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

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

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 !)

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

Une demande croissante (population, mode de vie) et moins de terres: urgence pour l’amélioration du rendement

L’Europe et la France N°1

Les rendements stagnent malgré un progrès génétique….

Insuffisant pour compenser l’évolution défavorable du climat Climat qui va devenir de plus en plus pénalisant Insuffisant pour compenser l’évolution défavorable du climat

La filière doit tendre vers un équilibre environnemental - économique de la production de blés de qualité 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 (NO3-) Gaz à effet des serre (N2O) Une nécessité : Maintenir le rendement et la teneur en protéines N = Principal facteur limitant de la production de blé en Europe de l’ouest N = Principal déterminant de la teneur en protéines et donc de la valeur d’utilisation des blés Il faut optimiser l’efficience d’utilisation de l’N et de sa conversion en teneur en protéines

Culture à hautes performances économiques et environnementales: une autre logique de conduite 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 d’objectif 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 d’autres critères que le rendement maxi, en particulier leur résistance aux maladies (d’après MH Jeuffroy, UMR Agronomie Grignon) Diapo à remettre en forme 10

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 l’indice de récolte (harvest index: goal 0.6) Adaptation au changement climatique Evitement: décalage du cycle au delà de l’évolution “subie” (> 1 mois) Tolérance aux stress thermique/hydrique: exploitation des ressources génétiques. Potentiel de récupération post-stress

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 l’alimentation humaine et animale Qualité de l’amidon pour l’industrie (matériaux bio-sourcés) Co-produits (paille) pour bio-énergie? Valeur santé

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 l’usage 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 d’idéotypes (virtual and real), exploitation des ressources génétiques….

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

Amélioration variétale classique La plupart des spécialistes considèrent qu’il 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 7-9000 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 6000 - 9000 ans Téosinte (2,5cm) Epi de maïs hybride (30cm)

Amélioration variétale classique La plupart des spécialistes considèrent qu’il 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 7-9000 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

Amélioration variétale classique La plupart des spécialistes considèrent qu’il 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 n’existe pas de ressources génétiques disponibles pour certains caractères d’intérêt (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

Biotechnologies/Transgénèse Qu’est ce qu’un 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 jusqu’à maintenant et là commence le vrai débat »  (Pierre Tambourin, Directeur général du Génopole) PGM = Plantes Génétiquement Modifiées

Biotechnologies/Transgénèse Transgénèse/Sélection classique - Possibilité de n'introduire qu’un 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 d’exprimer 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

Biotechnologies/Transgénèse Comment fabrique-t-on un OGM ? 1- transfert direct d’ADN - Les méthodes électrochimiques (transformation de protoplastes) - électroporation - PEG - Les méthodes physiques (transfo de cellules, de tissus, d’organes…) - la biolistique - la microinjection 2- transfert par Agrobacterium tumefaciens Des techniques in vitro aux techniques in planta

Exemple 1 : Le riz doré 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 500 000 cas de cécité irréversible chez l’enfant.

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 2004. 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 l’objectif, si les essais sont concluants, d’un passage dans les variétés locales Projet qui se heurte à une forte opposition de la plupart des mouvements « anti-OGM », Greenpeace en tête! ?

Exemple 2 : La résistance à la pyrale 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 d’un 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 d’un insecticide « biologique » basé sur l’utilisation de granulés avec bactérie inactivée (autorisée en agriculture biologique). Problèmes : Faisabilité des traitements dans les champs de maïs (hélicoptère) Coûts des traitements

Faire produire par la plante cet insecticide biologique : Précautions : Evaluation de la toxicité des toxines Bt sur différentes populations d’insectes non pathogènes : existence d’un spectre d’hôte + 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 d’un 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)