Succès sucré : des chercheurs décryptent le code génétique complexe de la canne à sucre
Les scientifiques ont créé un génome de référence très précis pour l'une des cultures modernes les plus importantes et ont trouvé un exemple rare de la façon dont les gènes confèrent une résistance aux maladies chez les plantes
La canne à sucre hybride moderne est l'une des cultures les plus récoltées sur la planète, utilisée pour fabriquer des produits tels que le sucre, la mélasse, le bioéthanol et les matériaux biosourcés. Elle possède également l'un des schémas génétiques les plus complexes.
Jusqu'à présent, la complexité de la génétique de la canne à sucre en faisait la dernière grande culture sans génome complet et très précis. Les scientifiques ont mis au point et combiné plusieurs techniques pour réussir à cartographier le code génétique de la canne à sucre. Grâce à cette carte, ils ont pu vérifier l'emplacement spécifique qui confère une résistance à la maladie de la rouille brune qui, si elle n'est pas contrôlée, peut dévaster une culture sucrière. Les chercheurs peuvent également utiliser la séquence génétique pour mieux comprendre les nombreux gènes impliqués dans la production de sucre.
Les recherches ont été menées dans le cadre du programme scientifique communautaire du Joint Genome Institute (JGI) du ministère américain de l'énergie, une installation du DOE Office of Science située au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). L'étude est publiée aujourd'hui dans la revue Nature, et le génome est disponible sur le portail végétal du JGI, Phytozome.
"Il s'agit de la séquence génomique la plus complexe que nous ayons réalisée jusqu'à présent", a déclaré Jeremy Schmutz, responsable du programme sur les plantes au JGI et chercheur à l'Institut de biotechnologie HudsonAlpha. "Cela montre à quel point nous avons progressé. C'est le genre de choses que l'on croyait impossibles il y a dix ans. Nous sommes aujourd'hui en mesure d'atteindre des objectifs que nous ne pensions pas possibles en génomique végétale".
Le génome de la canne à sucre est si complexe à la fois parce qu'il est grand et parce qu'il contient plus de copies de chromosomes qu'une plante typique, une caractéristique appelée polyploïdie. La canne à sucre compte environ 10 milliards de paires de bases, les éléments constitutifs de l'ADN ; à titre de comparaison, le génome humain en compte environ 3 milliards. De nombreuses sections de l'ADN de la canne à sucre sont identiques à l'intérieur d'un même chromosome et d'un chromosome à l'autre. Il est donc difficile de réassembler correctement tous les petits segments d'ADN tout en reconstruisant le schéma génétique complet. Les chercheurs ont résolu l'énigme en combinant plusieurs techniques de séquençage génétique, dont une méthode récemment mise au point, le séquençage PacBio HiFi, qui permet de déterminer avec précision la séquence de longues sections d'ADN.
Le fait de disposer d'un "génome de référence" complet facilite l'étude de la canne à sucre et permet aux chercheurs de comparer ses gènes et ses voies d'accès à ceux d'autres cultures bien étudiées, telles que le sorgho ou d'autres cultures intéressantes pour les biocarburants, comme le panic érigé et le miscanthus. En comparant cette référence à d'autres cultures, il devient plus facile de comprendre comment chaque gène influence un trait d'intérêt, par exemple quels gènes sont fortement exprimés pendant la production de sucre, ou quels gènes sont importants pour la résistance aux maladies. Cette étude a révélé que les gènes responsables de la résistance à la rouille brune, un champignon pathogène qui a déjà causé des millions de dollars de dégâts aux cultures de canne à sucre, ne se trouvent qu'à un seul endroit du génome.
"Lorsque nous avons séquencé le génome, nous avons pu combler une lacune dans la séquence génétique de la maladie de la rouille brune", explique Adam Healey, premier auteur de l'article et chercheur à HudsonAlpha. "Il y a des centaines de milliers de gènes dans le génome de la canne à sucre, mais il n'y a que deux gènes, travaillant ensemble, qui protègent la plante contre ce pathogène. Dans l'ensemble des plantes, nous ne connaissons qu'une poignée de cas où la protection fonctionne de la même manière. Une meilleure compréhension du fonctionnement de cette résistance à la maladie chez la canne à sucre pourrait aider à protéger d'autres cultures contre des agents pathogènes similaires à l'avenir.
