Principales techniques et applications Vitrotechniques Principales techniques et applications

Micropropagation

Micropropagation Apex de tige ou bourgeons latéraux, Procédure en trois étapes (Murashige, 1974) I : établissement du tissu en conditions d’asepsie II : multiplication de tiges feuillées III: formation de racines et conditionnement de propagules avant transfert en serres Clonage très fidèle et très efficace 200 000 rosiers à partir d’un bourgeon

Multiplication par bourgeons axillaires Micropropagation Multiplication par bourgeons axillaires Acta agriculturae slovenica, 83 - 2, november 2004 Multiplication par bourgeons adventifs Problèmes : vitrification (hyperhydricité liée à la production d’éthylène)

Applications Horticulture, Sylviculture, Agronomie Micropropagation Applications 32 millions de plants en 2004 en Allemagne Horticulture, Sylviculture, Agronomie Les « grands succès » économiques Banane Orchidées Pomme de Terre Rhododendron Fraisier Conservation de la biodiversité plantes carnivores

Winkelmann et al. 2006 Plant Cell Tiss Organ Cult

L’industrie de la micropropagation Gain de place Affranchissement des saisons Rapidité Qualité sanitaire et homogénéité Pour certaines espèces : pas d’autres solutions

Exemples de PME réalisant de la micropropagation Vivai Battisitini (Italie) 20 hottes à flux laminaire 60 000m2 de serres 3 chambres de culture 4 000 000 plants vendus chaque année Multiplication Assainissement Création variétale Technivit (Bourges)

Micropropagation Bioplant (Belgique) En 2004 en Allemagne : 8 des 32 entreprises font 92 % de la production, avec pour chacune > 1 000 000 plants /an Lecture conseillée : Traud Winkelmann et al. Commercial in vitro plant production in Germany in 1985–2004. Plant Cell Tiss Organ Cult (2006) 86:319–327

Assainissement de lignées Culture de méristèmes Assainissement de lignées

Obtention de lignées saines Principe : les méristèmes sont indemnes de virus (travaux de P. Limasset) Culture de méristèmes Quelques 1/10 mm Régénération de plantes saines Attention : les lignées sont toujours sensibles à des infections ultérieures !!!

Applications Espèces à reproduction végétative pomme de terre, bananier, artichaut, fraisier… Normes sanitaires internationales Premiers succès dans les années 50 Service proposé par la plupart des sociétés de biotechnologies végétales

Embryogenèse somatique

Embryogenèse somatique Génération d’un embryon à partir d’un méristème, d’un cal ou de suspensions

http://www.botanic-garden.ku.dk/eng/forskning/vaev2.htm

Embryogenèse somatique Pour mémoire : l’embryogenèse zygotique Source : http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL3530/DB_Ch07/fig7_5.jpg

Masses de cal renfermant des cellules initiales d’embryons somatiques Exemple : la luzerne Explants = Pétioles Embryogenèse somatique Mise en culture 2,4-D + kinétine 25°C 3 semaines, photopériode 16h, 75 µE Masses de cal renfermant des cellules initiales d’embryons somatiques Dispersion en milieu liquide B5 (2,4-D + kinétine) 7 jours Tamisage : fraction 200-500 mm transférée sur milieu solide Développement des embryons : 5-7 jours http://www.plant.uoguelph.ca/research/embryo/synseeds.htm

Premier milieu de maturation (sucrose) Embryogenèse somatique Premier milieu de maturation (sucrose) Second milieu de maturation (ABA, 3 jours) Rinçage, deshydratation (15% H2O) Conservation : 1 an Source : Crop Science, University of Guelph

Vers l’identification de régulateurs de l’embryogénèse somatique … Pour le critère d’embryogénèse somatique spontanée, par screening sur une population de plantes dont la mutation ‘gain de fonction’ est inductible par un traitement chimique , identification du gène WUSCHEL

Comprendre la nature des cellules souches Notion de cellule souche en biologie végétale Notion de niche de cellule souche en biologie végétale

