Le Saint Graal dans les plantes productrices d’huile comestible

Des scientifiques de l’Université technologique de Nanyang à Singapour (NTU Singapour) ont réussi à modifier génétiquement une protéine végétale responsable du stockage des graisses dans les graines de plantes et les noix comestibles.

Démontrant la méthode en instance de brevet, la plante modèle Arabidopsis a accumulé 15 à 18 % d’huile en plus dans ses graines lorsqu’elle a été cultivée en laboratoire avec la protéine modifiée.

Trouver des moyens de faire en sorte que les plantes produisent plus d’huile dans leurs graines est un Saint Graal pour l’industrie agricole. Cependant, la plupart des cultures oléagineuses, telles que le palmier à huile, le soja, le tournesol, le colza, l’arachide, ont un pourcentage élevé d’excès d’huile dans leurs fruits ou graines, et il est difficile d’augmenter leur teneur en huile par les méthodes traditionnelles de croisement.

Les huiles végétales sont couramment utilisées dans la transformation des aliments, les biocarburants, les savons et les parfums, et leur marché mondial devrait représenter 241,4 milliards de dollars américains en 2021 et atteindre 324,1 milliards de dollars américains d’ici 2027.[1]. L’augmentation du rendement en huile des plantes peut également aider le monde dans sa quête de durabilité en aidant à réduire la quantité de terres arables nécessaires à la production de pétrole.

Le secret pour aider les plantes à stocker plus d’huile dans leurs graines est l’une de leurs protéines appelée WRINKLED1 (WRI1). Les scientifiques savent depuis plus de deux décennies que WRI1 joue un rôle important dans le contrôle de la production d’huile de graines végétales.

Maintenant, pour la première fois, la structure à haute résolution de WRI1 a été décrite et rapportée par une équipe NTU codirigée par le professeur agrégé Gao Yonggui et le professeur adjoint Ma Wei de l’École des sciences biologiques.

Publié dans la revue Science Advances, l’équipe a détaillé la structure moléculaire de WRI1 et comment il se lie à l’ADN végétal – qui signale à la plante la quantité d’huile à stocker dans ses graines.

Sur la base de l’idée que la structure atomique du complexe WRI1-ADN a été révélée, l’équipe a modifié WRI1 pour augmenter son affinité pour l’ADN afin d’améliorer le rendement en huile. Dans cette approche, des parties de WRI1 ont été sélectionnées pour des modifications visant à améliorer la liaison à l’ADN, et plusieurs formes de WRI1 ont été produites.

Ces candidats WRI1 ont ensuite été testés pour évaluer leur capacité à activer la production d’huile dans les cellules végétales. Comme prévu par l’équipe, ils ont montré que les versions modifiées de WRI1 décuplaient la liaison à l’ADN par rapport au WRI1 original, ce qui entraînait une teneur en huile plus élevée dans ses graines.

Biologiste structurel Assoc. Le professeur Gao a déclaré : « Pouvoir voir exactement à quoi ressemble WRI1 et comment il se lie à l’ADN responsable de la production d’huile dans la plante était essentiel pour comprendre l’ensemble du processus. WRI1 est un régulateur important qui indique à la plante la quantité d’huile à stocker dans ses graines. “Une fois que nous avons pu voir visuellement le” verrou “, nous avons développé la” clé “qui pourrait libérer le potentiel de WRI1.”

Comment fonctionne le remplacement WRI1

Au niveau atomique, l’équipe a analysé la structure cristalline de la protéine WRI1 et les brins d’ADN double brin auxquels elle se lie, et a découvert que ce domaine de liaison à l’ADN est largement conservé. Cela signifie qu’il y avait peu ou pas de variation, ce qui suggère qu’il pourrait y avoir un mécanisme de liaison commun pour de nombreuses espèces végétales.

En utilisant cette structure cristalline de WRI1 comme “cible”, l’équipe a ensuite tenté de modifier WRI1 pour augmenter l’affinité de liaison de la protéine pour l’ADN cible. Les instructions pour coder cette protéine WRI1 modifiée sont ensuite insérées dans des cellules végétales cibles, qui utiliseront ensuite ce nouveau “jeu d’instructions” lorsque la plante produira WRI1.

