27 BIOLOGIE VÉGÉTALE Francjs-André WOLLMAN Président Steven Ball Hélène Barbier-Brygoo Stéphane Blanc Élisabeth Blee Alain Borgel Catherine Bayen Jean-François Briat Évelyne Coppin Dominique de Vienn Serge Delrot Christian Dumas Véronique Gomord Anne-Marie Justin Thierry Langin Yves Meyer Jacques Millet or29 Sni* to View Jean-Philippe Reichheld Dominique Roby Nicole Schwebe Marylin Vantard L’objectif de cette contribution est de présenter, aussi brièvement que possible, les principales facettes des recherches conduites dans le domaine de la biologie végétale, en ituant ses principaux enjeux pour le CNRS 2. nt intégré l’environnement microbien – (i) dans des relations de défense mobilisant des transductions de signaux particulièrement sophistiquées, – (ti) dans des symbloses uniques en leur genre (par exemple pour permettre la fixation de l’azote). Organismes photosynthétiques, les végétaux sont un modèle de choix dans les domaines de : 1. la bioénergétique puisqu’ils permettent d’étudier Vintégration métabolique de la respiration et de la photosynthèse ; 2. a photobiologie, tout particulièrement pour une compréhension du rôle de la lumière ans le développement du vivant, qu’il s’agisse par exemple de photosynthèse ou de photomorphogénèse. Organismes dotés de propriétés génétiques remarquables, les plantes sont une source privilégiée dans rétude : 1 . de la totipotence cellulaire (la capacité d’une cellule différenciée de se dédifférencier et de régénérer un organisme entier) ; 2. es phénomènes d’extinction génique qui se sont manifestés de façon spectaculaire à l’occasion des approches de transgénèse végétale. Ces processus se sont revélés fondamentaux dans la régulation de l’expression énétique chez les eucaryotes et sont à l’origine du mécanisme d’interférence ARN ; 3. de l’intégration de l’expression génétique cellulaire, puisqu’une cellule végétale comporte trois génomes distincts : nucléaire, chloroplastique et mitochondrial.
On peut ainsi étudier l’intervention du noyau dans l’expression génétique des or anites comme les rétroactions des organ- ssion PAGF OF variations de ploidie et des effets d’imprinting. Organismes qui représentent une très grande diversité phylogénétique, les eucaryotes photosynthétiques représentent divers roupes, chacun très anciens, d’un point de vue évolutif.
Il y a, par exemple, trois groupes parmi les organismes photosynthétiques qui ont évolué vers une organisation multicellulaire de façon indépendante : les streptophytes comprenant les plantes terrestres, les rhodophytes correspondant aux algues rouges et la lignée des hétérokontes correspondant aux algues brunes. • On trouvera ci-dessous une présentation des problématiques développées dans six aspects de notre discipline qui nous paraissent devoir retenir l’attention en termes stratégiques pour le bon développement de la recherche égétale au CNRS.
Deux des thèmes sont absolument transversaux en biologie. Le premier concerne les systèmes modèles et leurs usages, question particulièrement prégnante à l’heure des choix opérés dans les grands programmes de séquençage et du traitement à haut débit des données qu’ils génèrent. Le second s’intéresse à une question renouvelée par les limites des approches de génétique inverse, à savoir la part des déterminismes génétique et épigénétique dans la construction d’un phénotype.
Les quatre autres thèmes sur lesquels nous souhaitons insister recoupent les spécificités égétales d’intérêt général dans les sciences du vivant : Métabolisme, Transport et signalisation, Interactions Plantes-Microorganismes, Reproduction et Développ reproduction constituent un champ d’étude original, 592 0591-0604-Chap27 592 18/08/05, 27 – BIOLOGIE VÉGÉTALE 1 – LES SYSTÈMES MODÈLES ET LEURS USAGES L’utilisation de systèmes biologiques modèles est incontournable pour faire progresser la connaissance, en particulier pour accéder à la biologie d’un organisme dans son ensemble.
