Des technologies au service de l'optimisation des cultures

Des techniques modernes de sélection basées sur la connaissance du génome facilitent la recherche de résistance variétale aux agresseurs.

Le mildiou de la pomme de terre, responsable de la grande famine d'Irlande dans la première moitié du XIXe siècle, ou le retour récent des invasions de criquets rappellent à quel point l'homme a dû et doit faire preuve d'ingéniosité pour assurer sa nourriture à travers les techniques de l'agriculture. L'identification, au sein des populations naturelles, de plantes ayant à la fois la capacité à produire les produits recherchés mais aussi à résister, au moins en partie, à ces agresseurs a été le premier geste du sélectionneur. La création de conditions culturales favorables à ces plantes à travers le travail du sol, la fumure, les rotations, le choix des densités et des dates de semis, la taille, l'irrigation entre autres, ont été les premiers gestes de l'agronome. Ces activités se sont poursuivies au cours des siècles pour répondre à la fois aux besoins grandissants d'une population croissante et plus exigeante en qualité, et à l'adaptation des agresseurs à l'écosystème agricole façonné par l'homme.

Les sources d'amélioration variétale

Des mécanismes adaptatifs

Les plantes ont, au cours du temps, développé des défenses (parfois sous forme de composés toxiques) ou des adaptations contre les attaques des organismes qui les consomment et les colonisent, en même temps que ces mêmes organismes développaient les moyens de contourner ces défenses et de faire de cette adaptation un avantage compétitif dans leur lutte pour la vie. De nombreux mécanismes adaptatifs existent qui régissent les relations plante/parasite et participent soit à une meilleure tolérance ou une absence de sensibilité de l'hôte, soit à la capacité pour le parasite à reconnaître et coloniser son hôte.

À la recherche de gènes de résistance dans les populations végétales

Bien que la sélection variétale ait, au cours du temps, amélioré sensiblement la résistance aux agressions biotiques(1), la recherche de critères de rendement et de qualité mais aussi de nouvelles sources de résistance est un travail sans fin. L'apparition de nouveaux parasites liée aux développements des échanges globaux et aux bouleversements climatiques ainsi que l'adaptation incessante des parasites nécessitent de rechercher de nouveaux gènes de résistance. Ces gènes se trouvent dans des populations anciennes maintenues dans des collections, dans des populations sauvages, dans des populations issues des bassins d'origine des organismes invasifs et chez des plantes apparentées. Cette dernière origine est très répandue et, malgré des difficultés techniques propres aux croisements interspécifiques, elle a permis d'introduire dans les plantes cultivées de nombreux gènes de résistance employés aujourd'hui avec succès (par exemple en tomate, avec Solanum peruvianum pour des gènes de résistance aux virus et aux nématodes). Le croisement avec des plantes apparentées a souvent pour conséquence de changer défavorablement un certain nombre de caractères importants comme le rendement, la qualité ou le goût des variétés. Il faut donc un travail de sélection intense et de l'ordre de plusieurs années, voire dizaines d'années, pour revenir à une variété commerciale, agronomiquement performante et acceptée par les consommateurs, tout en conservant le ou les gènes de résistance de l'espèce apparentée.

La variété de pomme 'Ariane' obtenue par le centre Inrae à Angers et inscrite au catalogue officiel en 2005 en est un bon exemple. Elle est le résultat de nombreux croisements commencés en 1943 à partir de Malus floribunda aux États-Unis et repris en France en 1979. Cette variété possède une résistance aux races communes de tavelure, mais aussi des qualités visuelles et gustatives. Sa culture s'est accompagnée d'une réduction significative pouvant atteindre 50 % de l'emploi de fongicides au cours de son cycle de culture.

Générer des mutations aléatoires

Une autre approche toujours employée aujourd'hui a été de créer des mutations aléatoires dans les génomes des variétés cultivées avec des agents chimiques mutagènes ou une source de rayonnement radioactif afin de perturber le système de reconnaissance qui régit l'interaction entre la plante et certains de ses parasites. Les nombreuses mutations induites par ces techniques peuvent aussi générer de nouvelles caractéristiques agronomiques intéressantes telles que la résistance à la verse (maïs), à certains herbicides (tournesol, colza, betterave...) ou à l'égrenage (colza) mais impliquent néanmoins un travail de sélection soigné pour ne pas perdre les caractéristiques utiles de la plante d'origine, car nombre des mutations obtenues ont, par contre, un effet délétère.

Des technologies modernes pour aider la sélection

Séquençage du génome à haut débit

Si les sélectionneurs et les généticiens ont appris à utiliser les outils de la biologie moléculaire depuis de nombreuses années pour établir des cartes génétiques ou tenter d'identifier les gènes à la base des interactions plante-parasite, un certain nombre de technologies ont conjointement permis une accélération des méthodologies utilisées jusqu'alors pour améliorer la résistance des plantes vis-à-vis de leurs agresseurs.

