Découvrir le génome du blé : un défi pour l'avenir

biotechnologie 15 | 02 | 2011

Découvrir le génome du blé : un défi pour l’avenir

Alors que la recherche sur le blé transgénique connaît un regain d’intérêt outre-Atlantique, la France détient encore quelques atouts de taille. Saura-t-elle les valoriser ?

Entretien avec Catherine Feuillet, Jacques Le Gouis et Gilles Charmet, de l’Unité mixte de recherche INRA-UBP Génétique, Diversité et Écophysiologie des Céréales, à Clermont-Ferrand.

Que peut apporter le séquençage du blé ?

Avant de répondre à cette question, il est nécessaire de resituer le contexte dans lequel s’inscrit la recherche sur les céréales, et plus particulièrement sur le blé. Cette céréale nourrit plus du tiers de la population mondiale. Avec le riz et le maïs, elle fournit plus de la moitié des calories et protéines absorbées quotidiennement. Avec une production annuelle de 682 millions de tonnes (dont 95 % correspondent à du blé tendre et 5 % à du blé dur), le blé est la céréale la plus cultivée au monde. Cependant, durant les dix dernières années, à sept reprises, la production annuelle n’a pas permis de satisfaire une demande en constante augmentation. D’une part en raison de l’accroissement démographique, d’autre part à cause d’une conjonction de facteurs unique dans l’histoire de l’agriculture et de l’humanité. Parmi ceux-ci, on trouve les changements d’habitudes alimentaires dans les grands pays émergents (notamment la Chine), dont la consommation de viande augmente et par conséquent aussi celle de céréales, puisque le blé sert également à nourrir les animaux. On trouve aussi l’augmentation des prix des fertilisants et des produits phytosanitaires – liés à celui du pétrole –, qui peut entraîner une baisse de leur utilisation ; la réduction des terres arables (86 000 ha sont perdus en France chaque année, soit l’équivalent de la surface d’un département tous les sept ans) ; la compétition accrue entre la production alimentaire et non alimentaire ; l’accroissement avéré des conditions climatiques défavorables à la production de blé. Résultat : les réserves de blé sont à leur plus bas niveau depuis 25 ans (67 jours de consommation, contre 130 jours dans les années 1980). L’augmentation de la demande de blé dans les pays en voie de développement est estimée à 60 % à l’horizon 2050, tandis que la réduction de la production pourrait y atteindre 29 % en raison du changement climatique. Au final, nous estimons que le besoin d’augmentation de la production agricole d’ici à 2050 implique une croissance annuelle d’environ 2 % [1].

Deuxièmement, nous devons pouvoir produire mieux, c’est-à-dire augmenter l’efficience d’utilisation des intrants (N, P, S) ou de l’eau, afin de contribuer à réduire l’impact de l’agriculture sur l’environnement. Nous devons également sélectionner des variétés plus tolérantes à la sécheresse, à l’échaudage, ou encore des variétés résistantes aux maladies fongiques, aux virus et aux insectes (cécidomyes, pucerons...). Bref, nous nous trouvons devant un défi formidable, qui consiste à produire globalement plus et différemment, dans un contexte où les marges de manoeuvre se réduisent et sur un pas de temps court. Plus que jamais, l’amélioration variétale est un impératif pour relever un tel challenge. Il faut continuer à développer de nouvelles méthodologies, de nouveaux outils et des ressources – telles que la séquence du génome – afin de permettre une meilleure efficacité et une plus grande précision du processus de sélection variétale, et d’établir de nouveaux schémas de sélection plus performants et à cycles plus courts.

Comment procéder ?

Tout d’abord, il faut mieux connaître le blé, ou plutôt, les différents blés ! Afin d’accompagner la sélection des nouvelles variétés, nous devons parvenir à une meilleure compréhension des bases génétiques, physiologiques et moléculaires, qui sous-tendent les caractères d’intérêt agronomique.

Pour avancer dans cette direction, l’accès à l’information de base, cachée au coeur du génome et des chromosomes du blé, est plus que jamais fondamental. De la même manière que la séquence du génome humain commence à délivrer ses secrets et à permettre de mieux soigner les hommes, l’accès à la séquence du génome du blé doit permettre de soutenir l’amélioration variétale. L’information de séquence est utile à plusieurs niveaux. D’une part, elle permet de développer de très nombreux marqueurs moléculaires, qui peuvent être utilisés pour accélérer la sélection dans le cadre de programmes de sélection assistée par marqueurs (SAM). D’autre part, elle permet de rendre beaucoup plus efficace l’identification du ou des gènes responsables de caractères d’intérêt agronomique. Il suffit de regarder ce qui s’est passé avec le riz, dont le nombre de gènes clonés a explosé depuis la publication de la séquence en 2004. L’accès au(x) gène(s) responsable(s) d’un caractère permet de soutenir l’amélioration variétale de plusieurs façons, qui peuvent être complémentaires. L’objectif du sélectionneur est de combiner les meilleures caractéristiques au sein d’une même variété. Avoir accès aux gènes permet de les combiner à partir de différentes variétés, en identifiant les meilleures formes (allèles) par SAM de façon beaucoup plus efficace (sélection de précision). Cela ouvre également la possibilité de les introduire directement par transgenèse, ce qui peut raccourcir grandement le cycle de sélection.

