Génomique et post-génomique végétale Des programmes de recherche au cœur des problématiques de biotechnologie végétale

Biotechnologies Transformation de matière première en biens ou services par le moyen d’organismes vivants » Technologies impliquant l’obtention et/ou l’utilisation d’organismes génétiquement modifiés Développement et utilisation de techniques de cultures in vitro dans différents domaines relatifs au végétal et à l’amélioration variétale» Développement et application d’outils moléculaires dans différents domaines relatifs à l’agronomie et la médecine

Biotechnologies Développement et application d’outils moléculaires dans différents domaines relatifs à l’agronomie et la médecine

Programmes de génomique végétale Programmes de séquençage Objectif affiché : offrir aux semenciers de nouveaux outils d’amélioration, associés à des brevets Développement d’outils « haut débit » Espèces modèles Extension des programmes à d’autres espèces

Qui finance les programmes de génomique ? Filières professionnelles Sofiproteol, Unigrains, Limagrain, Euralis, RAGT, Biogemma, Bayer Syngenta, Monsanto Financements publics INRA, CNRS, IRD, ARVALIS Gouvernements US, japonais, chinois, canadien, français, indien.. Génoplante Séquençage du génome du riz

Concrètement Achevés : Arabidopsis (2000), Riz (2002), Peuplier (2006) En cours : Tomate, Blé, Colza, Pomme de Terre…

Post-génomique Exploitation des séquences Facteurs génétiques Résistance aux bioagresseurs Caractéristiques agronomiques Qualité des produits Dépôt de brevets

Collections systématiques de mutants Phénomique Séquençage Bioinformatique Séquençage du génome Prédiction in silico (initialement 40 % d’erreurs) cDNA complets EST Annotation fonctionnelle Transcriptomique Prédiction in silico Analyse de mutants Régulations transcriptionnelles Génétique classique Génétique inverse Génétique inverse systématique Collections systématiques de mutants Phénomique

Les outils de la génomique fonctionnelle Transcriptomique Bioinformatique Collections de mutants Phénomique Investissement importants en parallèle des programmes de séquençage Génoplante SALK institute RIKEN GABI-KAT

Exemple du programme Génoplante Travaux sur le génome de plantes : maïs, colza, blé, tournesol, pois Arabidopsis Outils de génomique Banques BAC, microsatellites Développement d’outils bioinformatiques Outils de génomique fonctionnelle Plateformes « transcriptome » / « proteome » / « métabolome » Collections de mutants T-DNA et RNAi Tilling

Exemple du modèle Arabidopsis

Transcriptomique Puces à ADN (microarrays) Principe : Technologie privée Affymetrix Technologie académique CATMA Principe : fixer sur un support des fragments d’ADN spécifiques de chaque cDNA Hybrider un pool d’ARN extrait d’un tissu d’une lignée donnée dans une condition donnée et marqué à l’aide d’un fluorophore Évaluer pour cet échantillon d’ARN le niveau d’expression de la quasi-intégralité des gènes (dans le cas d’Arabidopsis)

Exemple : expression tissulaire d’un gène codant une proline déshydrogénase

Exemple : régulation par un agent pathogène d’un gène codant une proline déshydrogénase

Transcriptomique Objectifs : Comprendre globalement les phénomènes de régulation de l’expression Disposer d’une banque de données d’informations sur l’expression de chaque gène  fonctions potentielles

Collections de mutants

Quels mutants ? Mutagenèse chimique Mutagenèse par irradiation Nombre important de mutations, mutations ponctuelles Mutagenèse chimique Mutagenèse par irradiation Mutagenèse insertionnelle Perte de fonction Gain de fonction RNAi Nombre important de mutations, mutations ponctuelles + délétions plus larges Faible nombre de mutations Insertions Extinction de familles de gènes Simple pour les plantes non-modèles

Génétique classique Sélectionner un processus biologique Générer une population aléatoire de mutants Cribler la population de mutants pour isoler quelques mutants d’intérêt Cartographier et cloner le gène muté

Génétique inverse Tilling « Deleteagene TM » PCR Générer une collection de mutants Isoler des graines correspondant à la mutation d’un gène donné Tilling « Deleteagene TM » PCR Caractériser le phénotype du mutant

Phénotypage de mutants Parfois phénotype évident (la cause biochimique peut l’être beaucoup moins) Parfois le phénotype du mutant est difficile à identifier

Génétique inverse systématique Générer une collection systématique et non redondante de mutants dont la mutation est caractérisée Caractériser les phénotypes de l’ensemble de la collection pour une condition expérimentale donnée Outils de « phénomique » Génétique inverse systématique Génétique inverse Isoler des graines correspondant à la mutation d’un gène donné Caractériser le phénotype du mutant

Phénomique Des outils en développement… Chaque puit correspond à un mutant différent hormone herbicide

Outils Internet d’exploration des données de génomique

Exemples pour Arabidopsis Séquences : Site du National Center for Biotechnology Information (NCBI) Généralités sur Arabidopsis TAIR Transcriptome eFP Browser Collections de mutants SALK Institute GABI-KAT INRA Versailles

Identifier l’accession d’un gène correspondant à une enzyme

Accession du gène : At3g30775 Arabidopsis thaliana ADN génomique, chromosome 3 Numéro du gène sur le chromosome

Rentrer l’accession du gène

Cliquer sur un (le) locus proposé

Vérifier que la fonction référencée est bien celle attendue

Séquence cDNA contenant l’ORF Séquence génomique Organisation introns-exons Existence de mutants (privilégier la recherche par le moteur de recherche du SALK)

Liens avec des outils bioinformatiques permettant de connaître les résultats de transcriptomique liés au gène en question

eGFP Un exemple d’outil de visualisation de données transcriptomiques chez Arabidopsis thaliana

Vérifier que l’accession du gène est correcte Autres conditions expérimentales

T-DNA express Un outil pour identifier l’existence de mutants T-DNA dans les différentes collections mondiales de graines d’Arabidopsis thaliana

Design d’amorces pour caractériser les mutants T-DNA SIGnALT-DNA

Entrer l’accession du mutant