Les gènes WUSCHEL et CLAVATA au coeur du processus d’embryogénèse somatique

Les gènes WUSCHEL et CLAVATA au coeur du processus d’embryogénèse somatique

Embryogenèse somatique Applications Obtention de semences pour des variétés stériles (ex: pommes de terre polyploïdes, bananier…) Semences « d’élite » pour des espèces allogames Solution pour la conservation d’espèces tropicales dont les semences sont dites « récalcitrantes » à la déshydratation Obtention rapide de semences « d’élite » pour des espèces ligneuses Possibilité de cultures en réacteurs : production de semences artificielles à grande échelle (gymnospermes)

Dans le cadre d’Agrotransformations Embryogenèse somatique Dans le cadre d’Agrotransformations Plant Cell Rep (2009) 28:1385–1397 1391

Semences artificielles (synseeds) Embryogenèse somatique Semences artificielles (synseeds)

Embryogenèse somatique Feijoa sellowiana

Non-conformité de la multiplication Vitrovariation Non-conformité de la multiplication

La vitrovariation Les plantes régénérées à partir de cals, de protoplastes ou de feuilles ne sont pas toujours des clones parfaits: instabilité chromosomique, aneupleuïdies différences morphologiques

Clone V Clone C Clone A Clone B diploide Clone B chimère trisomique Clone C diploïde Clone C trisomique J.-L. Fourré et al. Theor Appl Genet (1997) 94: 159–169

J.-L. Fourré et al. Theor Appl Genet (1997) 94: 159–169

Utilisation de la vitrovariation Mise à profit de la variation somaclonale dans le cadre de programmes de sélection Sélection de cals tolérants à des stress Augmentation artificielle de la variabilité Traitements chimiques Radiations Base de données sur les variétés issues de « mutation breeding » http://www-infocris.iaea.org/MVD/.  42 variétés en France

Création de variabilité Mutagenèse et « mutation breeding »

Phénotypes travaillés type compact couleur des fruits autofertilité  absence de graines précocité, date de maturité des fruits résistance aux maladies  :

Exemples à l’INRA d’Angers UMR Génétique et Horticulture INRA/INH/Université d’Angers Equipe : Méthodologie de la sélection et innovation variétale (A. Cadic) Arbres ornementaux : GIE Saphinov Pommier : SARL Novadi

Amélioration d’une plante ornementale : le Caryopteris Le SAPHINOV est un GIE de pépiniéristes impliqué dans des collaborations avec l’INRA d’Angers concernant la séléction variétale Caryopteris x clandonensis 'Inoveris' Heavenly Blue Caryopteris x clandonensis 'Inoveris' Grand Bleu® Peu de variabilité dans les populations Micropropagation et mutagenèse par irradiation

1er prix New Plants 99 - Paris Vitropropagation (mise au point) 1er prix New Plants 99 - Paris INRA/SAPHINOV. Diffusion SAPHO Irradiation de bourgeons : rayons γ (60Co) (trouver la dose adéquate) Acclimatation, obtention de graines Régénération des plantules Semis et sélection sur la nouvelle génération Sélection des mutants Acclimatation, croissance Stabilité des caractères Perte des caractères (????) Commercialisation

1972 Micropropagation et mutagenèse par irradiation © INRA, A. Cadic 'Courtalyn' WEEK-END ® Forsythia variété 'Lynwood'. Hybridation classique © INRA, A. Cadic © INRA, A. Cadic 'Courtacour' BOUCLE D'OR 'Courtasol' MAREE D'OR ®

Apport des biotechnologies dans l’amélioration du Bananier Variétés polyploïdes, stériles, fortement hétérozygotes Multiplication végétative L’amélioration génétique par croisement est impossible Presque toutes les variétés de bananes et de plantain découlent de mutations spontanées

Mutagenèse par irradiation de vitroplants de bananiers Sélection de mutants de petite taille, à fructification précoce Possibilité de 4 récoltes tous les 2 ans (au lieu de 3) PROF. KSHANIKA SANNASGALA HIRIMBUREGAMA Colombo, Sri Lanka Source FAO