À partir de 2005, le séquençage du génome à haut débit, développé initialement par le projet de séquençage du génome humain, a permis une amélioration cruciale des techniques de séquençage et d'assemblage des génomes. Cela a diminué d'un facteur 10 000 les coûts d'obtention d'informations précises sur la carte physique du génome de nombreuses espèces. Ainsi le génome de nombreuses espèces cultivées a pu être décrypté, même celui d'espèces à génome imposant et complexe comme celui du blé. De même, le génome de certains champignons parasites (y compris obligatoires) et de certains insectes a été séquencé ou est en train de l'être dans le cadre de consortiums associant recherche privée et recherche publique au niveau international. C'est le cas par exemple du génome de la rouille du soja, parasite majeur en Amérique latine séquencé en 2019. Le consortium a associé l'Inra et l'université de Lorraine (France), l'Embrapa et l'université fédérale du Viçosa (Brésil), l'université d'Hohenheim et l'université RWTH d'Aachen (Allemagne), le Sainsbury Laboratory (Royaume-Uni), le Joint Genome Institute (États-Unis), KeyGene, Syngenta, Bayer et la fondation 2Blades.. Il est maintenant possible de séquencer des lignées présentant des caractéristiques différentes pour quelques centaines d'euros et d'accéder à une compréhension nouvelle de la composition et de l'organisation des génomes à l'origine de ces caractéristiques. Les réductions drastiques des coûts de séquençage sont telles qu'il est souvent moins coûteux et plus rapide de séquencer que de phénotyper.

Automatisation et extension du phénotypage

Des technologies, en cours de développement, utilisent différents types de capteurs capables de mesurer de subtiles variations de composition, de couleur ou de comportement de la plante qui peuvent échapper à l'oeil humain, même exercé. L'utilisation de robots plus ou moins sophistiqués permet de multiplier ces mesures et de les calibrer. À la suite de leur miniaturisation et leur amélioration continue, ces technologies, d'abord étudiées au laboratoire sur des systèmes modèles, prennent désormais le chemin des champs pour participer au processus de sélection. Par exemple, en France, le projet Fus'Eye, démarré en 2018 et rassemblant quinze partenaires tant publics que privés, vise à mettre au point un nouvel outil de phénotypage spectral portable pour quantifier la fusariose sur épi sur céréales. Un tel outil permettrait d'identifier et de caractériser plus facilement de nouvelles sources de résistances à la fusariose ; le projet Phenaufol, démarré en 2017 par l'Institut technique de la betterave (ITB), l'Irstea (aujourd'hui Inrae) et l'UMR Agroécologie de Dijon, vise à automatiser la détection, l'identification et la quantification des maladies foliaires de la betterave. Une fois mise au point, une telle technologie permettrait de développer à court terme des outils d'aide à la décision, voire d'application pilotée, mais aussi en sélection.

Ces nouveaux outils décuplent la capacité du sélectionneur à identifier de nouveaux phénotypes intéressants et lui permettent aussi de détecter des variations faibles du comportement des plantes derrière lesquelles se cachent des gènes complémentaires permettant de parfaire la résistance obtenue.

Exploitation des « big data » et modèles

La génération de quantités massives de données à l'aide des outils précédents de séquençage et phénotypage ne serait que modestement utile sans la capacité à les stocker, à les rendre accessibles, à les regrouper ou à les organiser et enfin à réaliser des analyses sophistiquées. La mise à disposition de systèmes exploitant la puissance de calcul et de stockage de serveurs informatiques distants par l'intermédiaire de réseaux (appelée aussi Cloud Computing) a permis d'accélérer cette révolution par la réduction des coûts de stockage, la facilité de mise en oeuvre et la flexibilité apportée dans la gestion et le traitement des données.

L'utilisation de modèles mathématiques associés à des puissances de calcul informatique importantes permet d'analyser rapidement ces données pour en extraire les informations les plus sophistiquées. C'est ainsi que se sont développées, dans les cinq dernières années, dans le domaine végétal des études d'associations pangénomiques (Genome-Wide Association Studies ou GWAS) permettant de lier les variations génétiques d'un grand nombre de plantes d'une population avec les caractères phénotypiques que l'on souhaite étudier, dans le cas présent, la résistance ou la sensibilité à un parasite. La qualité des données enregistrées ainsi que la capacité, grâce à des traitements mathématiques appropriés, à réduire, voire éliminer le bruit de fond permettent d'identifier des gènes nouveaux mineurs mais participant à une résistance polygénique souvent source de durabilité. Un bon exemple d'un tel développement est l'identification chez le poivron de nouveaux gènes de résistance au virus Y de la pomme de terre par les équipes de l'Inrae(2).

