Spray nanocarrier bioactif : De meilleures récoltes sans modification génétique

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Modifying Gene Expression in Plants With Spray
Modifier l'expression génétique des plantes par pulvérisation

(Gauche) Schéma du processus. Une molécule bioactive (comme l’ADN ou l’ARN) est combinée avec un nanocarrier peptidique (un peptide pénétrant dans les cellules, CPP) dans une solution aqueuse, puis pulvérisée sur les feuilles des plantes à l’aide d’un atomiseur. Cette technique permet de modifier l’expression des gènes sans modifier les gènes eux-mêmes. (A droite) Preuve que le système peut être utilisé pour promouvoir l’expression des gènes. Une coloration bleue peut être observée après la pulvérisation d’un complexe ADN plasmatique/CPP contenant le gène rapporteur GUS. Notez la feuille supérieure sans aucune coloration bleue. Cette feuille a été pulvérisée avec une solution qui contenait l’ADN plasmatique mais pas le transporteur peptidique. Crédit : RIKEN

Les chercheurs du Centre RIKEN pour la science des ressources durables (CSRS) au Japon ont mis au point un moyen d’améliorer la qualité des cultures sans avoir besoin de créer des plantes génétiquement modifiées spéciales. Plutôt que de modifier le génome des plantes, la nouvelle technique repose sur un spray qui introduit des molécules bioactives dans les cellules végétales par leurs feuilles. Cette nouvelle technologie pourrait être utilisée pour aider les cultures à résister aux parasites ou à la sécheresse, en moins de temps et à moindre coût que la production de lignées de plantes génétiquement modifiées. L’étude a été publiée dans la revue scientifique ACS Nano.

La technologie nous permet de modifier directement les génomes et de créer des organismes génétiquement modifiés (OGM), notamment des aliments génétiquement modifiés. Cependant, la fabrication de plantes transgéniques demande du temps et de l’argent, et n’a toujours pas obtenu le soutien du grand public. Les chercheurs du RIKEN CSRS, dirigés par Masaki Odahara, ont mis au point une alternative aux aliments génétiquement modifiés qui permet de surmonter ces problèmes. Par exemple, plutôt que de modifier le génome d’une plante pour qu’elle n’exprime pas un gène particulier, ce même gène peut être supprimé à la volée en insérant un composé bioactif spécifique dans la plante. Dans ce scénario, le composé bioactif est introduit dans les cellules de la plante par un vecteur qui peut pénétrer les parois cellulaires des cellules végétales.

Réduire au silence les gènes de la tomate par pulvérisation

Preuve que le système peut être utilisé pour réduire au silence les gènes de la tomate. Le peptide porteur (à gauche), l’ARN interférent (au milieu) ou le complexe contenant les deux (à droite) ont été pulvérisés sur les feuilles d’un plant de tomate. Le plant de tomate a été conçu pour surexprimer une protéine fluorescente verte. Lorsque le complexe ARN/CPP a été utilisé, la fluorescence verte était absente, ce qui indique que le gène pilotant l’expression de la protéine fluorescente verte était réduit au silence. Crédit : RIKEN

Si le concept est simple, sa réalisation a été un véritable défi. “Outre la conception d’un moyen d’introduire des molécules bioactives dans les plantes”, explique Odahara, “nous avons dû envisager une méthode d’administration qui serait pratique pour les cultures dans des conditions agricoles réelles.” L’équipe a conclu que la meilleure méthode serait un spray qui pourrait être déployé sur de grands champs relativement facilement.

De nombreux types de nanoparticules peuvent pénétrer dans les cellules végétales. Les chercheurs se sont concentrés sur les peptides pénétrant dans les cellules (CPP) car ils peuvent également cibler des structures spécifiques à l’intérieur des cellules végétales, comme les chloroplastes. Le premier défi consistait à déterminer quels CPP sont les meilleurs lorsqu’on utilise un spray. Ils ont marqué des CPP naturels et synthétiques avec du jaune fluorescent, les ont pulvérisés sur des feuilles de plantes et ont mesuré la quantité de fluorescence dans les feuilles avec un microscope confocal à balayage laser à différents moments. Après avoir effectué cette procédure dans un laboratoire typique Arabidopsis thalianaainsi que dans plusieurs types de soja et de tomates, ils ont trouvé plusieurs PPC naturelles capables de pénétrer dans la couche externe des feuilles, et dans certains cas encore plus profondément.

D’autres expériences ont montré que cette technique fonctionnait bien lorsque le plasmide DNA was attached to the CPPs, and analysis showed that genes were effectively expressed in the leaves of both A. thaliana and soybeans after being carried into the cells through an aqueous spray. The researchers also found that by including other biomolecules and nanostructures in the spray solution, they could temporarily increase the number of pores in the leaves, which increased how much spray was taken up by the plant.

Often, crop yield can be improved by inserting or knocking out genes. After creating a transgenic plant that overexpresses yellow fluorescence in the leaves, the team attached RNA that interferes with fluorescent protein expression to a CPP. As hoped, spraying the leaves with this complex silenced yellow fluorescence expression. “This result was critical,” says Odahara, “because it is important that any alternative to genetic modification be able to achieve the same functional outcome.” Lastly, the researchers were able to similarly silence genes specific to chloroplasts when they included a chloroplast-targeting peptide to a specific CPP-RNA complex.

“Mitochondria and chloroplasts regulate much of a plant’s metabolic activity,” says Odahara. “Targeting these structures with bioactive molecules delivered via spray could effectively improve economically desirable quality traits in crops. Our next step is to improve the efficiency of the delivery system. Ultimately, we hope this system can be used to safely protect crops from parasites or other harmful factors.”

Reference: 23 February 2022, ACS Nano.
DOI: 10.1021/acsnano.1c07723

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