Amélioration des plantes et biotechnologies

responsables de traits spécifiques dans de nombreuses plantes cultivées.

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Objectifs de la biotechnologie * Modifier le génotype d’une plante

génie génétique, mutagenèse, hybridation somatique -introduire un nouveau caractère -supprimer un caractère préexistant

* Produire de la biomasse

cellules, tissus, organes, plantes - Utilisations variables: bio production, multiplication

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La multiplication végétative

Mode de reproduction en dehors des phases de sexualité assurant la propagation d’individus identiques (mitoses), pas de brassage génétique Multiplication végétative naturelle : organes spécialisés, stolon ( tige horizontale), bulbe et tubercule

Stolon Fraisier (Fragaria sp.)

Multiplication végétative artificielle : ex vitro: bouturage, marcottage in vitro: Cultures in vitro

Le stolon: Tige rampante , à entre-noeuds très allongés, au-dessus ou au-dessous du sol, qui peut produire des tiges, feuilles et racines , très utile pour le marcottage.

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La culture in vitro

1756: Henri Duhamel du Monceau, des bourgeons apparaissent entre le bois et le cortex quand on enlève l’écorce 1839: Scleiden et Schwann: La théorie cellulaire: la cellule végétale est capable d’autonomie et est totipotente mais pas de démonstration

Totipotence chez les végétaux: aptitude pour une cellule végétale à exprimer la totalité des potentialités du génome pour donner un organisme entier Cette totipotence cellulaire s'accompagne d'une possibilité de multiplication indéfinie que l'on peut observer dans les zones de croissance de la plante : les méristèmes, cellules restant dans un état de dédifférenciation permanent.

La démonstration de la totipotence nécessite: la multiplication d’une cellule unique Sa transformation en un organisme complet

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La culture in vitro : Totipotence

1954: Mise en culture et prolifération d’une seule cellule

1965: cellules isolées de tabac forment des colonies puis des plantes

1966: formation d’embryons dans des cultures en suspension de carotte (embryogenèse somatique).

1967, Bourgin et Nitsch: Androgenèse, mise en culture de grains de pollen -> développement de plantes haploïdes (un seul jeu de chromosomes) puis diploïdisation

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La culture in vitro : les explants

Mise au point de culture in vitro à partir : - d’explant avec cellule méristématique (non différenciée, juvénile)

- de tout type de tissus sans cellule méristématique ( dédifférenciation-redifférenciation) Enchaînement de mitoses donne - une callogenèse - une organogenèse - une embryogenèse somatique

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La culture in vitro : le milieu nutritif

Les sels minéraux:

macro (g.l-1) éléments Nitrate et/ou Ammonium Calcium Magnésium Phosphate Fer micro (mg.l-1) éléments cuivre iode manganèse…

Exemple: milieu de Murashige et Skoog, composition précise, le plus concentré en ions Certaines espèces nécessitent de fortes teneurs en ions pour pousser, tandis que d’autres connaissent des toxicités aux sels (empirique)

Les substances organiques:

Vitamines (in vitro synthèse trop faible) Glucides (in vitro hétérotrophe, pas ou très peu de photosynthèse) Acides aminés (stimulateurs de croissances, acide glutamique)

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Les régulateurs de croissance : L’AUXINE 1926, Went : Découverte d’une substance de croissance, l’acide indole acétique (auxine) dérivée du tryptophane

tryptophane

Stimulation de l'élongation cellulaire, de la rhyzogenèse.

AIA

(photosensible)

La synthèse de l'auxine s'effectue dans les apex méristématiques des tiges, et dans les jeunes feuilles des bourgeons terminaux. Le transport de l'auxine s'effectue de façon polarisée, de l'apex vers la base dans la tige. L'action de l'auxine sur l'élongation cellulaire se fait d'une part par augmentation de la plasticité de la paroi, d'autre part par action sur l'activité génique, régulant ainsi la synthèse d'ARN messagers codant pour des protéines nécessaires à l'élongation.

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Les régulateurs de croissance : LES CYTOKININES

1941: Blakeslee, essaie de créer des hybrides entre différentes espèces de datura, les embryons meurent. L’utilisation de lait de coco (un albumen liquide) permet de les faire développer in vitro

1948: le lait de coco, l’extrait d’albumen de maïs active la prolifération plus que l’auxine et permet la culture de tissus ne répondant pas à l’auxine

1962: la molécule active du lait de coco a les caractéristiques d’une base nucléique

Indépendamment Skoog et Miller 1957, montrent que les produits de dégradation de l’ADN stimulent la prolifération.

Datura

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Isolement de la kinétine (6-furfuryl aminopurine) d’extrait de levure, Zéatine d’albumen de maïs, ribosyl zéatine de lait de coco en 1974 (collectivement cytokinines)

Stimule l’élongation cellulaire et l’organogenèse Synthèse dans les racines puis migrent dans la plante via la sève brute (xylème)

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Rôle des auxines et des cytokinines dans l’organogenèse

Le rapport auxines / cytokinines détermine le devenir des tissus en culture, Notion de balance hormonale En concentrations égales->division de cellules indifférenciées Auxine -> formation de racines Cytokinines -> bourgeons

Indole Butyric Acid (IBA)

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Comparaison culture in vitro / culture in situ

Culture in vitro: écosystème où les facteurs biotiques ont disparu (asepsie)

Culture in vitro : différences physiologiques, peu de synthèse de vitamines et pas ou peu de photosynthèse, miniaturisation des plantes

Culture in vitro: teneur plus importante en eau = vitrification, pas de cuticule

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Applications de la culture in vitro de tissus et de cellules

* Etude de la morphogenèse : tiges, racines. l’embryogenèse somatique, * Etude deissu de cellule somatique embryon

végétative * Multiplicationméristèmes ou micropropagation, à bouturer) (Morel 1963). Ex: culture de d’orchidées (très dures Application industrielle

Permet la multiplication clonale (à l’identique) d’un génotype sélectionné. Utilisé sur plus de 1000 espèces

par * Guérison des plantesqui neculture de méristèmes les méristèmes apicaux et Éradication des virus se propagent pas dans racinaires

* Micro-bouturage sur milieu de culture, augmente la rapidité et la par simple enracinement

fiabilité