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Thierry LANGIN Directeur de Recherche CNRS Directeur de lInstitut de Biotechnologie des Plantes Responsable du groupe « Maladies des Céréales » UMR 1095.

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1 Thierry LANGIN Directeur de Recherche CNRS Directeur de lInstitut de Biotechnologie des Plantes Responsable du groupe « Maladies des Céréales » UMR 1095 Génétique, Diversité, Ecophysiologie des Céréles

2 Contexte : Lagriculture mondiale doit trouver les moyens de pouvoir répondre à laugmentation des besoins en certaines productions végétales Par exemple, il est admis que la demande mondiale de céréales devrait augmenter denviron 50% au cours des 20 – 30 prochaines années Causes : Augmentation de la population mondiale Changement des habitudes alimentaires Nouvelles utilisations (Industries, chimie verte, biocarburants, …)

3 Solutions : - Augmenter les surfaces cultivées : possibilités limitées Les plus importants « réservoirs » de surfaces potentiellement cultivables existent en Afrique et en Amérique du sud (« Cerrados ») rendre à nouveau « cultivables » des zones polluées Adapter les plantes à la culture dans les zones arides - Augmenter les rendements - Augmenter la productivité changements de pratiques culturales mieux gérer la pression parasitaire (peut entrainer des pertes allant de qques % à presque 100%) et les besoins en eau (compétition entre besoins des populations/agriculture !)

4 Quelques éléments de contexte: Le Blé dans le monde, en Europe et en France Daprès ADAGE (JF Sousanna) Arvalis: colloque changement climatique: conséquences pour les grandes cultures et lélevage 22/10/2009 CIMMYT: consortium to raise yield potential 9-13/11/2009 Arvalis: marchés et competitivité 19/11/2009

5 Une demande croissante (population, mode de vie) et moins de terres: urgence pour lamélioration du rendement

6 LEurope et la France N°1

7 Les rendements stagnent malgré un progrès génétique….

8 Insuffisant pour compenser lévolution défavorable du climat Climat qui va devenir de plus en plus pénalisant

9 –Un objectif : Réduire les intrants de la culture de blé N = Importante charge financière –Coût direct : N 25% (indexée sur le pétrole) –Coûts indirects : augmente les risques de maladies et de verses interventions cultures N = Principale charge environnementale –Coût énergétique : N 60% (équivalent-pétrole) –Pollution des eaux de surface (NO 3 - ) –Gaz à effet des serre (N 2 O) –Une nécessité : Maintenir le rendement et la teneur en protéines N = Principal facteur limitant de la production de blé en Europe de louest N = Principal déterminant de la teneur en protéines et donc de la valeur dutilisation des blés Il faut optimiser lefficience dutilisation de lN et de sa conversion en teneur en protéines La filière doit tendre vers un équilibre environnemental - économique de la production de blés de qualité

10 Hier : objectif= produire le maximum - semer tôt, dense, -avec une variété productive (en général sensible aux maladies) -fertiliser pour éviter toute carence risques accrus de verse et de maladies usage intense des régulateurs de croissance et produits phytos Demain: objectif= maximiser la marge et minimiser les impacts environnementaux Pour réduire notablement les risques phytosanitaires, accepter une réduction dobjectif de rendement -Semer plus tard ou moins dense -réduire l alimentation azotée précoce moins de risques de verse et de maladies possibilité de réduire traitements fongicide et régulateurs de croissance -choisir la variété sur dautres critères que le rendement maxi, en particulier leur résistance aux maladies (daprès MH Jeuffroy, UMR Agronomie Grignon) Culture à hautes performances économiques et environnementales: une autre logique de conduite

11 Génétique et amélioration du blé Cibles et objectifs. I Potentiel de rendement (CIMMYT consortium) –Efficience de la photosynthèse: C3/C4, CO2 concentration, RUBISCO…. –Optimisation de lindice de récolte (harvest index: goal 0.6) Adaptation au changement climatique –Evitement: décalage du cycle au delà de lévolution subie (> 1 mois) –Tolérance aux stress thermique/hydrique: exploitation des ressources génétiques. –Potentiel de récupération post-stress

