Des biologistes végétaux montrent comment deux gènes travaillent ensemble pour déclencher la formation d’embryons dans le riz

Le riz est une culture alimentaire de base pour plus de la moitié de la population mondiale, mais la plupart des agriculteurs ne cultivent pas de variétés à haut rendement parce que les semences sont trop chères. Des chercheurs des campus Davis et Berkeley de l’Université de Californie ont identifié une solution potentielle : activer deux gènes dans les ovules de riz qui déclenchent leur développement en embryons sans avoir besoin de fécondation, ce qui créerait efficacement des souches clonales à haut rendement de riz et d’autres cultures.

Une équipe dirigée par Venkatesan Sundaresan, professeur distingué dans les départements de biologie végétale et de sciences végétales de l’UC Davis, a précédemment montré qu’un gène appelé BBM1 dans les cellules d’œufs de riz pouvait activer la capacité d’un œuf fécondé à former un embryon. Cependant, la méthode n’a fonctionné qu’environ 30 % du temps.

Maintenant, en collaboration avec des chercheurs de l’Innovative Genomics Institute de l’UC Berkeley, l’équipe a montré que l’activation simultanée d’un deuxième gène, WOX9A, augmente le taux de réussite à environ 90 %. La découverte est publiée dans Plantes naturelles.

“Il est remarquable qu’après 20 ans d’efforts infructueux sur les hybrides clonaux, de nombreux progrès aient été réalisés récemment, depuis la démonstration que cela est réellement possible en 2019 jusqu’à la démonstration maintenant que cela peut fonctionner efficacement en 2024”, a déclaré Sundaresan. “Je suis très optimiste maintenant que les hybrides ne constitueront plus un obstacle à la réalisation d’une agriculture durable avec des rendements élevés partout dans le monde.”

Une manière rentable de nourrir la planète

Les variétés hybrides de riz, produites en croisant deux variétés pures, peuvent produire presque le double de la récolte, mais leur production coûte cher et oblige les agriculteurs à acheter de nouvelles semences chaque année. Si les plantes hybrides pouvaient se reproduire de manière asexuée, les agriculteurs pourraient conserver leurs graines d’une année sur l’autre. Comment concevoir du riz à reproduction asexuée est un casse-tête que les scientifiques tentent de résoudre depuis plus de 30 ans.

L’équipe de Sundaresan a précédemment montré que BBM1 est un déclencheur essentiel du développement de l’embryon végétal et que l’activation de ce gène dans les œufs peut annuler le besoin de fécondation.

“L’activation artificielle de BBM1 dans l’ovule suffit à démarrer l’embryogenèse et à produire une nouvelle plante, mais ce processus n’a fonctionné qu’environ un tiers du temps”, a déclaré Sundaresan. “L’une des choses que nous nous sommes demandés était de savoir si BBM1 n’était pas suffisant ; peut-être avait-il besoin d’aide.”

En examinant quels gènes sont activés dans les œufs de plantes fécondés, les chercheurs ont identifié un gène, WOX9A, pour lequel seule la copie du gène transportée par les spermatozoïdes est exprimée. Lorsqu’ils ont activé simultanément BBM1 et WOX9A dans des cellules d’œufs de riz, cela a entraîné la formation d’embryons dans 90 % des cas, bien que l’activation de WOX9A seule n’ait pas entraîné l’initiation de l’embryon.

“Nous pensons que BBM1 actionne un interrupteur qui amène l’ovule à passer à l’embryon, mais l’interrupteur n’est pas réglé”, a déclaré Sundaresan. “Alors WOX9A arrive et serre l’interrupteur pour qu’il ne se retourne pas.”

Vigueur hybride sans besoin d’hybrides

Parce qu’elles proviennent d’œufs non fécondés, les plantes produites par cette méthode sont haploïdes, ce qui signifie qu’elles contiennent la moitié du nombre habituel de chromosomes. Bien que les plants de riz haploïdes germent et poussent, ils ont tendance à être retardés par rapport aux plants diploïdes qui portent deux copies de chaque gène.

“Les haploïdes sont des outils précieux dans la sélection végétale pour produire des lignées pures, qui permettent une production végétale uniforme”, a déclaré l’auteur correspondant Imtiyaz Khanday, professeur adjoint au Département des sciences végétales du Collège des sciences agricoles et environnementales de l’UC Davis. “Ces résultats ont également des implications significatives pour la production de graines clonales à haute fréquence qui conservent les avantages de la vigueur hybride.”

La prochaine étape, disent les chercheurs, consiste à combiner cette méthode d’activation de BBM1 et WOX9A avec « l’apomixie synthétique », une technique qu’ils ont précédemment développée pour produire de manière asexuée des graines clonales. Cela signifie que les agriculteurs pourront profiter des avantages de la vigueur hybride année après année en conservant simplement une partie de la récolte pour la planter l’année suivante.

“Si nous combinons cette astuce consistant à transformer un ovule en embryon sans fécondation, avec une autre technique qui supprime la méiose, nous pouvons produire efficacement des graines hybrides à haut rendement”, a déclaré Sundaresan. “Dans un monde où les ressources sont de plus en plus limitées, cela ouvre la voie à une agriculture durable pour les riziculteurs et, à l’avenir, pour d’autres cultures également.”

Les auteurs supplémentaires de l’étude sont : Hui Ren et Kyle Shankle, UC Davis et Myeong-Je Cho et Michelle Tjahjadi, UC Berkeley.