Comment l’épigénétique peut aider les agriculteurs à produire des cultures plus saines et plus résistantes

Auteurs contributeurs : Eleni Tani (Université agricole d’Athènes, Grèce), Cristina Vettori (Institut des biosciences et des bio-ressources, CNR, Italie), Federico Martinelli (Université de Florence, Italie).

Qu’est-ce que l’épigénétique et quel est son rapport avec l’agriculture ? 

Au cours des dernières décennies, l’humanité a connu une augmentation remarquable des rendements agricoles. La génétique a joué un rôle central dans la création de variétés plus productives, présentant une résistance accrue aux maladies et aux parasites et s’adaptant mieux aux différentes conditions environnementales. Grâce à la sélection, les plantes les plus performantes sont choisies et croisées avec d’autres plantes qui présentent des caractéristiques souhaitables. Cela permet de créer de nouvelles variétés aux caractéristiques améliorées. En outre, la génétique a contribué à la création de cultures hybrides, qui résultent du croisement de différentes plantes parentales pour produire une progéniture qui hérite des meilleures caractéristiques des deux parents. Les cultures hybrides sont plus performantes que leurs parents, car elles peuvent être mieux adaptées aux conditions locales et présenter une meilleure résistance aux parasites et aux maladies. Cela permet d’assurer la sécurité alimentaire de la population mondiale croissante.

Toutefois, la pression exercée par le changement climatique, l’accès limité à l’eau pour l’irrigation, la mauvaise qualité des sols et la disponibilité limitée des terres arables maintiennent la demande de cultures à rendement encore plus élevé pour répondre à la demande alimentaire mondiale croissante. Les modèles actuels prévoient une diminution des rendements de toutes les grandes cultures en raison de leur vulnérabilité aux températures élevées, à la modification des régimes pluviométriques et aux concentrations élevées de dioxyde de carbone dues aux émissions de gaz à effet de serre. Il est donc urgent d’explorer d’autres outils génétiques qui permettront de maintenir, voire d’augmenter le rendement des cultures dans des conditions plus défavorables. Un tel outil est l’épigénétique : les changements dans l’expression des gènes qui ne sont pas causés par des changements dans la séquence d’ADN elle-même, mais par des modifications chimiques héréditaires de l’ADN ou de protéines appelées histones associées à l’ADN.

Les enzymes peuvent méthyler l’ADN en ajoutant un groupe méthyle (une petite unité chimique) à des endroits spécifiques d’une molécule d’ADN. Ces points peuvent être importants pour le contrôle de l’expression d’un gène. Lorsqu’ils sont hyperméthylés, c’est-à-dire que trop de groupes méthyles sont ajoutés à la molécule d’ADN, l’expression du gène peut être réduite ou désactivée. En revanche, on parle d’hypométhylation lorsque trop peu de groupes méthyles sont ajoutés à la molécule d’ADN dans ces mêmes régions. Cela peut conduire à une augmentation de l’expression d’un gène ou même à l’activation d’un gène qui est normalement silencieux, c’est-à-dire qu’il ne s’exprime pas. Les modifications épigénétiques sont influencées par des facteurs environnementaux tels que la température, la lumière et les nutriments et peuvent activer ou désactiver un gène sans changer la séquence des protéines. Par conséquent, les modifications épigénétiques peuvent affecter de manière significative la croissance, le développement et l’adaptation des plantes à des environnements changeants.

Un exemple de régulation épigénétique est la vernalisation, le processus par lequel certaines espèces de plantes, comme les céréales d’hiver, doivent être exposées à des périodes prolongées de températures froides pour passer de la phase végétative à la phase reproductive. Ce mécanisme permet d’éviter que les fragiles tissus floraux ne soient endommagés par le gel hivernal. Pendant la vernalisation, l’état de méthylation de l’ADN de certains gènes est modifié, ce qui entraîne des changements dans l’expression des gènes qui favorisent la floraison. L’un de ces gènes essentiels est le gène FLOWERING LOCUS C (FLC), comme l’ont montré plusieurs études chez Arabidopsis thaliana. Cette petite plante de la famille de la moutarde (Brassicaceae) est utilisée comme plante modèle dans la recherche génétique et épigénétique. Les changements dans les niveaux de méthylation de l’ADN au niveau de la région promotrice du FLC peuvent modifier son expression et, par conséquent, le moment de la floraison, qui est un facteur déterminant du rendement des cultures.