Enfin, il devient possible de rechercher de nouveaux allèles du ou des gènes concernés dans les collections de ressources génétiques. Au Centre de ressources biologiques de l’INRA Clermont-Ferrand, nous conservons et caractérisons depuis plusieurs années une collection de plus de 20 000 blés et espèces apparentées. Ils constituent une immense réserve de nouveaux allèles, qu’il faut pouvoir utiliser efficacement. Ainsi, l’accès à la séquence du blé nous permettra d’augmenter notre capacité à élargir les bases génétiques de cette céréale – que la sélection variétale repose sur des méthodes classiques ou qu’elle utilise les moyens les plus modernes des biotechnologies comme la transgenèse.

Ces ressources sont d’autant plus nécessaires que contrairement à ce qui se passe pour le maïs, dont la sélection est essentiellement tournée vers l’augmentation des rendements, l’amélioration du blé est complexe. En effet, il faut à la fois travailler sur le rendement et son potentiel, améliorer la résistance/tolérance aux stress biotiques et abiotiques, qui ne manqueront pas d’augmenter avec les effets du changement climatique, tout en maintenant les qualités exigées par les différents utilisateurs. Ces objectifs sont parfois antagonistes, d’où l’importance d’avoir accès à une information précise, qui permette de réaliser des combinaisons optimales.

Par rapport au maïs, le blé est-il à la traîne ?

Absolument ! Pour les autres espèces de céréales largement cultivées que sont le riz, le sorgho et le maïs, des années d’efforts et de gros investissements financiers ont déjà conduit à l’obtention de la séquence complète – ou partielle, mais ordonnée, en ce qui concerne le maïs – de leurs génomes. Ceci a grandement contribué à augmenter la possibilité d’analyser conjointement les données du génome et des caractères (lien génotype-phénotype), de cloner des gènes et de rechercher de nouveaux allèles dans les ressources génétiques. Cette nouvelle information, exploitée dans de grands programmes de sélection assistée par marqueurs et/ou pour le développement d’OGM, a d’ailleurs permis le maintien de l’accroissement des rendements chez ces espèces, alors que ceux du blé, céréale pour laquelle les sélectionneurs ne disposent pas de la même information, ont eu tendance à stagner.

Toutefois, il faut noter que s’il devient urgent de décrypter la séquence du blé, la tâche est loin d’être aisée ! Comparativement au riz, au sorgho ou au maïs, le génome du blé est en effet particulièrement difficile d’accès. D’une part, avec 17 milliards de bases distribuées sur 21 chromosomes, il est de très grande taille (5 fois plus grand que le génome du maïs et 40 fois plus grand que celui du riz). D’autre part, le blé est un organisme polyploïde, c’est-à-dire que chacune de ses cellules possède plusieurs génomes. C’est pourquoi la plupart des gènes existent en plusieurs copies. Dans le cas du blé tendre, trois génomes dits homéologues, dénommés A, B et D et issus de trois espèces ancestrales différentes, ont été rassemblés au sein de chaque cellule de blé par hybridation naturelle au cours de l’évolution. Enfin, le génome du blé est composé à 80 % de séquences répétées à des milliers d’exemplaires, et dont la fonction reste encore inconnue. Ces caractéristiques complexes rendent son analyse moléculaire et son séquençage difficiles et coûteux. C’est pourquoi le temps s’écoulant entre la découverte d’un caractère et la commercialisation d’une variété améliorée pour ce caractère est de 10 à 15 ans pour le blé, contre 4 à 6 ans pour le maïs et le soja.

