spatiale (cultures de rente ou de service) et sur l'utilisation accrue de légumineuses fixatrices d'azote. L'exploitation optimale des interactions plante-plante et plante-sol (via les micro-organismes du sol) est essentielle pour l'agroécologie.

 

L'édition des génomes devra répondre à ces besoins par une gamme de caractéristiques qui sont impliquées dans :

  • Les interactions complémentaires intra- et inter-espèces plante/plante ; par exemple l'aptitude à l'association (angle des feuilles, tolérance à l'ombre, système d'enracinement, vigueur de croissance précoce, rigidité de la tige, architecture de la plante, etc. ).
  • Interactions bénéfiques avec le microbiote et les symbiotes : capacité de mycorhization, fixation symbiotique de l'azote, attrait pour un bon microbiote, etc. 

Caractéristiques associées aux services écosystémiques, y compris l'atténuation du changement climatique

Un point important pour la transition agricole est le développement de services écosystémiques non productifs qui contribuent à la biodiversité et à l'équilibre durable des écosystèmes, ce qui améliore à son tour la production de ces écosystèmes à long terme. Il s'agit de différents types de services de régulation, d'approvisionnement et de culture.

 

Les services de régulation comprennent la séquestration du carbone et la décomposition des déchets. L'amélioration des réponses des cultures aériennes et souterraines à l'augmentation de la concentration de CO2 augmentera la capture et le stockage du carbone, contribuant ainsi à l'atténuation des émissions de gaz à effet de serre et à la fertilité des sols. Cela est particulièrement vrai pour les arbres forestiers, dont le bois récolté, s'il est utilisé comme bois d'œuvre, permet de stocker le carbone à long terme et d'éviter l'utilisation de matériaux d'origine fossile (PEPR FORESTT6).

  • Caractères impliqués dans la capture du CO2, la photosynthèse efficace, la croissance des racines, la formation du bois (arbre fruitier et forestier).
  • Caractères , tels que les composants chimiques des tissus végétaux, impliqués (i) dans la biodégradation de la biomasse pour améliorer la composition du sol (NPKC) ou (ii) dans la qualité de la biomasse pour la bioénergie. 
  • La réhabilitation des sols dégradés pourrait également être ciblée par l'ingénierie génétique pour améliorer la phytoremédiation (par exemple, l'absorption et le stockage des métaux lourds). 

Les services provisoires comprennent tous les services associés aux biens de l'écosystème qui pourraient être fournis directement par les plantes génétiquement modifiées utilisées comme cultures d'accompagnement ou de couverture ou en favorisant la présence de plantes, d'animaux ou de microbes susceptibles d'être utilisés.

  • Caractéristiques améliorant l'attractivité, par exemple par la production de phéromones modifies. 
  • Caractéristiques fournissant des ressources aux pollinisateurs, en particulier du nectar permettant aux abeilles de se nourrir pendant les périodes de transition (début du printemps et fin de l'automne).

 

 
Les efforts déployés dans le cadre de cet axe seront centrés sur la mise en œuvre, dans les cultures ou les plantes de service, de l'ingénierie génétique de gènes/allèles sélectionnés afin d'évaluer la faisabilité et l'efficacité de l'ingénierie génétique pour le développement de variétés susceptibles de contribuer efficacement à la transition agroécologique, à l'atténuation du changement climatique et à l'adaptation à ce dernier.
 
Par conséquent, les efforts seront concentrés sur les gènes/allèles cibles potentiels déjà identifiés afin de fournir des résultats de "preuve de concept", tandis que les efforts visant à identifier de nouveaux gènes/allèles pour les caractères pertinents sont mieux traités dans un autre PEPR de la stratégie SADEA (Agroécologie et Numérique).
Des modèles écophysiologiques pourraient être utilisés - s'ils sont disponibles et validés - pour sélectionner en amont les caractéristiques les plus pertinentes à étudier dans ce contexte.
 
(1) Martre P., Quilot-Turion B., Luquet D., Ould-Sidi M., Chenu K., Debaeke P., 2015. Model assisted phenotyping and ideotype design. In: Calderini D & Sadras VO (eds), Crop Physiology. Applications for Genetic Improvement and Agronomy. 2nd Edition, Academic Press, pp 349-373

(2) Büschges R, Hollricher K, Panstruga R, Simons G, Wolter M, Frijters A, et al. The barley Mlo gene: A novel control element of plant pathogen resistance. Cell. 1997; 88(5): 695–705. https://doi.org/10.1016/S0092-8674(00)81912-1

(3) Várallyay É, Giczey G, Burgyán J. Virus-induced gene silencing of Mlo genes induces powdery mildew resistance in Triticum aestivum. Arch Virol. 2012; 157(7): 1345–1350. https://doi.org/10.1007/s00705-012-1286-y

(4) Bai Y, Pavan S, Zheng Z, Zappel NF, Reinstädler A, Lotti C, et al. Naturally occurring broad-spectrum powdery mildew resistance in a Central American tomato accession is caused by loss of Mlo function. Mol Plant-Microbe Interact. 2008;21(1):30–39. https://doi.org/10.1094/MPMI-21-1-0030

(5) Pessina, S., Lenzi, L., Perazzolli, M. et al. Knockdown of MLO genes reduces susceptibility to powdery mildew in grapevine. Hortic Res 3, 16016 (2016). https://doi.org/10.1038/hortres.2016.16

(6) FORESTT est un PEPR de la stratégie d'exploration, il s'agit d'un programme de recherche ambitieux visant à apporter des connaissances pour (i) le fonctionnement multi-échelle des socio-écosystèmes forestiers et les services qu'ils fournissent, (ii) l'évaluation et la gestion des risques liés aux changements globaux, et (iii) les interactions entre les différentes stratégies d'utilisation et de gestion.

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