12 Génétique et amélioration du blé Cibles et objectifs. II Qualité du grain et des co-produits –Satisfaire la demande en quantité ET en qualité pour des usages diversifiés. –Teneur ET composition des protéines pour lalimentation humaine et animale –Qualité de lamidon pour lindustrie (matériaux bio-sourcés) –Co-produits (paille) pour bio-énergie? – Valeur santé

13 Génétique et amélioration du blé Cibles et objectifs. III Résistance/tolérance aux stress biotiques –Insectes: pucerons, cicadelles (virus ) cecidomyes… favorisés par la douceur des hivers –Virus (yellow dwarf, mosaic…) –Maladies fongiques: rouilles, septoriose, fusariose (mycotoxines) –Espèces invasives Enjeux pour la ferme France: réduction de 50% de lusage des pesticides (Ecophyto2018) –Économie # 40/ha x 5 Mha = 200 M/an –Et une meilleure qualité sanitaire (résidus) Compréhension des phénotypes, accélération du progrès génétique: sélection génomique, création didéotypes (virtual and real), exploitation des ressources génétiques….

14 Comment améliorer génétiquement une espèce végétale : Amélioration variétale classique Biotechnologies/Transgénèse

15 Amélioration variétale classique La plupart des spécialistes considèrent quil existe encore des marges de progression importantes pour certaines espèces végétales cultivées Exploitation de la variabilité génétique naturelle Croisements intra- et inter-espèces par recombinaisons génétiques Phase de domestication (depuis ans) - sélection inconsciente de quelques mutations : floraison groupée, grains nus qui ne tombent pas, avec nombre maximum plantes qui ne se maintiennent que grâce à l'homme domestication = perte de variabilité Téosinte (2,5cm) Epi de maïs hybride (30cm) ans

16 Amélioration variétale classique La plupart des spécialistes considèrent quil existe encore des marges de progression importantes pour certaines espèces végétales cultivées Exploitation de la variabilité génétique naturelle Croisements intra- et inter-espèces & recombinaison génétique Phase de domestication (depuis ans) - sélection « involontaire » de quelques mutations : floraison groupée, grains nus qui ne tombent pas, avec nombre maximum plantes qui ne se maintiennent que grâce à l'homme domestication = perte de variabilité Sélection variétale « moderne » (depuis fin de XIXème) -sélection généalogique des meilleures lignées dans la descendance -introduction de caractères de résistance aux maladies par rétrocroisement mais entrainant de nombreux gènes adjacents = génie génétique - sélection dite récurrente pour élargissement de la base génétique - Utilisation de lignées « mâle ou femelle-stérile » pour faciliter la construction de lignées hybrides - Utilisation de la « vigueur hybride » chez les plantes sans autofécondation -Sélection Assistée par Marqueurs ou SAM

17 Amélioration variétale classique La plupart des spécialistes considèrent quil existe encore des marges de progression importantes pour de certaines espèces végétales cultivées Exploitation de la variabilité génétique naturelle Croisements intra- et inter-espèces par recombinaisons génétiques Pbs : (i) Erosion des ressources génétiques (ii) Pour certaines espèces cultivées, il nexiste pas de ressources génétiques disponibles pour certains caractères dintérêt (résistance à certains stress biotiques ou abiotiques) (iii) Disparition des populations ou espèces sauvages « sources » Id : Compenser partiellement en générant une variabilité génétique « artificielle » par mutagénèse Agents mutagènes type RX, Ems, … Création de banques de mutants de Tilling Fusions de cellules

18 Biotechnologies/Transgénèse Quest ce quun organisme génétiquement modifié ou OGM ? Définition du Conseil des Communautés Européennes : "toute entité biologique capable de se reproduire ou de transférer du matériel génétique modifié d'une manière qui ne s'effectue pas naturellement par multiplication et/ou par recombinaison naturelle". « Cette technologie permet de faire ce que la nature ne nous a pas permis de faire jusquà maintenant et là commence le vrai débat » « Cette technologie permet de faire ce que la nature ne nous a pas permis de faire jusquà maintenant et là commence le vrai débat » (Pierre Tambourin, Directeur général du Génopole) PGM = Plantes Génétiquement Modifiées

