Bienvenue à l'UE HAV510V Biotechnologies, sous la responsabilité de Lién BACH.

Ce module explore les biotechnologies végétales, microbiennes, animales et humaines à travers des cours, des travaux dirigés et des travaux pratiques.

I. Qu'est-ce que les Biotechnologies?

I.1. Définitions

1913, Karl Ereky (ingénieur agricole Hongrois): "Processus par lequel les matières premières peuvent être transformées biologiquement en produits socialement utiles".

1980, Définition de l'OCDE (Organisation de coopération et de développement économiques): "Technologies innovantes basées sur des connaissances scientifiques dans le domaine du vivant, impliquant d'importants investissements en R&D et une largeambition commerciale".

Les biotechnologies se divisent en deux grandes catégories historiques :

• Biotechnologies traditionnelles: Elles reposent sur une utilisation empirique sans connaissance théorique approfondie.

• Biotechnologies contemporaines: Elles s'appuient sur des connaissances théoriques et des applications de plus en plus maîtrisées.

I.2. Les Biotechnologies traditionnelles

L'homme modifie le vivant depuis le Néolithique (12 000-3 000 ans av. J.-C.), avec l'avènement de:

• La sédentarisation

• Les premières cultures de céréales

• Les premiers élevages

En1854, Louis Pasteur met en évidence le rôle des micro-organismes et leur action par fermentation, distinguant notamment:

• La fermentation lactique par les bactéries lactiques

• La fermentation alcoolique par les levures

I.3. Les biotechnologies traditionnelles : une histoire commune avec la sédentarisation

La domestication représente la modification d'une espèce sauvage en espèce cultivée ou élevée. Elle implique l'acquisition, la perte ou le développement de caractères morphologiques et physiologiques nouveaux et héréditaires, résultant d'une sélection délibérée par les communautés humaines.

I.4. La domestication repose sur la sélection massale

Ce processus commence avec une population initiale présentant de la variation. L'homme sélectionne des individus ayantdes caractères intéressants. Après des croisements naturels, la fréquence des allèles souhaitables augmente au fil des générations, et certains individus accumulent ces caractères.

Cependant, la sélection massale présente des limites :

• Le caractère doit être extériorisé.

• Elle ne garantit pas une variété ou une lignée pure, entraînant une hétérogénéité.

• Le caractère doit être héritable.

I.5. Les sciences du vivant: Socle desBiotechnologies modernes

Avec le temps, la sélection massale a évolué vers une sélection artificielle et maîtrisée. Cette approche consiste à choisir des caractéristiques en supposant qu'elles seront transmises à la descendance. Pour ce faire, une compréhension approfondie de la reproductiondu vivant et de la transmission des caractères est nécessaire, impliquant des progrès significatifs en Biologie de la reproduction et en Génétique.

L'histoire de la biologie est jalonnée de conceptions variées sur la reproduction, notamment :

• Aristote (384-322 av. J.-C.) : Proposait une théorie sur la génération spontanée des êtres vivants.

• Nicolas Hartsoeker (1677) : Avec Leeuwenhoek, il crut distinguer un « petit hommeen miniature » (homunculus) dans les spermatozoïdes, donnant naissance au courant des « animalculistes ».

• Platon (427-347 av. J.-C.) : Pensait que le climat influençait la diversité humaine.

• Chevalier de Lamarck (1744-1829) : Théorie du transformisme et principe de l'hérédité des caractères acquis.

• Charles Darwin (1809-1882) : Théorie de l'évolution et de la sélection naturelle.

I.6. L'essor et le développement des Biotechnologies modernes

Les biotechnologies modernes se sont développées grâce à des avancées majeures en :

• Biologie de la reproduction

• Génétique

• Biologie moléculaire

Deux bouleversements ont été déterminants pour l'essor de la biologie moléculaire dans les biotechnologies modernes :

• Le développement d'outils moléculaires très performants.

• L'accumulation de données biologiques issues des vastes programmes internationaux de séquençage des génomes (génomique).

Les biotechnologies sont souvent divisées par "couleurs", indiquant leur domaine d'application principal:

• Biotechnologies Rouges: Liées à la santé et au domaine médical (thérapie génique, diagnostic immunologique, cellules souches, thérapies anticancéreuses).