Problème de l’irradiation de tissus méristématiques : obtentions de chimères Solution (chez le bananier): Embryogénèse à partir de suspensions cellulaires Démonstration que les embryons somatiques sont issus de cellules uniques Irradiation de suspensions de cellules embryogéniques γ γ

Quand même…on peut espérer des caractères ‘positifs’ Application d’une toxine qui joue le rôle d’effecteur pour un pathogène Sélection de lignées de cals résistants à la toxine Sengor et al. Plant Growth Regul (2009) 58:201–209

Quand même…on peut espérer des caractères ‘positifs’ Régénération et observation des caractères de résistance sur les plantes cultivées au champ Sengor et al. Plant Growth Regul (2009) 58:201–209

Sauvetage d’embryon

Incompatibilité du porte graine Sauvetage d’embryons Incompatibilité du porte graine Les semences hybrides sont viables mais le développement ne peut se faire sur le pied mère Régénération de la plante par culture in vitro de l’embryon Exemple de la triticale (Triticum x Secale)

Préparation, applications Protoplastes Préparation, applications

Protoplastes Protoplastes Définition : cellule de plante, de bactérie ou de champignon débarrassée de sa paroi

Isolement de protoplastes Vieille école : Rupture mécanique des parois Milieu isotonique Milieu hyperosmotique Faible rendement

Isolement de protoplastes Milieu isotonique Milieu hyperosmotique Digestion enzymatique: Cellulase Pectinase Paroi primaire : 20-30% cellulose 70-80 % hémicellulose et pectine

Purification de protoplastes vivants morts, déchets Filtration Tamis successifs 100 à 30 µm Rinçages Flottement sur coussin de saccharose Saccharose 20%, 100g Contrôles Mortalité : Bleu Evans Viabilité : Florescein Diacetate (FDA) Théoriquement > 80 % viabilité

Culture de protoplastes Couche mince, milieu liquide Composition des milieux Milieux MS (Murshige et Skoog), B5 (Gamborg)… Maintenir un potentiel osmotique bas Glucose 0,35 M Glucose + mannitol Doses élevées d’hormones Deux auxine fortes (2,4-D + ANA) + cytokinine Premiers temps à l’obscurité : éviter l’oxydation

Intérêt des protoplastes Transformation génétique Régénération de plantes à partir de cultures de protoplastes Etudes d’échanges de métabolites Fusion de protoplastes

Fusion de protoplastes Fusion spontanée (soja, maïs) Ca2+ pH basique PEG Choc électrique

Comment trier les hybrides ? Protoplastes Comment trier les hybrides ? Exemple : fusion entre un protoplaste de poireau et un protoplaste de choux rouge Thlaspi + tiges étiolées de B. napus cultivé à l’obscurité http://www.snv.jussieu.fr/vie/ Theor Appl Genet (1999) 99:761–771 Mais aussi : résistance à des xénobiotiques, auxotrophie tri sur des caractères morphologiques

Comment se répartit le matériel génétique ? Protoplastes Comment se répartit le matériel génétique ? noyaux mitochondries chloroplastes hybrides somatiques (addition des noyaux) Cybrides (cytoplasmes hybrides)

Application agronomique Protoplastes Application agronomique Collonier et al. 2003 Plant Science Solanum melongena Ralstonia solanacearum Verticillium dahliae sensibilité Bonne tolérance Solanum sysimbrifolium Problème: fécondation croisée inefficace

Mélanger les deux préparations dans une boite de Petri Protoplastes Collonier et al. 2003 Plant Science Confection de protoplastes à partir de 500 mg de feuilles de chaque espèce Ajustement de la densité à 3.5 105 / ml dans 0.5M mannitol + 0.5mM CaCl2 Mélanger les deux préparations dans une boite de Petri Alignement : courant alternatif 15s, 230, V.cm-1, 1 MHz Fusion : courant continu 2*45s 1200 V.cm-1

Après le choc électrique : milieu de culture + 0.4 M de glucose Protoplastes Collonier et al. 2003 Plant Science Après le choc électrique : milieu de culture + 0.4 M de glucose + PEG 250 mg/l + hormones : 2,4-D, zeatin, NAA Milieu neuf : 2,4-D + BAP 7 jours à l’obscurité 15 jours à la lumière Milieu de multiplication sans hormones Milieu de régénération de tiges : zéatine et IAA Sélection des hybrides (400) cal 22 plants régénérés

Comment être sûr qu’il s’agit d’hybrides ? Protoplastes Comment être sûr qu’il s’agit d’hybrides ?