La place de plus en plus grande faite à la génétique a conduit à un recentrage rogressif sur des organismes présentant un cycle de reproduction court, facile à gérer en laboratoire et accessible à toutes les méthodologies de génétique classique et moléculaire. La rapidité avec laquelle les méthodologies ont été et sont développées est généralement fonction de la taille de la communauté scientifique travaillant sur l’organisme, car une certaine masse critique est nécessaire pour développer un système modèle et en assurer la pérennité. ?tant donné l’énorme investissement et la masse d’informations acquises sur les modèles traditionnels comme la drosophile, Arabidopsis haliana ou la levure Saccharomyces cerevisiae, étudiés depuis des décennies par une large communauté scientifique, il est impensable de ne pas maintenir une recherche sur ces modèles. Par contre, li erches biologiques végétaux travaillés dans les laboratoires de la section 27. ?? La brassicacée Arabidopsis thaliana a été initialement choisie pour la petitesse de son génome, le premier de plante entièrement séquencé (fin 2001 et le développement explosif des connaissances qui s’en est suivi irrigue actuellement toute la biologie végétale. On peut prévoir qu’Arabidapsis restera sans ucun doute l’organisme végétal le plus étudié pendant les prochaines années, et la communauté scientifique française occupe une place de choix dans les secteurs de la génomique et de la génétique fonctionnelle de cet organisme.
Cependant, même si l’intérêt de ce modèle reste entier, il ne peut pas couvrir la totalité des questionnements importants, tant sur les plans fondamentaux qu’économiques. Deux exemples parmi beaucoup d’autres sont fournis par l’étude de la photosynthèse et de la fixation symbiotique de l’azote. Chez les plantes et les microorganismes hotosynthétiques, il existe une homologie structurale et fonctionnelle au niveau des complexes membranaires qui constituent les photosystèmes responsables de la conversion de l’énergie lumineuse en énergie chimique.
La recherche s’est, à juste, titre focalisée sur les cyanobactéries (surtout Synechocystis sp. PCC6803 et dans une moindre mesure Anabaena), les bactéries pourpres (Rhodobacter et le modèle émergent Rubrivivax gelatinosus), les diatomées comme Phaeodactylum tricornutum ainsi que sur l’algue verte unicellulaire Chlam domonas reinhardtii. C’est dans le d éeulation de l’expression PAGF s OF domaine de la biogénèse des chloroplastes et de la synthèse des polysaccharides chez Chlamydomonas se développe bien.
Dans cette perspective, il nous paraît important de rappeler que la séquence complète du génome de Chlamydomonas reinhardtii est maintenant disponible. La fixation symbiotique de l’azote est propre aux légumineuses. Consciente des limites imposées par Arabidopsis en la matière, la communauté scientifique travaillant sur les interactions Rhizobium-plante s’est attachée ? promouvoir le modèle Medicago truncatula, une fabacée qui présente, comme Arabidopsis, ne grande facilité de culture et un petit génome.
Le faible niveau de microsynténie observé entre les légumineuses et Arabidopsis a motivé le développement de projets de 593 0591-0604-Chap27 593 18/08/05, 8:5646 RAPPORT DE CONJONCTURE 2004 séquençage du génome de M. truncatula. La France est aussi particulièrement bien placée pour la mise en place de la génomique de cette légumineuse. À côté des plantes supérieures et des micro-algues, les champignons filamenteux non pathogènes et les bryophytes représentent des modèles pour des créneaux thématiques originaux qui génèrent es connaissances de portée générale concernant l’inac nseènes, PAGF 6 OF ansenna.
Les laboratoires français ont un grand potentiel dans ce domaine qu’il s’agit de maintenir. La recombinaison homologue à haute fréquence dont fait preuve la bryophyte Physcomitrella patens, à l’inverse d’Arabidopsis, en fait un nouveau modèle végétal multicellulaire de choix. En effet, la recombinaison homologue permet l’interruption ciblée de n’importe quelle séquence, de même que sa substitution par n’importe quelle autre séquence homologue mutée.
Très (trop) peu d’équipes françaises travaillent ctuellement le modèle physcomitrella. Des algues multicellulaires appartenant à des lignées évolutives distinctes des Streptophytes, les algues brunes et rouges fournissent aujourd’hui des modèles émergents. Notamment la petite algue brune filamenteuse Ectocarpus siliculosus qui s’avère un modèle de génétique dans la lignée des hétérokontes, à même de contribuer à la compréhension du contrôle du développement de l’organisme entier.
Enfin, les plantes cultivées sont des objets d’étude incontournables, mais ne représentent pas des modèles de culture aisée sans infrastructure lourde. Ces ystèmes ont pourtant ? de nombreuses reprises servi de modèle pour le développement de nos connaissances non seulement en biologie végétale mais aussi en génétique au même titre que la drosophile ou la souris. Le degré de sophistication atteint par la génétique du mais n’a rien à envier à celle d’Arabidopsis ou de la drosophile.