• Biotechnologies Vertes: Orientées vers le végétal et l'agro-alimentaire (utilisation des plantes et de leurs cellules).

• Biotechnologies Bleues: Concernant la vie et la biosécurité marine (santé, cosmétique, aquaculture, agro-alimentaire maritime).

• Biotechnologies Blanches: Applications industrielles (polymères, carburants, dissolvants, textiles, produits chimiques).

• Biotechnologies Jaunes: Axées sur la protection de l'environnement (traitement des pollutions).

II. Introduction aux biotechnologies vertes

II.1. Les biotechnologies vertes pour de nouvelles applications

Les biotechnologies vertes ouvrent la voie à des applications innovantes dans divers secteurs :

• L'agronomie:

  • Amélioration de la résistance aux insectes et aux maladies.

  • Création variétale.

  • Multiplication conforme.

• L'alimentation:

  • Amélioration des qualités nutritionnelles.

  • Gestion de la maturation des fruits.

  • Optimisation dela transformation agro-alimentaire.

• Ressources végétales:

  • Exploitation pour divers usages.

• L'industrie:

  • Production de pâtes à papier.

  • Développement de colorants.

  • Biocarburants.

  • Huiles industrielles.

• La santé:

  • Production de produits sanguins.

  • Développement de vaccins.

  • Production de protéines humaines.

  • Cosmétiques.

II.2. Les biotechnologies vertes pour de nouvelles applications : les nouvelles start-ups

• Neoplants: Utilise la biologie de synthèse pour développer des plantes capables d'éliminer les polluants atmosphériques.

II.2. Les biotechnologies vertes pour de nouvelles applications : les anciennes start-ups

• Projet Glowing Plant: Première campagne de crowdfunding pour la biologie synthétique, visant à créer des plantes lumineuses avec des gènes de luciole.

II.2. Les biotechnologies vertes pour de nouvelles applications : les start-ups prometteuses

Les entreprises de biotechnologies végétales qui perdurent sont souvent celles axées sur l'amélioration et la création végétale. Un exemple notable est Micropep Technologies, qui développe des biostimulants et herbicides naturels à partir de *miPEPs* (petits peptides végétaux qui régulent l'expression génique pour stimuler ou inhiber la croissance).

II.3. Les principes de la création végétale : Conséquence des travaux de Mendelsur l'hérédité

Pour créer une nouvelle variété végétale, il est crucial d'établir une lignée pure. Une lignée pure est une population qui produit des descendants toujours identiques à eux-mêmes et à leurs géniteurs pour une caractéristique donnée. Tous les individus sont génétiquement identiques et homozygotes pour tous leurs caractères. Cela garantit que la lignée transmettra toujours les mêmes caractères fixés à sa descendance.

II.4. La création de lignées pures pour la création variétale

Prenons l'exemple du pois: le gène R contrôle la forme, avec deux allèles possibles: R (lisse, dominant) et r (ridé, récessif). Pour transmettre systématiquement le caractère lisse (R), on procède à des autofécondations successives. Ces autofécondations mènent à la stabilité et à la fixation des caractères au fil des générations, car tous les gamètes mâles et femelles deviennent identiques. Il est généralement estimé qu'après 7 à 8 générations d'autofécondation, les individus sont suffisamment homozygotes et leurs caractères sont fixés.

Bien que toutes les plantes ne s'autofécondent pas naturellement, il est possible de les y contraindre pour obtenir des lignées pures.

II.5. Les biotechnologies végétales : s'affranchir des contraintes

Les biotechnologies végétales ont été développées à l'origine pour surmonter les inconvénients des méthodes traditionnelles d'amélioration végétale :

• Diminuer la durée de la création variétale: La création variétale traditionnelle prend une dizaine d'années.

• Multiplication: Création variétale nécessitant une multiplication conforme pour produire.

• Assainir: Sauvegarder le matériel végétal dans un état sanitaire optimal et sécurisé.

• Créer et exploiter la diversité: Augmenter la capacité à générer de nouvelles variétés.

Des techniques spécifiques incluent :

• L'Haplodiploïdisation

• La Micropropagation et la Culture de méristème

• LaTransgénèse Végétale

III. Repousser les limites des méthodes traditionnelles d'amélioration végétale

Les biotechnologies végétales ont été conçues pour pallier les insuffisances des méthodes classiques d'amélioration des plantes, en particulier pour :

• Diminuer la durée de la création variétale: Cela prend généralement une dizaine d'années avec les méthodes traditionnelles.

