S7 : Technologie et biotechnologie végétales Technologies et biotechnologies végétales Marie-Françoise Niogret Antoine Gravot UMR 6026 Interactions Cellulaires

S7 : Technologie et biotechnologie végétales

Technologies et biotechnologies végétales

Marie-Françoise Niogret

Antoine Gravot

UMR 6026 Interactions Cellulaires et Moléculaires


Biotechnologies« Transformation de matière première en biens ou services par le moyen d’organismes vivants »

Fermenteurs

Bioréacteurs


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


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


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


Biotechnologies« Développement et application d’outils moléculaires dans différents domaines relatifs à l’agronomie et la médecine »

•Science Museum/Science & Society Picture Library


Définitions Issues du génie des procédés (école allemande)

– Définition historique (Karl Ereky), début XXème Production de biens à partir de matière première en utilisant des organismes vivants Utilisation des techniques de fermentation et dérivées

– 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

Gerard Siclet : Technologies de pointe mettant en œuvre des processus cellulaires ou moléculaires, grâce au génie génétique

Plaçant au premier plan les applications industrielles et commerciales– Définition OCDE 1980 : Mise en œuvre de matériel biologique pour la production de biens et de services

En Europe : définitions concernant spécifiquement le végétal et insistant soigneusement sur les technologies ne faisant pas appel à la transgenèse

Plus récemment : définitions incluant les approches de génomique


Biotechnologies végétales : Domaines abordés dans ce cours : 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

Cultures in vitro

Biologie moléculaire

Agronomie :

Création variétale, Multiplication conforme, Identification variétale…

Recherche fondamentale

Industrie

Production de composés ou de protéines d’intérêt alimentaire et non-alimentaire


Au programme… Les cultures in vitro

– Totipotence de la cellule végétale– Techniques de base de culture in vitro– Applications technologiques:

micropropagation, sauvetage d’embryon, haplo/diploïdisation, fusion de protoplastes…

– Applications en recherche : signalisation, adressage de protéines, échanges d’ions et de métabolites

Biotechnologie moléculaire– Bases de la transgenèse des végétaux– Applications en agriculture conventionnelle– Applications dans la valorisation non alimentaire des productions

végétales Production de protéines recombinantes Production de métabolites secondaires Phytoremédiation

MF Niogret


Les travaux pratiques

Rôle des substances de croissance dans l’organogenèse et composition des milieux de culture

Préparation et fusion de protoplastes Caractérisation et phénotypage de mutants

d’Arabidopsis


Les travaux dirigés

Préparation d’un exposé concernant un domaine de la biotechnologie végétale

Réalisation d’un dossier concernant un gène chez Arabidopsis thaliana– Expression tissulaire, régulation, fonctions connues– Brevets – Démarche concrète d’obtention de mutants


Totipotence chez le végétal

Signification et limites


Plan

Quelques définitions Naissance et développement des cultures in

vitro Applications et limites de la totipotence Mécanismes sous-jacents à la totipotence Signification biologique de la totipotence des

cellules végétales


Quelques définitions

Cellules totipotentes: cellules issues des premières division de l'oeuf fécondé capables de donner naissance à tous les types de cellules de l'organisme et les seules à permettre le développement complet d'un individu.

Cellules pluripotentes : Capacité que possède une cellule de se différencier en environ 200 types cellulaires représentatifs de l’ensemble des tissus (cellules souches embryonnaires issues d’embryons de 5 à 7 jours)

Cellules multipotentes : capables de donner naissance à plusieurs types cellulaires (les cellules souches myéloïdes de la moelle osseuse sont à l’origine des cellules sanguine)

Chez les animaux

Spécificité du végétal

Chez les plantes, la totipotence peut se définir comme la propriété qu’ont certaines cellules de pouvoir régénérer un individu lorsqu’elles sont placées dans des conditions appropriées, en passant éventuellement par une étape de dédifférenciation


Exemple : microbouturage du Saint Paulia

2 mois plus tard

Source : http://www.didier-pol.net/1CLONES.html


Historique

La totipotence comme fil conducteur de la naissance des biotechnologies 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