Les chercheurs ont étudié un cultivar de canne à sucre appelé R570, utilisé depuis des décennies dans le monde entier comme modèle pour comprendre la génétique de la canne à sucre. Comme tous les cultivars modernes de canne à sucre, le R570 est un hybride issu du croisement de l'espèce domestique de canne à sucre (qui excelle dans la production de sucre) et d'une espèce sauvage (qui porte les gènes de résistance aux maladies).
"Connaître l'image génétique complète de R570 permettra aux chercheurs de savoir quels gènes descendent de quel parent, ce qui permettra aux sélectionneurs d'identifier plus facilement les gènes qui contrôlent les caractéristiques intéressantes pour améliorer la production", a déclaré Angélique D'Hont, dernier auteur de l'article et chercheuse sur la canne à sucre au Centre de coopération internationale en recherche agronomique pour le développement (Cirad).
L'amélioration des futures variétés de canne à sucre a des applications potentielles à la fois dans l'agriculture et dans la bioénergie. L'amélioration de la production de sucre par la canne à sucre pourrait permettre aux agriculteurs d'augmenter le rendement de leurs cultures, en produisant plus de sucre à partir d'un même espace de culture. La canne à sucre est une matière première importante pour la production de biocarburants, en particulier l'éthanol, et d'autres bioproduits. Les résidus qui restent après le pressage de la canne à sucre, appelés bagasse, sont un type important de résidus agricoles qui peuvent également être décomposés et convertis en biocarburants et en bioproduits.
"Nous cherchons à comprendre comment des gènes spécifiques des plantes sont liés à la qualité de la biomasse que nous obtenons en aval et que nous pouvons ensuite transformer en biocarburants et en bioproduits", a déclaré Blake Simmons, directeur scientifique et technologique du Joint BioEnergy Institute, un centre de recherche sur la bioénergie du ministère de l'énergie dirigé par Berkeley Lab. "Grâce à une meilleure compréhension de la génétique de la canne à sucre, nous pouvons mieux comprendre et contrôler les génotypes de plantes nécessaires pour produire les sucres et les intermédiaires dérivés de la bagasse dont nous avons besoin pour des technologies durables de conversion de la canne à sucre à une échelle pertinente pour la bioéconomie".
Cette étude a impliqué des collaborations avec des instituts du monde entier, notamment la France (CIRAD, UMR-AGAP, ERCANE), l'Australie (CSIRO Agriculture and Food, Queensland Alliance for Agriculture and Food Innovation/ARC Centre of Excellence for Plant Success in Nature and Agriculture - University of Queensland, Sugar Research Australia), la République tchèque (Institute of Experimental Botany of the Czech Academy of Sciences) et les États-Unis (Corteva Agriscience, Joint BioEnergy Institute). Le génome a été séquencé au JGI avec des travaux réalisés dans les laboratoires partenaires du JGI, l'Arizona Genomics Institute et l'HudsonAlpha Institute for Biotechnology.
Le Joint Genome Institute est une installation du Department of Energy Office of Science User Facility. Le Joint BioEnergy Institute est un centre de recherche en bioénergie du DOE.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
A. L. Healey, O. Garsmeur, J. T. Lovell, S. Shengquiang, A. Sreedasyam, J. Jenkins, C. B. Plott, N. Piperidis, N. Pompidor, V. Llaca, C. J. Metcalfe, J. Doležel, P. Cápal, J. W. Carlson, J. Y. Hoarau, C. Hervouet, C. Zini, A. Dievart, A. Lipzen, M. Williams, L. et al. "The complex polyploid genome architecture of sugarcane"; Nature, 2024-3-27
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