Détermination de la ploïdie par cytométrie en flux Protoplastes Collonier et al. 2003 Plant Science Détermination de la ploïdie par cytométrie en flux 4 hybrides

Morphologie des hybrides Protoplastes Collonier et al. 2003 Plant Science Morphologie des hybrides

Dénombrement des chromosomes respectifs Protoplastes Collonier et al. 2003 Plant Science Dénombrement des chromosomes respectifs GISH : Genomic In Situ Hybridization sonde : ADN de S. sysimbrifolium « coloré » à la fluoresceine Contre coloration : iodure de propidium 24 chromosomes de chaque

Origine des gDNA et cpDNA Protoplastes Origine des gDNA et cpDNA Collonier et al. 2003 Plant Science RAPD pattern (Random Amplification of Polymorphic DNA) Les ADN génomiques sont tous les deux présents Random Amplified Polymorphism of DNA Cleaved Amplified Polymorphic Sequence CAPS pattern (Cleaved Amplified Polymorphic Sequences) Les chloroplastes sont de S sysimbrifolium !!

Tolérance au flétrissement bactérien causé par Ralstonia Protoplastes Collonier et al. 2003 Plant Science Tolérance au flétrissement bactérien causé par Ralstonia S. melongena S. sysimbrifolia Hybride Collonier et al. 2003 Plant Science

Un autre exemple pour la phytoremédiation du zinc Brewer et al. Theor Appl Genet (1999) 99:761–771

Brewer et al. Theor Appl Genet (1999) 99:761–771

Haplo/diploïdisation Androgenèse, Gynogenèse

Des haploïdes : pourquoi faire ? Haplo/diploïdisation Des haploïdes : pourquoi faire ? Recherche de mutations récessives Haplo/diploïdisation : homozygotie 100% Des homozygotes : pourquoi faire ? Outil de sélection : espèces autogames  variétés lignées pures espèces allogames  obtention de parents d’hybrides Descendances en ségrégation pour analyses QTL

Obtention de plants haploïdes Haplo/diploïdisation Obtention de plants haploïdes In vivo Apparitions spontanées (rares) Méthodes particulières de pollinisation pollen irradié pollinisation croisée entre génotypes incompatibles In vitro Culture de gamétophytes immatures

Haplo/diploïdisation Androgenèse Limite : albinisme dans certains cas Développement sporophytique (haploïde) par culture des gamétophytes mâles Cultures d’anthères ou de microspores isolées

Haplo/diploïdisation Gynogenèse Développement sporophytique de gamétophytes femelles  obtention de plants haploïdes Culture in vitro d’ovaires ou d’ovules Pollinisation croisée Utilisation de pollen irradié Parthénogenèse in situ

Doublement des chromosomes Haplo/diploïdisation Doublement des chromosomes Spontané (parfois) Utilisation d’agents mitoclasiques Blocage de la polymérisation des microtubules Colchicine Oryzaline Contrôle de la ploïdie Cytométrie en flux

Obtention d’haploïdes de pommier Haplo/diploïdisation Source : http://www.angers.inra.fr/dossiers/haploidie/ Obtention d’haploïdes de pommier Le pommier : un matériel génétique difficile à étudier: Cycle reproductif lent (période juvénile 5-7 ans) Autostérilité Impossible d’obtenir des lignées 100% homozygotes par la sélection classique Obtention de lignées haploïdes Doublement chromosomique

