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S7 : Technologie et biotechno logie 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

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 Presentation

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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

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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 ?

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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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S7 : Technologie et biotechnologie végétales

Biotechnologies« Technologies impliquant l’obtention et/ou l’utilisation d’organismes génétiquement modifiés »

“Biotechnologies modernes” (Protocole de Carthagène)

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S7 : Technologie et biotechnologie végétales

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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S7 : Technologie et biotechnologie végétales

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

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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

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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

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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

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S7 : Technologie et biotechnologie végétales

Totipotence de la cellule végétale

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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)

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S7 : Technologie et biotechnologie végétales

Gretchen Vogel, 2005

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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

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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

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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

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S7 : Technologie et biotechnologie végétales

“La totipotence repose sur l’aptitude à la dédifférenciation”

Sugimoto 2010 Dev CellBirnbaum 2008 Cell

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S7 : Technologie et biotechnologie végétales

Confirmation des hypothèses d’Haberlandt

1956 (Muir) suspensions cellulaires

1958 (Reinart et Stewart) Embryogenèse somatique chez la carotte

Aspects historiques

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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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S7 : Technologie et biotechnologie végétales

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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S7 : Technologie et biotechnologie végétales

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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S7 : Technologie et biotechnologie végétales

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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S7 : Technologie et biotechnologie végétales

Sussex, Plant Cell 2008

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S7 : Technologie et biotechnologie végétales

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

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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…

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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

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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

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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…)

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S7 : Technologie et biotechnologie végétales

“La totipotence repose sur l’aptitude à la dédifférenciation” (?)

Sugimoto 2010 Dev CellBirnbaum 2008 Cell

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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

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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

Page 34: Biotechnologies végétales

S7 : Technologie et biotechnologie végétales Le rôle du péricycle : un grain de sable dans le modèle

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S7 : Technologie et biotechnologie végétales Le rôle du péricycle : un grain de sable dans le modèle

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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