L'haplo-diploïdisation

Une autre technologie, aux racines plus anciennes que la biologie moléculaire car initiée en 1964, a aussi vu des progrès considérables dans sa mise en oeuvre : l'haplo-diploïdisation. Différentes techniques de culture in vitro (culture d'anthères, de microspores ou de pollen, culture d'ovaire ou induction par croisement interspécifique) permettent d'obtenir en une génération des plantes haploïdes puis diploïdes parfaitement homozygotes pour l'ensemble de leur génome et donc des lignées fixées alors que le travail classique du sélectionneur demande de six à sept générations et plusieurs années pour aboutir à ce résultat. Ces techniques qui peuvent fournir plusieurs centaines, voire plusieurs milliers de lignées fixées à partir d'un seul croisement ont aussi pour avantage de pouvoir fixer des allèles récessifs qui peuvent participer aux phénomènes de résistance. Un autre avantage est la possibilité, après un cycle de sélection moléculaire ou non, de renouveler très rapidement de nouveaux croisements visant à accumuler de nouveaux gènes de résistance et donc d'accélérer la création de plantes rassemblant l'ensemble des caractères recherchés.

Une optimisation de la sélection

Si la mise en pratique conjointe de l'ensemble des techniques décrites ci-dessus permet d'identifier rapidement et efficacement de nouveaux gènes impliqués dans la résistance aux agresseurs, l'utilisation de ces mêmes techniques permet aussi de faire progresser rapidement l'utilisation de ces gènes dans les lignées et les hybrides commerciaux proposés aux agriculteurs.

Dans le cas de résistances monogéniques ou verticales, l'intérêt principal de ces technologies est, dans la mesure où l'on a pu identifier le gène responsable ou une séquence très proche physiquement, de permettre d'identifier des recombinaisons génétiques favorables proches sur le chromosome du gène responsable sans pour autant perdre la résistance recherchée. Ceci est particulièrement important dans le cas où les régions chromosomiques très proches du gène de résistance ont une influence négative importante sur le caractère élite des descendants.

Ces méthodes ont encore plus d'intérêt dans le cas de résistances horizontales ou quantitatives, ou lorsque des résistances à plusieurs parasites sont recherchées simultanément, ce qui est communément le cas. La connaissance précise de l'ensemble des gènes impliqués dans la ou les résistances grâce au génotypage permet d'élaborer des stratégies de pyramidage de ces gènes de résistance, et de suivre précisément dans les croisements et leur descendance la présence ou non des gènes impliqués. Ces stratégies permettent à la nouvelle variété de résister à plusieurs races du même ravageur en même temps et donc d'obtenir une résistance plus efficace et plus durable. Le développement des capacités de génotypage à haut débit, parfois même sur la graine, permet de choisir avec plus de sagacité les géniteurs engagés dans les futurs croisements, augmentant les chances d'obtenir des lignées élites présentant à la fois des caractéristiques agronomiques performantes, des qualités technologiques ou organoleptiques recherchées et les résistances aux parasites souhaitées. Dans ce « Rubik's Cube » génétique, la capacité à suivre les gènes comme on suit les couleurs est un atout majeur pour le sélectionneur.

La robotisation et l'automatisation à grande échelle des processus et donc la réduction des coûts de ces technologies permettent la sélection assistée par marqueurs qui, autorisant un premier tri des descendants à un stade précoce en conditions de serre, optimise les tests en conditions réelles au champ, réservant ces tests aux individus qui présentent les signatures géniques les plus prometteuses. Cette approche permet d'accélérer les cycles de sélection, accroissant d'autant les chances de voir émerger des variétés rassemblant le maximum de caractères souhaités.

Enfin, la collection systématique de toutes les informations recueillies au cours de ces cycles croisement/sélection, que ce soit par génotypage ou par phénotypage de précision, permet leur analyse rétrospective et des stratégies de croisements ciblées.

Les premiers pas vers l'ingénierie génique

Des plantes génétiquement modifiées par transgenèse dès 1980

Depuis les débuts de la transgenèse végétale dans les années 1980, des résistances aux agresseurs ont été obtenues, dont les plus connues et exploitées commercialement sont les résistances aux insectes basées sur l'introduction de gènes de Bacillus thuringiensis (BT) dans le cotonnier, le maïs, le soja et quelques autres plantes moins cultivées comme l'aubergine. La résistance à un certain nombre de virus a aussi été obtenue à partir de 1986 par l'introduction d'un gène permettant l'expression par la plante d'une protéine de l'enveloppe virale du virus que l'on souhaite combattre. De même, de nombreux gènes de résistance aux bactéries et champignons ont été clonés et réintroduits soit dans la même espèce, soit dans une autre espèce végétale, démontrant ainsi l'origine moléculaire de cette résistance. Cependant, le manque d'acceptation sociétale des organismes génétiquement modifiés (OGM) et les procédures strictes d'homologation de ces OGM ont fortement limité, à quelques exceptions près comme la papaye (Hawai) et le haricot (Brésil), l'utilisation commerciale de ces plantes résistantes aux virus, bactéries et champignons. En effet, les coûts et les durées nécessaires pour obtenir une homologation devenant prohibitifs, les sociétés commerciales se sont détournées de cette approche pourtant prometteuse. La multiplication de ces études a néanmoins permis une compréhension affinée des mécanismes des résistances ainsi que des stratégies de contournement observées chez certains parasites.