Un autre exemple est la maladie du mildiou de la pomme de terre causée par l’oomycète pathogène Phytophthora infestans. La méthylation de l’ADN dans la région promotrice du gène de résistance R3a de la pomme de terre régule son expression et lui confère une résistance à cette maladie. En particulier, l’hyperméthylation du promoteur de R3a réduit son expression, tandis que l’hypométhylation augmente son expression et renforce la résistance au mildiou. Ces résultats suggèrent que la régulation épigénétique de R3a peut jouer un rôle critique dans la modulation de la résistance de la pomme de terre à cette maladie dévastatrice.

La présence et l’avenir de l’épigénétique dans l’amélioration des cultures

Les changements épigénétiques peuvent affecter le rendement en modifiant la réponse des cultures aux différentes conditions environnementales : ils peuvent avoir un impact positif en augmentant leur capacité d’adaptation et en optimisant leur réponse en les aidant à « se souvenir » des événements stressants passés. Comprendre les mécanismes épigénétiques impliqués dans le rendement dans différentes conditions environnementales, comment ils sont impliqués dans la résistance aux parasites et aux maladies, et comment ils peuvent influencer l’absorption des nutriments peut aider les agriculteurs à sécuriser leur production, à augmenter leurs revenus et à appliquer une gestion durable des cultures en réduisant l’utilisation d’engrais et de pesticides.

Bien que la recherche sur l’épigénétique des plantes ait considérablement progressé ces dernières années, son application à la sélection et à l’amélioration des cultures n’en est encore qu’à ses balbutiements. En effet, la complexité de la régulation épigénétique et de l’hérédité rend difficile le développement de stratégies pratiques et efficaces pour l’amélioration des cultures. Les chercheurs s’attaquent actuellement à quatre grands défis:

1. Stabilité : Les modifications épigénétiques peuvent ne pas être stables au fil des générations et peuvent être influencées par des facteurs environnementaux. Il est donc difficile de s’assurer que le caractère souhaité sera transmis aux générations futures.
2. Héritabilité : Les modifications épigénétiques peuvent être transmises à la génération suivante, mais le taux d’hérédité est généralement inférieur à celui des modifications génétiques. Il est donc plus difficile de sélectionner des cultures présentant des caractéristiques souhaitables sur la base de modifications épigénétiques.
3. Complexité : Les modifications épigénétiques sont complexes et peuvent être influencées par de nombreux facteurs. Il peut être difficile de comprendre les interactions entre ces facteurs et la manière dont ils affectent l’expression des gènes et le phénotype.
4. Induction des modifications : L’induction de modifications épigénétiques repose actuellement sur la manipulation génétique (par exemple, la mutation) des gènes impliqués dans la régulation de ces modifications. Le cadre législatif interdit de telles approches dans de nombreux pays, comme en Europe.

Bien que des stimuli environnementaux ou des traitements chimiques puissent également induire des modifications épigénétiques, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour évaluer l’efficacité, la stabilité et la sécurité de ces méthodes pour la sélection des cultures. Néanmoins, certaines entreprises qui investissent dans la sélection épigénétique (ou épi-sélection) démontrent l’importance de cette approche pour l’amélioration des cultures. Sound Agriculture a introduit un nouveau processus de sélection pour cultiver la tomate Summer Swell, une nouvelle variété de tomate à la saveur améliorée et à la durée de conservation plus longue, à la fois sur la vigne et après l’achat. Sound Agriculture promet de développer des caractéristiques végétales dix fois plus rapidement que les techniques de sélection conventionnelles grâce à la méthode innovante appelée On-Demand Breeding, qui fait appel à l’épigénétique. Epicrop Technologies Inc. utilise l’épigénétique pour améliorer les rendements du sorgho.

