Exploiter l'information génomique pour créer le Super Riz Vert - Résultats de la recherche de Prof Rod Wing

Où en sommes-nous de la culture du "Green Super Rice" ?

Depuis cinq ans que je dirige la chaire AXA à l'Institut international de recherche sur le riz (IRRI), nous avons beaucoup avancé sur le chemin vers notre objectif commun : exploiter la génomique du riz afin d’en produire suffisamment pour nourrir une population mondiale en rapide expansion. Pour atteindre cet objectif, nous avons d'abord eu besoin de génomes de référence de la plus haute qualité possible, et cela pour les 27 espèces de riz connues du genre Oryza (le terme désigne le genre de plantes qui a donné naissance au riz cultivé), ainsi que pour certaines sous-espèces (sous-populations à l'intérieur des espèces). Les génomes de référence sont des exemples représentatifs de l’ensemble des gènes d'une espèce. Ils jouent un rôle essentiel, car ils servent de base pour identifier les variations génétiques d'une variété à l'autre. Chaque variété (espèce ou sous-espèce) a évolué pour survivre dans des environnements différents, et ces capacités se reflètent dans leur ADN.

Sur les 27 espèces de riz connues que nous venons de mentionner, seules deux sont domestiquées (asiatique et africaine). Le riz asiatique (Oryza sativa) est de loin l'espèce de riz la plus consommée. C'est pourquoi l'une des réalisations les plus significatives obtenues jusqu'à présent dans le cadre du programme de la chaire AXA est le séquençage de génomes de référence de haute qualité pour des représentants de toutes les sous-populations de riz asiatiques. Permettez-moi de préciser : à l'intérieur de cette espèce très importante, nous avons identifié 15 sous-espèces, un peu comme des races. Le séquençage de toutes ces sous-espèces était primordial pour le projet, car malgré le fait qu'elles appartiennent toutes au genre Oryza sativa, elles présentent des structures et des propriétés génétiques très différentes.

Un autre aspect très important du travail que nous avons mené concerne les variétés sauvages de riz. Les variétés cultivées (asiatiques et africaines) ne sont pas le seul réservoir de variations naturelles que nous pouvons utiliser. Les 25 autres espèces non domestiquées, et que l'on pourrait appeler des mauvaises herbes, constituent un énorme réservoir inexploité pour l'amélioration des cultures. Nous parlons ici de 15 à 20 millions d'années d'évolution. En ce qui concerne ces variétés, les contributions les plus importantes de mon laboratoire ont toutes à voir avec du Oryza Map Alignment Project (IOMAP) (Alignement des cartes Ozyza, en français). Le principe de l'IOMAP, lancé en 2003, est de produire un ensemble de ressources génomiques de haute qualité pour les espèces sauvages d'Oryza. La banque de gènes de l'IRRI, appelée International Rice Gene Bank Collection (IRGC), stocke et préserve d'innombrables semences et spécimens vivants de ces variétés. Notre collaboration m'a permis de puiser dans cette mine d'or et de séquencer le génome de certaines de ces variétés. En 2018, nous avons publié dans Nature Genetics un article qui a fait date et qui a analysé les génomes de référence de 13 espèces apparentées de riz domestiqué et sauvage, dont 9 étaient nouvellement séquencés. Nous avons notamment pu identifier de nombreux nouveaux déterminants génétiques susceptibles d'être utilisés pour la protection future des cultures.

Comment ces génomes de référence vont-ils exactement contribuer à la sécurité alimentaire à l'avenir ?

Les génomes de haute qualité que nous produisons seront cartographiés les uns par rapport aux autres afin d'identifier les variations naturelles de l'ADN (nouveaux gènes, traits et/ou régions génomiques) en tenant compte de leurs différentes caractéristiques observables (phénotype). Par exemple, certaines variétés présentent une résistance remarquable aux maladies, d'autres peuvent pousser en eau salée, etc. Notre objectif est de saisir ces différences et de les utiliser pour créer ce que nous appelons le "Green Super Rice". Ces variétés auront un meilleur potentiel de rendement, une meilleure qualité nutritionnelle, une meilleure capacité à pousser dans des sols à problèmes et une meilleure tolérance aux parasites, aux maladies et aux stress, telles que les inondations et les sécheresses, qui sont inévitables avec le changement climatique. Ces caractéristiques contribueront notamment à réduire les risques en général, en termes de pertes de récoltes, d'émissions de gaz à effet de serre ou de santé. Elles auront également un impact positif pour les agriculteurs, en leur assurant de meilleurs moyens de subsistance.

Comment le « Green Super Rice » sera-t-il cultivé ?

