Les plants de riz dépendent de la lumière du soleil, mais ils ne l’utilisent pas toujours à bon escient. Une nouvelle étude montre qu’une réécriture en douceur de leur code de contrôle peut augmenter la production photosynthétique naturelle de la culture et favoriser des récoltes plus abondantes.
Dhruv Patel-Tupper et ses collègues de l’ Innovative Genomics Institute , à l’ Université de Californie à Berkeley , ont utilisé CRISPR/Cas9 pour réorganiser de courts segments d’ADN régulateur en amont d’un seul gène de riz, PsbS, et ont observé la plante augmenter ses propres niveaux de protéines sans aucune trace de matériel génétique étranger.
Pourquoi le riz mérite l’attention
Un cinquième de l’apport calorique mondial provient du riz, ce qui fait de cette céréale un filet de sécurité irremplaçable pour des milliards de personnes.
La demande augmente plus rapidement dans les régions déjà confrontées à une pénurie d’eau et à des conditions météorologiques irrégulières, de sorte que chaque once supplémentaire récoltée dans les champs existants compte.
Près de 733 millions de personnes ont souffert de la faim en 2023, un chiffre que les Nations Unies qualifient d’« obstinément élevé » malgré une production alimentaire record. Les rendements du riz ont augmenté, mais le rythme d’amélioration a ralenti, la reproduction atteignant des plafonds biologiques.
Les scientifiques savent depuis longtemps que l’efficacité photosynthétique de la plupart des cultures peut encore être améliorée.
Une plante dissipe généralement l’excès de lumière sous forme de chaleur pour éviter les dommages, une soupape de sécurité appelée extinction non photochimique qui est régie par PsbS.
Des expériences transgéniques antérieures sur le tabac ont montré que la surexpression de PsbS réduisait la consommation d’eau de 25 % en conditions réelles. Ces gains suggèrent que l’activation du même gène chez le riz pourrait améliorer l’efficacité de l’utilisation des radiations et le rendement.
Ajuster le variateur génétique
La modification génétique traditionnelle intègre de nouveaux gènes dans le génome, mais cela entraîne une longue réglementation dans de nombreux pays.
L’équipe de Berkeley a plutôt ciblé l’ ADN régulateur cis qui se comporte comme un variateur, décidant quand et avec quelle force un gène natif s’active.
« Des outils comme CRISPR/Cas9 accélèrent notre capacité à affiner l’expression des gènes dans les cultures, plutôt que de simplement supprimer des gènes ou de les désactiver », a déclaré Patel-Tupper.
Leur objectif était audacieux : augmenter l’expression plutôt que de supprimer des gènes, une tâche plus difficile car la nature conserve déjà les gènes utiles à un niveau proche de leur optimum.
Huit guides CRISPR coupent les régions flanquantes du promoteur et la zone non traduite 5′, permettant ainsi à la machinerie de réparation de la plante de mélanger les fragments.
Chez environ un pour cent des semis édités, un segment a inversé son orientation, une inversion qui a, de manière inattendue, turbochargé la transcription de PsbS de deux à trois fois.
« Les changements dans l’ADN qui ont augmenté l’expression des gènes étaient bien plus importants que ce à quoi nous nous attendions », a noté Patel-Tupper.
Les analyses de protéines ont confirmé des pics correspondants dans l’abondance de PsbS, tandis que le séquençage de l’ARN n’a trouvé que 104 autres gènes déplacés, soit moins de 0,2 pour cent du génome.
Du laboratoire à la rizière
Des tests en serre sous une lumière rouge intense ont montré que les plantes PsbS boostées dissipaient l’énergie supplémentaire plus rapidement tout en maintenant un apport en carbone stable.
Des températures de pointe des feuilles réduites par un refroidissement non photochimique plus élevé, un avantage secondaire qui peut protéger les cultures pendant les pics de chaleur.
Les mesures des échanges gazeux ont révélé une augmentation de 11 % de l’efficacité intrinsèque de l’utilisation de l’eau, rejoignant ainsi les travaux antérieurs sur le tabac. Un comportement stomatique plus efficace signifie que les plantes libèrent moins de vapeur d’eau par molécule de dioxyde de carbone capturée.
Il est important de noter que la croissance de la plante entière et le remplissage des grains correspondaient ou dépassaient les témoins non modifiés lorsque les plantes étaient élevées jusqu’à maturité dans une serre ensoleillée.
Cette découverte suggère que la photoprotection ajoutée n’entraîne pas de pénalité sous une lumière modérée, contrairement à certaines lignées de surexpression transgénique qui manquaient d’énergie.
Le séquençage à lecture longue de l’équipe a permis de retracer l’allèle le plus performant jusqu’à une inversion de duplication de 252 kilobases qui a laissé les gènes voisins intacts.
De telles modifications importantes mais chirurgicales étaient autrefois considérées comme rares, mais de nouvelles données de lecture longue suggèrent qu’elles pourraient être des résultats étonnamment courants de ruptures CRISPR dans des régions répétitives.
Raccourcis réglementaires et avantages pour les agriculteurs
Étant donné que l’édition réorganise l’ADN natif et supprime la machinerie CRISPR par le biais de la sélection, les régulateurs américains classent la lignée résultante comme non réglementée, ouvrant ainsi la voie plus rapide aux essais sur le terrain.
De nombreux pays suivent une norme similaire basée sur les produits, de sorte que les agriculteurs pourraient voir les semences par saisons plutôt que par décennies.
Ce travail permet également d’éviter le malaise du public face aux « gènes étrangers ». Les consommateurs obtiennent une variété génétiquement identique au riz , dont la seule différence réside dans la puissance de lecture d’un gène naturel.
Pour les sélectionneurs, l’allèle se comporte comme n’importe quel trait conventionnel : il peut être croisé dans des variétés locales sans transgènes persistants.
Cette flexibilité est cruciale en Asie, où plus de 200 000 cultivars de riz différents sont cultivés sur des sols et des climats divers.
Un pas modeste contre la faim
À elle seule, une augmentation de deux fois la valeur de PsbS ne suffira pas à éliminer la faim dans le monde, mais l’association de ce trait avec d’autres modifications qui réduisent la photorespiration ou améliorent l’absorption d’azote pourrait aggraver les gains.
Les modèles informatiques du consortium RIPE prédisent que l’intégration de plusieurs ajustements photosynthétiques pourrait augmenter les rendements du riz de 20 pour cent sous une lumière fluctuante sur le terrain.
Même l’efficacité progressive est importante lorsque les extrêmes climatiques menacent les récoltes et que les ressources en eau d’irrigation diminuent. Si chaque point de pourcentage de rendement protège quelques millions de personnes des déficits caloriques, les bénéfices sont rapidement appréciables.
Les efforts futurs
L’étude offre également un modèle pour éditer l’ADN en amont d’autres gènes photosynthétiques à copie unique, dont beaucoup restent inactifs à midi lorsque le stress atteint son maximum.
Aller au-delà de la mutagenèse aléatoire et s’orienter vers des réaménagements rationnels des promoteurs pourrait permettre de débloquer des traits que les sélectionneurs n’avaient jamais osé rechercher auparavant.
Patel-Tupper voit une leçon plus large : les plantes tolèrent les grands réarrangements bien mieux que les animaux, offrant aux ingénieurs une « marge de manœuvre » génomique inhabituelle.
Exploiter cette plasticité de manière responsable pourrait accélérer la transition vers une agriculture intelligente face au climat sans provoquer de blocage réglementaire.
L’étude est publiée dans Science Advances .
