Cours1-Totipotence_chez_le_vegetal2011-2012.ppt

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

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 ?

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

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
« Technologies impliquant l’obtention et/ou l’utilisation
d’organismes génétiquement modifiés »
“Biotechnologies modernes”
(Protocole de Carthagène)

Biotechnologies
« Développement et application d’outils moléculaires dans différents
domaines relatifs à l’agronomie et la médecine »
•Science Museum/Science & Society Picture
Library

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

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

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

 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

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

S7 : Technologie et biotechnologie
végétales
Totipotence de la cellule végétale

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)

Gretchen Vogel, 2005

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
•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/~pdeberg
h/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
Organogénèse &
callogénèse

“La totipotence repose sur
l’aptitude à la dédifférenciation”
Sugimoto 2010 Dev Cell
Birnbaum 2008 Cell

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
 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

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

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

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

Sussex, Plant Cell 2008

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

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…

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 somatiques
à partir de cultures de
cellules “indifférentiées”
Birnbaum 2008 Cell

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

Meristème
Apex caulinaire
Nœud
Culture de
méristème
Enracinement
Plantules
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…)

“La totipotence repose sur
l’aptitude à la dédifférenciation” (?)
Sugimoto 2010 Dev Cell
Birnbaum 2008 Cell

Comprendre la nature des cellules
souches
 Notion de cellule souche en biologie végétale
 Notion de niche de cellule souche en biologie
végétale

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

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

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 root
meristem-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

Cours1-Totipotence_chez_le_vegetal2011-2012.ppt

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