Malgré ces difficultés, la communauté scientifique internationale travaillant sur le blé s’est organisée depuis 2005 autour d’un consortium international, l’International Wheat Genome Sequencing Consortium (IWGSC), dans lequel l’INRA de Clermont-Ferrand joue un rôle majeur. L’IWGSC a défini une stratégie qui comporte plusieurs étapes. Son objectif est d’obtenir une séquence de référence du génome du blé tendre. C’est-à-dire une séquence ordonnée, annotée et alignée sur les cartes génétiques de façon à ce que la position des gènes sur les chromosomes soit connue et puisse être mise en relation avec les phénotypes. Pour ce faire, il est prévu de travailler sur chaque chromosome individuellement afin de réduire la complexité d’analyse et d’optimiser le travail et les coûts, tout en gagnant en efficacité et en s’affranchissant des problèmes causés par la redondance génétique des chromosomes homéologues.

En réalisant en 2008 la première carte physique du plus gros chromosome du blé (le chromosome 3B, qui correspond à près de trois fois le génome du riz à lui seul), la France, à travers l’INRA et l’Unité mixte de recherche Génétique, Diversité et Écophysiologie des Céréales de Clermont-Ferrand, a été la pionnière dans ce domaine. Forte de cette réussite, l’Unité a récemment décidé de passer à l’étape suivante, c’est-à-dire au séquençage complet de ce chromosome. Ce projet (3BSEQ), financé par l’Agence nationale de la recherche (ANR) et par FranceAgriMer, est en cours de réalisation avec le Génoscope et l’Unité de bio-informatique de l’INRA-Versailles depuis avril 2010.

Emboîtant le pas à la France, d’autres pays ont réussi à obtenir des financements afin de démarrer le même travail sur les autres chromosomes.

Les techniques modernes de séquençage ont-elles évolué ?

Depuis quelques années, nous vivons une véritable révolution de ces techniques, qui sont plus rapides, et capables de générer des quantités gigantesques de séquences (de l’ordre de plusieurs milliards de bases en une seule fois). Et ce pour un coût bien plus faible que les techniques classiques.

Cependant, lorsqu’il s’agit de séquencer de grands génomes complexes tels que celui du blé, ces techniques, dont la longueur de lecture est jusqu’à présent plus limitée que celle des techniques utilisées auparavant, ne permettent pas pour le moment de produire des séquences de référence d’une qualité équivalente à celles produites pour le riz, le sorgho et le maïs. Un travail substantiel reste donc à accomplir afin d’obtenir une séquence de référence du génome du blé tendre.

Et pourtant, la presse a annoncé en août dernier qu’une équipe anglaise avait enfin réalisé le séquençage du blé...

C’était aller un peu vite ! Certes, les équipes du Pr Keith Edwards et du Dr Gary Barker, de l’École des sciences biologiques de l’Université de Bristol, du Pr Neil Hall, de l’Université de Liverpool, et du Pr Mike Bevan, du Centre John Innes, ont généré un jeu de séquences courtes qui représente en nombre de bases l’équivalent de cinq fois le génome complet du blé. Ces séquences brutes, non assemblées et non ordonnées, complètent les approches antérieures de séquençage des parties exprimées du génome (EST). Elles sont particulièrement adaptées et utiles au développement de nouveaux marqueurs utilisables à haut débit et couvrant l’intégralité du génome.

Cependant, contrairement à ce qui a été annoncé dans une partie de la presse internationale, il ne s’agit en rien d’une séquence assemblée et ordonnée équivalente à celles obtenues pour le riz, le sorgho et le maïs ! Le travail réalisé par les équipes anglaises correspondrait, pour un lecteur d’encyclopédie en plusieurs volumes, à avoir accès à tous les mots contenus dans ces volumes, mais sans les phrases. S’il est indéniable que cette séquence est utile et contribue à l’effort global, le chemin est encore long, et les efforts nécessaires, très supérieurs à ceux engagés à l’heure actuelle au niveau international, pour atteindre l’objectif d’une séquence complète du génome du blé tendre. Si les séquences partielles fournissent des marqueurs, seule une séquence complète permet de relier précisément l’information de séquence à celle des phénotypes pour les caractères d’intérêt agronomique travaillés par les sélectionneurs.

L’accès à la séquence seule n’est toutefois pas suffisant pour obtenir l’amélioration des caractères. Il faut qu’il s’accompagne de programmes de recherche et de développement qui permettent d’identifier les régions des chromosomes responsables des caractères-cibles. Cela demande un très gros effort de mesure des caractères (phénotypage), qui doit devenir aussi efficace que celui du génotype, de conduite d’analyses génétiques à large échelle et avec une précision bien plus importante que celle que nous connaissons actuellement. Enfin, il faut développer des populations permettant ces analyses précises et une meilleure caractérisation des ressources génétiques afin d’en améliorer l’utilisation.