Les techniques d'édition du génome

Découvertes et développées ces dernières années, les techniques d'édition du génome (CRISPR-Cas9 et analogues) permettent des modifications extrêmement précises du génome in situ, et de s'affranchir du caractère transgène et à insertion aléatoire des OGM commerciaux. Le fait qu'aucun ADN étranger à la plante modifiée ne soit introduit ou demeure dans son génome et que, dans les cas présentés aux autorités, les modifications obtenues puissent être observées dans la nature, a facilité l'homologation des plantes obtenues dans certains pays comme le Brésil, les États-Unis, l'Argentine, le Japon, l'Australie ou Israël. Selon la réglementation européenne basée sur l'état des avancées scientifiques du siècle dernier, les variétés cultivées issues de techniques modernes de modification génétique (transgenèse, mutagenèse dirigée, mutagenèse aléatoire in vitro...) sont des OGM. Le caractère OGM est donc évalué selon la méthode d'obtention et non les caractéristiques du produit final. Les variétés OGM sont soumises aux dispositions de la directive 2001/18/CE. Ces dispositions limitent fortement les éventuels développements commerciaux. La commission européenne étudie le cas de nouvelles techniques apparues depuis vingt ans et pourrait éventuellement faire une nouvelle proposition de directive (décision UE 2019/1904 du Conseil européen du 8 novembre 2019)(3).

Exemples d'applications

Ces technologies ont permis de générer de nouvelles formes de résistance à certains virus pouvant infecter la plante, en modifiant des gènes codant pour des protéines végétales essentielles pour la réplication de ces virus. Par ailleurs, des chercheurs chinois ont modifié les six allèles (deux pour chacun des trois génomes ancestraux du blé tendre) de sensibilité à l'oïdium chez le blé, le rendant ainsi résistant à ce pathogène. Ce type de technologies est particulièrement intéressant pour les plantes à multiplication végétative comme la banane et un grand nombre de fruits dont les variétés ont été sélectionnées pour leurs caractéristiques organoleptiques ou technologiques. Elles permettent, entre autres, d'utiliser les connaissances obtenues sur des plantes modèles ou des plantes apparentées pour mieux cibler les efforts sur les cultivars élites(4).

Les techniques d'édition du génome rendent possible le regroupement autour d'un locus donné de plusieurs gènes de résistance dispersés dans le génome (résistance horizontale), facilitant le processus de sélection. Elles permettent aussi de créer de nouveaux allèles de gènes de résistance par l'utilisation d'une plateforme de mutagenèse spécifique d'une région précise du génome basée sur CRISPR appelée EvolvR(5).

L'utilisation de CRISPR n'en est qu'à ses débuts et il y a fort à parier que, dans quelques années, l'utilisation de cette technologie va révolutionner nos connaissances et nos stratégies de protection des plantes.

Un levier à l'importance croissante

Si la résistance des plantes cultivées à leurs agresseurs a toujours été un sujet important pour les sélectionneurs, son importance ne fait que se renforcer devant les nombreux défis que représente une agriculture moins gourmande en produits phytopharmaceutiques et plus respectueuse des équilibres naturels, mais aussi confrontée chaque année à de nouveaux organismes nuisibles. La connaissance approfondie des mécanismes régissant les relations entre les plantes et leurs agresseurs ainsi que le développement des technologies décrites ci-dessus offrent de nouvelles perspectives pour des stratégies de défense beaucoup plus spécifiques et une résilience plus forte des systèmes agronomiques dont nous dépendons. Le maintien d'un panel de solutions variées tant génétiques que phytopharmaceutiques reste cependant nécessaire pour garantir aux agriculteurs une capacité à produire en qualité et en quantité.

(1) Voss-Fels K.P. et al., 2019, Nature Plants n° 5, p. 706-714.(2) Tamisier L. et al., 2020. Molecular Plant Pathology n° 21, p. 3-16.(3) Voir « Des techniques de mutagenèse soumises à la réglementation OGM », Phytoma n° 732, p. 4-5.(4) Dong O., Ronald P., 2019. Plant Physiology n° 180, p. 26-38.(5) Halperin S. et al., 2019. Nature n° 560, p. 248-252.