Obtention des haploïdes Haplo/diploïdisation Source : http://www.angers.inra.fr/dossiers/haploidie/ Obtention des haploïdes Fécondation avec du pollen irradié à 200 Gy Récolte des graines et semis Première étape : sélection des haploïdes

Micropropagation des haploïdes Haplo/diploïdisation Source : http://www.angers.inra.fr/dossiers/haploidie/ Micropropagation des haploïdes Mise en culture d’apex Multiplication (repiquage toutes les 5 semaines)

Doublement de chromosomes Haplo/diploïdisation Source : http://www.angers.inra.fr/dossiers/haploidie/ Doublement de chromosomes Recouvrir avec du milieu contenant de l’oryzaline 15-50 µM Incuber 2 heures à 2°C Cultiver 1 mois

Haplo/diploïdisation Source : http://www.angers.inra.fr/dossiers/haploidie/ Contrôle de la ploïdie Comptage des chromosomes Cytométrie en flux

Microgreffage et sortie d’in vitro Haplo/diploïdisation Source : http://www.angers.inra.fr/dossiers/haploidie/ Microgreffage et sortie d’in vitro humidité relative 80%

Autres utilisation du doublement de chromosomes Obtention de lignées tétraploïdes Robustesse Stérilité  exemple du schéma de production de graines de pastèques triploïdes Pollinisateur 2N F0 2N ♂ ♂ Fruits sans pépins F1 3N ♀ colchicine ♀ F-1 2N F0 4N

Cryoconservation

Définitions Conservation de matériel vivant à très basse température Cryoconservation Définitions Conservation de matériel vivant à très basse température Azote liquide (-196°C) Vapeurs d’azote (-150°C) Etat de vie suspendue, réversible

Conservation d’espèces en voie de disparition : Problématique : Conservation d’espèces en voie de disparition : objectif agronomique : réservoir de variabilité utilisable pour des plans de sélection objectif médical : réservoir de substances actives inconnues objectif éthique : préservation d’une richesse de nature non-marchande Conservation de variétés agronomiques ou horticoles intéressantes Eviter de perdre les variétés tombées en désuétude Erosion génétique des espèces à multiplication végétative Conservation de graines orthodoxes à basse température : Le Kew Garden à Londres Graines récalcitrantes Espèces à multiplication végétative (pomme de terre, bananier, manioc) Souches de culture in vitro

Exmple : Conservation de cultures de bananes Cryoconservation Cultures in vitro en conditions de croissance réduite : Avantage : faible surface / jardin botanique Inconvénients : importantes charges de travail risque de pertes : contaminations, erreur humaine variations somaclonales Exmple : Conservation de cultures de bananes http://www.biw.kuleuven.be

Meilleure solution : la cryopreservation Cryoconservation Meilleure solution : la cryopreservation stockage à –196°C cryopreservation de cultures de tissus (100 espèces) cyopreservation de graines récalcitrantes (40 espèces) conservation de souches de cellules fortement productrices de métabolites secondaires conservation de tissus génétiquement modifiés

Cryoconservation Principes Éviter la formation de cristaux dans le cytoplasme  favoriser la vitrification = solidification non-cristalline Congélation rapide Déshydratation des échantillons Séchage à l’air (sous flux, atmosphère faible hygrométrie) Déshydratation par prérefroidissement Accumulation d’osmoprotectants Déshydratation, froid Acide abscissique Ajouts de composés osmoprotecteurs

Déshydratation par congélation Cryoconservation Déshydratation par congélation Refroidissement progressif  coûteux Prérefroidissement (-40°C) H2O Abaissement du potentiel hydrique du milieu extracellulaire H2O Formation de cristaux dans le milieu extracellulaire Le cytoplasme reste en surfusion H2O Déshydratation de l’échantillon

Substances cryoprotectrices Cryoconservation Substances cryoprotectrices DMSO, glycérol, proline Adaptation métabolique: Froid Modulation photopériode ABA [solutés ] Sucres, proline, glycine bétaïne

Définitions germoplasme : Entité biologique dotée d’une composition génétique distincte Accession : Germoplasme identifié comme appartenant à une collection (GeneBank)