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

•maintient 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


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


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


Confirmation des hypothèses d’Haberlandt

1956 (Muir) suspensions cellulaires

1958 (Reinart et Stewart) Embryogenèse somatique chez la carotte

Aspects historiques


Confirmation des hypothèses de Haberlandt

1965 (Vasil et Hilderbrandt) Régénération d’un plant de tabac à partir d’une cellule unique

1971 (Nagata et Takabe) Régénération d’un plant entier à partir d’un protoplaste

Aspects historiques


Développements : des outils agronomiques

1965 (Morel) multiplication in vitro des orchidées

1972 (Sharp) : tomates haploïdes à partir de pollen

1973 : hybride issu d’une fusion de protoplastes

Aspects historiques


Développements : production de métabolites secondaires

1977 : culture de cellules de tabac dans un réacteur de 20 000 litres

1983 (Mitsui Petrochemical) : production industrielle de métabolites secondaires

Aspects historiques


Développements : la transgenèse

Van Montaigu (1983) : tabac résistant à la kanamycine

1994 : Flavr Savr (Calgene, antisensage d’une polygalacturonase)

1996 : maïs transgénique commercialisé aux USA

Aspects historiques


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


La totipotence : applications et limites

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…)


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



Limites de la totipotence :impossibilité technique

Différentiation irréversible : xylème (!) En fonction de la méthode de préparation des protoplastes,

récalcitrance à la régénération Pour beaucoup d’espèces d’intérêt agronomique, les

protoplastes ne sont pas totipotents (récalcitrants) ex : Vitis vinifera


Limites de la totipotence :

Variation somaclonaleLes plantes régénérées présentent souvent des problèmes– Perte de caractères chimériques– Aneuploïdies , délétions chromosomiques

Modification du caractère juvénile– Impact sur la fertilité


Mécanismes sous-jacents à la totipotence

Chez les cellules végétales


Pourquoi les cellules végétales sont totipotentes : Arguments classiques

Petit nombre de types cellulaires Seulement 3 ou 4 types d’organes

fondamentaux (racine, tige, feuilles) dont les fleurs, vrilles, épines, fruits et tubercules sont des dérivés

Grande plasticité génomique – la croissance peut rester presque normale malgré

de profonds remaniements chromosomiques


Etapes liées à la totipotence

Etape 1 : – Cellules différentiées : dédifférenciation nécessaire– Cellules souches méristématiques

Etape 2 : mise en route de l’activité mitotique utilisation de substances de croissance

Etape 3 : autonomie de la croissance tissulaire vis-à-vis des substances de croissance exogènes

Enjeux scientifiques actuels:

Comprendre les mécanismes de dédifférenciation

Comprendre la nature des cellules souches


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


Comprendre la nature des cellules souches

Notion de cellule souche en biologie végétale Notion de niche de cellule souche en biologie

végétale


Signification de la totipotence

Pourquoi les cellules de plantes sont-elles totipotentes ?


F. Hallé : la totipotence est une spécificité des organismes autotrophes fixés

On retrouve la totipotence des cellules chez les coraux

quels sont les autres points communs coraux / plantes ?



Points communs coraux/plantes

Croissance indéfinie

Zones méristématiques

Morphologie type « fractales »

Autotrophie, faible flux énergétique

Vie fixée

Durée de vie potentiellement illimitée

Squelette de nature excrémentielle



Autotrophie :

Faible flux énergétique

Deux contraintes :

•maximisation de la surface dans l’espace

•croissance verticale

Lutte contre la croissance

homothétique

Développement en axes ramifiés



Autotrophie :


Deux contraintes :




homothétique




Autotrophie :


Deux contraintes :




homothétique

Développement indéfini à partir des méristèmes

Totipotence des cellules

méristématiques




•Architecture adaptée à l’autotrophie

•Réactivité du développement dans un contexte de vie fixée

•Multiplication végétative

Fonctions biologiques de la totipotence

Documents

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