Les données que nous avons produites dans le cadre de la chaire, et que nous continuons à produire maintenant, serviront à créer des "banques de gènes numériques" accessibles au public. Ces données en ligne permettront aux sélectionneurs de créer des variétés de "Green Super Rice" sur mesure, en fonction de leurs besoins. Les pratiques de sélection actuelles consistent généralement à réaliser des croisements entre différentes variétés dans l'espoir que la descendance présente une amélioration des caractéristiques souhaitées. Cependant, les sélectionneurs doivent souvent recourir à de longs essais et faire de nombreuses erreurs avant d’obtenir des résultats satisfaisants, et cela sur plusieurs générations. Les banques de gènes numériques constitueront une avancée majeure en aidant les sélectionneurs à prendre des décisions mieux informées. En ayant accès aux informations sur les marqueurs génétiques liés à des traits spécifiques, ils pourront, par exemple, effectuer des croisements plus efficaces. Ils auront également la possibilité de recourir à l'édition de gènes, un processus qui consiste à insérer, supprimer, modifier ou remplacer des emplacements particuliers dans le génome. Ces deux techniques permettront de développer beaucoup plus rapidement de nouvelles variétés.

Pourquoi concentrer vos recherches sur le riz ?

Aujourd'hui, le riz asiatique est l'aliment de base de la moitié de la planète et représente, selon les estimations, environ 20 % de l’apport calorifique dans l'alimentation humaine. La population mondiale devant augmenter de près de 3 milliards de personnes d'ici 2050, le riz est appelé à jouer un rôle clé dans la sécurité alimentaire. Mais pour relever le défi conjugué de la croissance démographique et du changement climatique, les sélectionneurs doivent de toute urgence mettre au point des variétés nouvelles et durables. Le genre Oryza n'est pas le seul aliment de base à se distinguer par son importance pour les civilisations humaines ; le soja, le blé ou le maïs jouent également un rôle essentiel. Nous préparons le terrain pour d'autres initiatives similaires. Une autre raison pour laquelle nous avons choisi le riz, et avons pu montrer la voie, est que son génome est petit par rapport à d‘autres céréales. À vrai dire, avec environ 400 millions de paires de bases d'ADN, il possède le plus petit génome de toutes les céréales. En comparaison, le maïs compte 3 milliards de paires de bases, soit à peu près le même nombre que le génome humain. Le génome du blé, avec ses 15 milliards de paires de bases, est encore plus frappant. Le riz était donc un choix évident pour le premier séquençage du génome entier publié en 2005, où j'ai dirigé les efforts des États-Unis pour séquencer 2,5 des 12 chromosomes du riz.

Cette chaire vous a-t-elle ouvert des portes pour l'avenir ?

La Chaire AXA m'a permis de développer ma collaboration avec l'IRRI, bien sûr, mais elle m'a aussi aidé à internationaliser ma recherche et mes contacts. Chaque année, je participe à des conférences internationales ; je donne des conférences partout dans le monde. Elle a placé mes recherches au centre de l'attention et m’a ainsi ouvert la voie à de nouvelles opportunités, de nouvelles collaborations et de nouvelles subventions.

D'ici décembre 2021, notre cadeau de Noël au monde sera la publication de l'ensemble de notre base de données sur le génome : 42 génomes de référence de haute qualité au total. C'est-à-dire les génomes de référence pour chacune des 25 espèces sauvages, 1 pour l'espèce de riz africaine, 15 pour les sous-espèces de riz asiatique et le génome original de O. sativa Nipponbare qui a été généré en 2005 par le Projet international de séquençage du génome du riz (IRGSP). Ce ne sera que le début de notre voyage. Mon client final est en fait le sélectionneur de variétés. Si je devais tout recommencer, je pense que je serais sélectionneur. Leur travail est crucial, et je suis vraiment heureux de pouvoir les aider.

Plus d'informations sur le Prof Rod Wing

Le Professeur Rod A. Wing est un expert de renommée mondiale en génomique végétale, en bio-informatique et en biologie évolutive des céréales telles que le riz et le maïs. Titulaire de la chaire AXA en Biologie du génome et en génomique de l’évolution à l'Institut international de recherche sur le riz (IRRI) de 2014 à 2020, il est actuellement directeur du Centre pour l'agriculture dans les déserts en Arabie Saoudite, directeur fondateur de l'Institut de génomique d’Arizona, et membre de l'Institut BIO5 et de la chaire d'excellence Bud Antle en agriculture et en sciences de la vie à l'École des sciences végétales de l'Université d’Arizona (États-Unis).

Mai 2020 | Photo: @chema_photo

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