C’est dans cet objectif que la communauté scientifique publique et les compagnies impliquées dans la sélection du blé en France travaillent depuis des années, dans le cadre de projets de collaboration soutenus par l’ANR (Genoplante), les ministères (Fonds unifié inter-ministériel) et la profession (Fonds de soutien à l’obtention végétale). Ces projets ont permis des avancées significatives dans la connaissance et le développement d’outils en appui à la sélection du blé (comme la carte physique du premier chromosome de blé, le développement de nouveaux marqueurs, la cartographie génétique de caractères d’intérêt tels que l’efficacité de l’utilisation de l’azote, la teneur en protéines, la création de ressources pour la génétique d’association, la caractérisation des ressources génétiques, etc.). Mais leur envergure reste modeste au regard des défis évoqués plus haut.

Alors que la recherche sur le blé a été généralement délaissée au profit de celle sur le maïs, aux États-Unis, elle semble amorcer un tournant. Plusieurs entreprises – notamment Monsanto – ont relancé des programmes qui paraissent ambitieux. Qu’en pensez-vous ?

Monsanto a en effet lancé un nouveau programme sur le blé, pour un budget de 100 millions de dollars sur 10 ans. Les autres acteurs majeurs du secteur (Bayer, Syngenta, Pioneer...) réinvestissent aussi massivement dans la recherche sur le blé.

Ce regain d’intérêt est du principalement à deux facteurs. D’une part, les producteurs de blé du Canada, d’Australie et des États-Unis ont fait part en 2009 de leur volonté de voir des blés transgéniques améliorés afin de résister aux maladies et à la sécheresse mis sur le marché, afin d’endiguer la perte de compétitivité du blé par rapport aux autres plantes cultivées. D’autre part, les travaux de la communauté scientifique effectués depuis 15 ans montrent que l’accès au génome du blé n’est plus une mission impossible. Ce regain d’intérêt est une bonne nouvelle en soi. Reste à savoir s’il sera durable. En effet, ce n’est pas la première fois que ces compagnies investissent considérablement dans le blé, pour renoncer quelques années plus tard, les retours sur investissements n’étant pas assez rapides. L’amélioration du blé a besoin d’une vision à long terme.

Y a-t-il un risque que l’Europe prenne du retard, comme c’est déjà le cas pour les maïs transgéniques ?

Le retard n’est pas tant du côté scientifique que du côté de la mise sur le marché des produits issus des biotechnologies. L’Europe – et la France en particulier – est actuellement à la pointe en ce qui concerne la recherche sur le blé. Mais si la France veut rester compétitive dans le concert mondial et continuer à jouer un rôle économique et scientifique majeur, ce que nous avons déjà réalisé doit être poursuivi, et ce dans une tout autre dimension. À l’heure où les plus grandes firmes semencières internationales réinvestissent massivement dans la recherche sur le blé, il faut que la France se donne les moyens de soutenir de son côté des projets de grande envergure, associant toute la filière (de la recherche fondamentale jusqu’aux sélectionneurs et utilisateurs), afin de pouvoir potentialiser les acquis, profiter des nouvelles révolutions technologiques et réaliser un saut quantitatif et qualitatif, qui permettra à la filière blé française de rester au meilleur niveau de compétitivité internationale au sein d’un système de production durable et répondant aux enjeux de l’agriculture du XXIe siècle.

C’est-à-dire, concrètement ?

Concrètement, il faudrait pouvoir mettre en place un programme ambitieux qui intègre des efforts substantiels de séquençage afin de permettre le développement de marqueurs moléculaires couvrant tout le génome du blé, ainsi que des efforts majeurs de génotypage et de phénotypage à haut débit, complétés par des analyses écophysiologiques. Ceci permettrait de réaliser des analyses de génétique d’association, qui identifieraient les régions du génome influençant les caractères-cibles tels que le rendement et la qualité, dans un contexte d’adaptation au changement climatique.

Il faut aussi pouvoir travailler sur de nouvelles méthodologies de sélection, et pouvoir évaluer l’impact socio-économique de nouveaux idéotypes issus de ce type de programme. Idéalement, ce programme devrait être développé sur le long terme (environ 10 ans) afin d’avoir le temps de créer et d’évaluer de nouvelles variétés de blé. Il devrait également être capable de rassembler les forces vives de recherche et développement sur le blé en France, tant du côté public que du côté privé. L’INRA, et notre unité en particulier, sont prêts à relever le défi. En espérant que les pouvoirs publics maintiendront leur soutien et que l’opinion comprendra la nature réelle des enjeux.

[1J. Dixon, H. J. Braun, J. Crouch, in Wheat Facts and Futures 2009, J. Dixon, H. J. Braun, P. Kosina, Eds. (CIMMYT, Mexico, 2009), pp. 1-19.

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