Dans l’ensemble, si l’épigénétique offre une voie prometteuse pour l’amélioration des cultures, des défis importants doivent encore être relevés avant qu’elle puisse être largement adoptée comme outil de sélection. Néanmoins, les progrès rapides de la recherche et de la technologie épigénétiques devraient permettre d’améliorer les rendements des cultures et de renforcer la sécurité alimentaire à l’avenir.

L’épigénétique du point de vue de l’agriculteur

L’épigénétique végétale peut avoir des implications significatives pour les agriculteurs, car elle permet de modifier l’expression des gènes sans altérer la séquence de l’ADN. Elle permet en effet de modifier l’expression des gènes sans altérer la séquence de l’ADN, ce qui peut conduire au développement de cultures présentant des caractéristiques souhaitables, telles qu’un rendement accru, une meilleure résistance aux maladies et une meilleure adaptation au stress environnemental. Les modifications épigénétiques peuvent également être transmises d’une génération à l’autre, créant ainsi des changements stables et héréditaires dans les caractéristiques des cultures. En outre, les outils épigénétiques peuvent être utilisés pour identifier et surveiller les changements dans les épigénomes des cultures en réponse aux facteurs de stress environnementaux, fournissant ainsi des informations précieuses aux agriculteurs pour optimiser la croissance et le rendement des cultures dans des conditions changeantes. La régulation du rendement, un caractère quantitatif, implique de multiples loci et est influencée par des facteurs environnementaux. Le contrôle des caractères agronomiques (caractéristiques), y compris le rendement, a été considérablement influencé par des mécanismes épigénétiques tels que la méthylation de l’ADN, la modification des histones et le remodelage de la chromatine. Dans l’ensemble, l’épigénétique végétale constitue une voie prometteuse pour améliorer la productivité et la durabilité de l’agriculture du point de vue de l’agriculteur.

EPI-CATCH : Explorer le pouvoir de l’épigénétique pour créer des cultures d’élite adaptées au changement climatique 

EPI-CATCH (EPIgenetic mechanisms of Crop Adaptation To Climate cHange) est une action COST lancée en 2019. EPI-CATCH rassemble des scientifiques et des chercheurs de différents domaines dans le but de comprendre comment les mécanismes épigénétiques aident les plantes à s’adapter aux conditions environnementales changeantes. EPI-CATCH vise à :

1. Faciliter la collaboration et l’échange de connaissances et de techniques liées à l’épigénétique entre les chercheurs, les sélectionneurs et les autres parties prenantes.
2. Développer de nouvelles méthodologies et de nouveaux modèles pour mieux comprendre le rôle des mécanismes épigénétiques dans l’adaptation des plantes aux stress environnementaux induits par le changement climatique.
3. Identifier et développer des marqueurs épi-moléculaires associés à des caractéristiques agronomiques et qualitatives très recherchées dans les cultures afin de permettre des modifications ciblées et spécifiques des gènes dans l’épigénome.
4. Étudier les facteurs affectant la stabilité et l’héritabilité des variations épigénétiques dans les cultures afin d’éviter d’induire des épialles qui ont peu de chances d’être stables au cours du processus de sélection.
5. Mieux comprendre les mécanismes qui induisent et stabilisent les variations épigénétiques et la mémoire du stress chez les plantes cultivées en utilisant des techniques, des stratégies et des méthodes interdisciplinaires.
6. Normaliser la méthodologie en épigénétique/épigénomique végétale et intégrer ces données à d’autres approches « omiques » pour une compréhension plus complète des interactions entre le génotype et l’environnement des cultures, des variations épigénétiques et de la mémoire du stress.

EPI-CATCH est une initiative innovante et collaborative qui vise à faire progresser notre compréhension de l’épigénétique dans l’amélioration des cultures, dans le but ultime de renforcer la sécurité alimentaire et la durabilité face au changement climatique. Pour plus d’informations, consultez le site www.epicatch.eu.