Le riz dont le génome est à peine 3 à 4 fois lus ros que celui d’Arabidopsis co i ère secteur. • Sur le plan fondamental, la recherche chez Arabidopsis thaliana et Medicago truncatula est bien représentée en France à la fos quantitativement et qualitativement, mais les ?tudes portant sur les microalgues et la mousse Physcomitrella restent le fait d’un assez petit nombre de groupes.
Il semble important, au-del? de la recherche chez les plantes supérieures, de développer au moins un organisme modèle par grand groupe d’organismes photosynthétiques appartenant à des lignées distinctes, notamment des modèles d’organismes unicellulaires comme la cyanobactérie Synechocystis, l’algue verte Chlamydomonas reinhardtii, la diatomée Phaeodactylum tricornutum car l’importance écologique des diatomées est considérable (de l’ordre de 25 % de la fixation du carbone à la urface du globe) et des modèles multicellulaires comme la mousse Physcomitrella patens ou des macro-algues rouges et brunes.
Les compétences démontrées par les équipes étudlant le picophytoplancton ont conduit à l’isolement d’Ostreococcus taurii une nouvelle « levure verte » qui permet d’aborder l’après génome à travers un modèle photosynthétique simplifié dont la complexité génétique est inférieure à celle qui caractérise Saccharomyces cerevisiae. La séquence complète de ce génome est actuellement réalisée par un consortium d’équipes françaises et sera rapidemment disponible.
La génomique comparative des 4 génomes végétaux disponibles (Ostreococcus, Chlamydomonas, Arabidopsis et le riz) devrait s’avérer particulièrement éclairante dans le court et moyen terme. Quel que soit le modèle c PAGF 0591-0604-Chap27 594 des données fonctionnelles reste l’étape limitante. Il est bien sûr nécessaire de maintenir l’effort d’analyse génomique sur fonds publics, mais en même temps crucial de renforcer les capacités d’analyse post-génomique qui déboucheront sur la biologie et la physiologie intégrée des organismes.
La génération de ressources (banques de données génomiques t de séquences transcrites, banques de mutants et de lignées recombinantes) et leur mise ? disposition auprès de la communauté scientifique sont des étapes clefs dans lesquelles le CNRS doit s’investir en concertation étroite avec d’autres organismes de recherche comme l’INRA ou le CIRAD, en particulier pour les modèles d’intérêt agronomique. 2 – GÉNOTYPE ET PHÉNOTYPE Comment s’élabore un phénotype à partir d’un génotype ? Quelle est la part de variabilité phénotypique d’origine génétique ?
Quelle est l’importance, et quelles sont les bases génétiques des interactions génotype-milieu ? Ces questlons anciennes, centrales en biologie, et qui sous-tendent les pratiques de l’amélioration des plantes et de l’agronomie, peuvent aujourd’hui bénéficier de la connaissance de la séquence complète du génome de lantes modèles, et des outils ass mique certaines de ces collections, les bordures des éléments insérés ont été systématiquement séquencées, si bien que la caractérisation d’un mutant peut être obtenue par simple comparaison de séquences.
La France occupe une bonne position dans ce secteur, grâce aux efforts conjoints de l’INRA et du CNRS, dans le cadre de GDR successifs, uis de Génoplante. Mais il serait important de penser la suite de ce dispositif, pour que les efforts consentis depuis plus de 10 ans continuent de porter leurs fruits, en particulier face à des initiatives de l’importance du programme Arabidopsis 2010, coordonné par la NSF aux États-Unis.
Ces collections étaient censées permettre d’établir rapidement la fonction de la majorité des gènes d’Arabidopsis. Mais dès les premières études, il est apparu que le principal obstacle à cette démarche était la caractérisation du phénotype. Les analyses de descendance et e complémentation montrent que l’insertion dun ADN-T dans un gène n’induit une altération détectable que dans environ 5 % des cas, la moitié correspondant à des embryons létaux.
Trois hypothèses peuvent rendre compte d’une telle absence apparente de phénotype 1 . le gène intervient dans une fonction non indispensable dans les conditions du laboratoire ; 2. la fonction est essentielle, mais il y a redondance de gènes pour cette fonction (de nombreuses familles multigéniques existent chez les plantes, avec un nombre de membres souvent plus élevé que ch reanismes modèles) ;