• Faciliter la multiplication: Assurer une multiplication conforme pour la production de nouvelles variétés.

• Assainir le matériel végétal: Maintenir un état sanitaire optimal et sécurisé.

• Créer et exploiter la diversité: Augmenter la capacité de création variétale.

Pour atteindre ces objectifs, diverses techniques biotechnologiques sont employées :

• Haplodiploïdisation

• Micropropagation, Culture de méristème

• Mutagénèse/Variation somaclonale

III.1. Haplodiploïdisation : fixation plus rapide du matériel génétique

L'haplodiploïdisation est une technique clé pour accélérer le cycle de sélection. Alors qu'un cycle traditionnel de création variétale peut prendre 9 à 10 ans, cette méthode permet une fixation génétique beaucoup plus rapide.

Les haplométhodes sont couramment utilisées dans les centres de recherche spécialisés en amélioration végétale pour :

• Conseiller les entreprises dans leurs programmes de sélection.

• Externaliser des activités de création variétale (conception, réalisation d'expérimentations).

• Booster la création variétale en offrant un panel d'outils et de biotechnologies, tels que :

  • Surmonter les obstacles au croisement.

  • Augmenter la diversité génétique (mutagénèse, doublement chromosomique).

  • Conserver et assainir le matériel génétique (culture in vitro, assainissement).

  • Discriminer le matériel génétique sur des critères biochimiques.

  • Analyser le matériel génétique au niveau moléculaire.

  • Sélectionner sur des critères génétiques (Sélection Assistée par Marqueurs - SAM).

La culture in vitro est essentielle pour fixer génétiquement les génotypes innovants, permettant une multiplication rapide et conforme d'individus avec une qualité sanitaire maximale.

III.2. La différenciation est progressive et peut être réversible

Chez les végétaux, les divisions et différenciations cellulaires sont particulièrement plastiques. Leurs mécanismes de régulation sont dynamiques tout au long de la vie de la plante. Les cellules végétales sont en théorie toutes totipotentes :

• De manière spontanée (suite à des stress).

• Ou artificiellement induite (traitements hormonaux avec auxine et cytokinine in vitro).

Cette totipotence confère aux cellules végétales la capacité de régénérer des tissus, voire des organismes entiers.

III.3. Les plantes sont capables de totipotence et donc de multiplication végétative

1. La totipotence issue de méristèmes : Les méristèmes sont des réservoirs de cellulessouches indifférenciées capables de se différencier en tout type de cellules et de régénérer un organisme complet. La plante peut ainsi réaliser une multiplication végétative par voie méristématique.

2. La totipotence à partir de cellules différenciées =Dédifférenciation : Certaines cellules déjà différenciées peuvent retrouver un état indifférencié, se diviser et ensuite se redifférencier pour régénérer un organisme entier. Ce processus implique la dédifférenciation, la reprise d'activité mitotique, la prolifération et la différenciation. La plante peut alors effectuer une multiplication végétative par voie non méristématique. Lorsque le processus mitotique est poussé à l'extrême, il peut conduire à la formation de cals (callogenèse).

III.4. La multiplicationvégétative exploitée par l'homme

Différentes techniques de multiplication végétative (bouturage, marcottage, greffage) sont utilisées par l'homme depuis des siècles. La multiplication végétative par culture in vitro (CIV) permet demultiplier rapidement des plantes stériles.

Les éléments clés de la culture in vitro sont :

• Explant:

  • Fragment d'organes ou organes entiers.

  • Tissus, pièces florales.

  • Graines ou embryons.

  • Méristèmes.

  • Cals.

  • Protoplastes.

• Milieu synthétique:

  • Eau, macro- et micro-éléments.

  • Phytohormones et vitamines.

  • Sucre.

  • Agent gélifiant pour les milieux solides.

  • Le pH est ajusté, le plus souvent entre 5 et 6.

• Conditions stériles.

• Environnement contrôlé (température et lumière).

• Espace réduit.