19 Biotechnologies/Transgénèse Transgénèse/Sélection classique - Possibilité de n'introduire quun seul gène (ou un petit nombre de gènes), allèle sauvage ou allèle mutés in vitro exemple 1 : riz enrichi en pro-vitamineA dit riz "doré" - Possibilité dexprimer le ou les transgène(s) de façon tissus ou organes spécifique - Surmonter la barrière des espèces : introduction de gènes issus d'espèces +/- éloignées (nouvelle variabilité) exemple 2 : maïs résistant à la pyrale dit « maïs Bt » (Monsanto 801) - Créer de nouveaux gènes exemple 3 : vignes résistantes au court-noué

20 Biotechnologies/Transgénèse Comment fabrique-t-on un OGM ? 1- transfert direct dADN - Les méthodes électrochimiques (transformation de protoplastes) - électroporation - PEG - Les méthodes physiques (transfo de cellules, de tissus, dorganes…) - la biolistique - la microinjection 2- transfert par Agrobacterium tumefaciens Des techniques in vitro aux techniques in planta

21 Objectif : Amélioration de la valeur nutritive du riz/situation sanitaire de certains pays consommateurs - lutte contre la carence en vitamine A La carence en pro-vitamine A affecte environ 124 millions de personnes, répartis dans 118 pays, principalement en Afrique et en Asie S-E. Cette carence est responsable de 1-2 millions morts/an et de cas de cécité irréversible chez lenfant. Exemple 1 : Le riz doré

22 En 1992, deux chercheurs appartenant à un organisme public, Ingo Potrykus (Suisse) et Peter Bayer (Fribourg), ont le projet de reconstituer la voie de synthèse du carotène dans les grains de riz. Sortie du "Golden rice 1" en 2000 puis amélioration "Golden rice 2" en Libre de tout brevet (don des licences par Syngenta, etc…) Actuellement, plusieurs lignées transgéniques sont en cours d'essai au champ, aux USA et au Philippines (IRRI), avec lobjectif, si les essais sont concluants, dun passage dans les variétés locales Projet qui se heurte à une forte opposition de la plupart des mouvements « anti- OGM », Greenpeace en tête! ?

23 La pyrale est un papillon dont le chenille se nourrit à partir des tissus des tiges et des grains de maïs (maladie en recrudescence en Europe) Pas de résistance génétique 15 à 30 % des maïs traités chaque année par des insecticides présentant une toxicité certaine Solution alternative : utilisation dun insecticide « biologique » produit par une bactérie, le bacille de Thuringe (Bt) qui est connu depuis longtemps pour son efficacité sur la chenille processionnaire du pin s'est révélé très efficace contre la pyrale (et la sésamie) Développement dun insecticide « biologique » basé sur lutilisation de granulés avec bactérie inactivée (autorisée en agriculture biologique). Problèmes : Faisabilité des traitements dans les champs de maïs (hélicoptère) Coûts des traitements Exemple 2 : La résistance à la pyrale

24 Précautions : Evaluation de la toxicité des toxines Bt sur différentes populations dinsectes non pathogènes : existence dun spectre dhôte + ou – étroit Toxicité nulle chez les autres animaux et l'homme (pas de récepteur dans intestins) Stratégie : Introduction par transgénèse du gène de biosynthèse, Cry1Ab, sous contrôle dun promoteur permettant une production forte à très forte de la toxine Bt dans les feuilles et les tiges (6g/ha) et une production très limitée, mais non nulle, dans les grains (1ng/g) : Obtention de plantes résistantes à la pyrale via la production in planta de la Toxine Bt ( Amélioration possible avec la caractérisation de promoteurs à expression encore plus spécifique) Faire produire par la plante cet insecticide biologique :


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