Pour observer comment le WRI1 modifié affecte l’accumulation de graisse, la protéine modifiée et la forme non modifiée ont été injectées dans des feuilles de Nicotiana benthamiana lors d’expériences en laboratoire et analysées pour les niveaux de triacylglycérol (la principale forme de lipide alimentaire dans les huiles et les graisses). La protéine WRI1 modifiée a produit des augmentations plus significatives de la production de triacylglycérols que la plante témoin introduite avec la forme non modifiée de WRI1.

Des expériences ultérieures ont montré que la teneur en huile des graines d’Arabidopsis thaliana modifiées était supérieure à celle de la forme non modifiée. La progéniture de cette plante génétiquement modifiée portera également la même protéine WRI1 modifiée et produira plus d’huile dans ses graines.

Asst Prof Ma, un biologiste moléculaire végétal qui a étudié WRI1 depuis ses études post-doctorales, a déclaré que la modification de WRI1 pour améliorer sa liaison à l’ADN était une étape logique pour l’équipe.

“Nous savons que WRI1 est une protéine qui se lie à la séquence d’ADN d’une plante et déclenche une chaîne spécifique d’instructions qui régulent l’accumulation d’huile dans les graines. Plus la liaison est forte, plus l’huile sera concentrée dans les graines de la plante. Par conséquent, nous avons choisi d’améliorer cette partie de WRI1 qui se lie à un ADN cible hautement conservé parmi de nombreuses plantes à graines. Le degré élevé de conservation signifie que de nombreuses espèces végétales auront le même mécanisme qui peut être modifié, nous devrions donc être en mesure de transposer facilement notre modification du rendement en huile à de nombreux types de cultures différents à l’avenir », a expliqué le professeur Assoc Ma.

« L’huile de graines végétales est vitale pour l’alimentation humaine et utilisée dans de nombreuses applications industrielles importantes. La demande mondiale d’huile végétale augmente très rapidement, et nos recherches contribuent aux efforts visant à améliorer durablement la production d’huile de graines et à réduire potentiellement les impacts environnementaux de l’agriculture. Asst Prof Ma ajouté.

À l’avenir, l’équipe a déposé un brevet pour la méthode de modification génétique par l’intermédiaire de NTUitive, le bureau de l’innovation et de l’entreprise de l’Université, et recherche des partenaires industriels pour commercialiser leur invention.

Cette recherche est alignée sur le plan stratégique NTU2025 et le Manifeste de durabilité de l’Université, qui vise à explorer et à développer de nouvelles technologies vers un avenir plus vert.

Le professeur William Chen, directeur du programme de science et technologie alimentaires de NTU, Michael Fam Chair, a commenté un expert indépendant, affirmant qu’il existe plusieurs façons de lutter contre la faim dans le monde, notamment en augmentant la quantité de nourriture produite ou en augmentant les calories et la valeur nutritionnelle des aliments. aliments manufacturés.

« Dans un monde où les terres arables pour l’agriculture sont limitées, des technologies de pointe sont nécessaires pour produire plus d’aliments à valeur nutritionnelle plus élevée si nous espérons lutter contre la faim dans le monde. “Si nous pouvons augmenter la teneur en matières grasses des graines et des noix comestibles, les gens peuvent manger moins, mais se sentir rassasiés en raison de l’augmentation des calories consommées”, a déclaré le professeur Chen, un expert bien connu en matière de sécurité alimentaire qui n’a pas participé à cette étude. . .

“Ainsi, au lieu de cultiver plus de cultures pour nourrir plus de personnes, nous devons rechercher des moyens de cultiver des cultures plus caloriques et nutritives afin que la même quantité de nourriture puisse nourrir plus de personnes.”

Référence: Qiao Z, Kong Q, Tee WT, et al. Base moléculaire de WRINKLED1, un régulateur clé de la biosynthèse des huiles végétales. Sci Adv. 2022;8(34):eabq1211. doi : 10.1126/sciadv.abq1211

Cet article a été réimprimé à partir des documents suivants. Remarque : le matériel peut avoir été modifié pour la longueur et le contenu. Contactez la source indiquée pour plus d’informations.

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