III.5. La micropropagation ou multiplication végétative in vitro

Cette technique présente des avantages significatifs :

• Production massive: Possibilité de produire un grand nombre de plantes génétiquement homogènes en peu de temps. Par exemple, plus de 50 000 plants de framboisiers peuvent être obtenus à partir d'un seul apex en un an, contre 50 par des méthodes traditionnelles.

• Économie d'énergie: La réduction du nombre de pieds mères nécessaire limite l'espace requis en serres.

• Multiplication d'espèces difficiles: Permet de reproduire des espèces complexes naturellement, comme les orchidéesdont les graines peuvent germer in vitro sans champignons symbiotiques.

• Reboisement rapide: Facilite la restauration rapide de plantations ravagées par des parasites ou catastrophes naturelles.

III.6. L'assainissement par culture de méristèmes apicaux caulinaires

En 1949, Pierre LIMASSET et P. CORNUET ont observé l'absence de virus dans les méristèmes de tabacs virosés. La culture de méristème consiste en la culture aseptique du dôme apical (sans ébauche foliaire) sur un milieu artificiel. Cette technique est essentielle pour le sauvetage d'espèces menacées, notamment celles à reproduction végétative fortement virosées.

III.7. La production d'embryons somatiques (ES) à partir de cellules somatiques

La production d'embryons somatiques est une technique permettant de générer des embryons à partir de cellules non sexuelles. Bien que toutes les espèces n'y soient pas aptes (ex: le tabac), elle offre les avantages suivants :

• Permet de créerun nombre illimité de semences artificielles.

• Implique des procédés d'encapsulation qui imitent l'environnement d'une graine, favorisant la croissance de l'embryon (synthèse de composés de réserve, protéines de dessication, entrée en dormance).

• Des procédés élaborés permettent de produire 10 000 semences/heure.

• Possibilité de cryogénisation des semences pour la conservation à long terme.

Chez les gymnospermes, cela permet de multiplier un grand nombre de cloneset de conserver les ressources génétiques.

III.8. C'est la balance hormonale entre cytokinine (BA) et auxine (2,4-D) qui détermine le devenir cellulaire

La croissance et la différenciation des cellules végétales in vitro, etdonc la régénération de plantes entières, sont fortement influencées par le rapport entre deux types d'hormones végétales : les cytokinines (représentées par la BA) et les auxines (représentées par le 2,4-D). Un équilibre précis de ces phytohormones dans le milieu de culture est crucial pour orienter les cellules vers la prolifération (formation de cals), la différenciation des racines ou celle des pousses.

III.9. Créer et mieux exploiter la diversité

L'amélioration génétique d'une espèce passe par l'exploitation de sa diversité naturelle et la recherche de caractères nouveaux et intéressants. Cependant, les espèces autogames, comme Lycopersicon esculentum (tomate cultivée), présentent une faible variabilité génétique intra-spécifique. En revanche, les espèces sauvages telles que Lycopersicon peruvianum (tomate sauvage) peuvent contenir davantage de gènes de résistance aux maladies. Pour augmenter la diversité génétique, des embryons précoces peuvent être prélevés et cultivés sur un milieu artificiel nutritif.

III.10. Les mutations sont source de diversité génétique dans une même espèce

• Une mutation n'est pas forcément fixée, des systèmes de réparation de l'ADN existent.

• Seules les mutations portées par les cellules reproductrices sont héritées.

• La plupart sont neutres ;les moins favorables sont éliminées par la sélection naturelle.

• La sélection, plus ou moins empirique, a permis de retenir des plantes mutantes spontanées intéressantes.

III.11. Mutations induites aléatoires

La mutagénèse chimique ou physique (utilisant par exemple l'EMS, les rayons gamma ou les rayons X) augmente significativement le taux de mutation. Chez Arabidopsis, l'éthyl méthane sulfonate (EMS) peut multiplier ce taux par plus de 500.

• La majeure partie des variétés cultivées depuis 50 ans est issue de mutagénèses spontanées ou induites. Plus de 3200 variétés ont été identifiées par la FAO.

• Par exemple, la variété de poire 'Belrene', approuvée en 1970, a été développée par traitement au mutagène chimique EMS. Elle se distingue par une maturité précoce et des fruits plus colorés et plus gros.

• De même, les pamplemousses 'Rio Red' et 'Star Ruby Mutants' ont été obtenus par traitement aux neutronsthermiques.