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Jun 14, 2023

Appelez ça un retour : le laboratoire Warnell a mis au point un processus qui donne aux châtaignes une chance de se battre

L'année dernière, sur un lopin de terre du centre de New York, des chercheurs ont collecté plus

L'année dernière, sur une parcelle de terrain du centre de New York, des chercheurs ont récolté plus de 11 000 châtaignes.

Mais ces noix ne seront absolument pas grillées sur un feu ouvert. Au lieu de cela, ils seront replantés et testés pour la présence d'un gène spécifique, l'oxalate oxydase, ou OxO, qui confère aux arbres une résistance à la brûlure du châtaignier.

C'est encore un long voyage pour replanter les milliards de châtaignes perdus au cours des 100 dernières années, lorsque le champignon est arrivé en Amérique du Nord avec un châtaignier asiatique. Mais c'est plus de progrès que ce qui a été fait depuis des générations grâce à la technologie au niveau cellulaire, aux partenariats de recherche et à une technique de reproduction d'embryons de châtaignier génétiquement identiques développée par des scientifiques de l'Université de Géorgie Warnell School of Forestry and Natural Resources.

Il s'avère que les châtaigniers sont un groupe capricieux.

Lorsqu'ils ont commencé à succomber au mildiou au début des années 1900, les scientifiques ont d'abord essayé de s'attaquer à l'agent pathogène Cryphonectria parasitica. Les scientifiques ont également essayé de croiser des châtaigniers indigènes avec des variétés asiatiques, mais ces arbres, même s'ils ont montré une certaine résistance au mildiou, n'ont jamais persisté dans la forêt.

Au fur et à mesure que la technologie évoluait, les scientifiques ont exploré de nouvelles façons de cultiver les châtaignes. À Warnell dans les années 1980, le professeur Scott Merkle a commencé à étudier l'embryogenèse somatique pour cloner des échantillons prélevés sur des arbres survivants découverts dans la nature. Ces arbres ont vécu assez longtemps pour produire des noix, qui ont été récoltées et utilisées pour démarrer des cultures. Vers 1989, il a affiné le processus : l'embryogenèse somatique commence par un embryon de graine d'une noix. Il est cloné pour créer des milliers de nouveaux embryons génétiquement identiques, qui prolifèrent jusqu'à ce qu'ils reçoivent le signal de terminer leur développement en embryons matures. Ce sont ces embryons somatiques qui germent en semis.

À l'époque, les scientifiques ne savaient pas quels gènes pourraient être utilisés pour aider les châtaignes à lutter contre la brûlure. Merkle pensait que les cultures de tissus, si elles étaient perfectionnées sur ces arbres capricieux, pourraient aider sur la route.

"Il l'a vu comme un outil pour faire deux choses", a déclaré Dayton Wilde, professeur au Collège UGA des sciences agricoles et environnementales qui a travaillé dans le laboratoire de Merkle en tant qu'associé postdoctoral. "Une cible pour la transformation génétique - ne sachant même pas quels gènes pourraient exister mais sachant qu'il pourrait y avoir un gène de résistance qui pourrait devenir disponible et qu'il devait y avoir un moyen de l'intégrer - et deuxièmement, une fois que vous obtenez un arbre avec une génétique améliorée dont vous avez besoin pour en faire de nombreuses copies. Vous êtes capable de faire une propagation de masse par embryogenèse.

À peu près à la même époque, des scientifiques du Collège des sciences environnementales et forestières de l'Université d'État de New York (SUNY-ESF) tentaient d'insérer des gènes dans de nouvelles pousses. C'était comme si les laboratoires contenaient les pièces du même puzzle. Alors que Merkle s'efforçait de faire en sorte que les embryons somatiques se transforment en semis en tant que véhicule pour de nouveaux gènes, les chercheurs de SUNY-ESF, Bill Powell et Chuck Maynard, expérimentaient de nouveaux gènes, mais n'arrivaient pas à les faire s'implanter dans les plantes.

"A cette époque, nous avions un bon système de transformation génétique pour travailler avec des cultures embryogènes de peuplier jaune et nous l'avons en quelque sorte adapté au châtaignier. Scott a vraiment été le premier à développer un système d'embryogenèse somatique pour le châtaignier", a déclaré Wilde. "À cette époque, SUNY-ESF s'intéressait également à la restauration du châtaignier et souhaitait collaborer avec Scott à ce sujet."

Maynard avait recruté le chercheur postdoctoral Zizhuo Xing, qui a aidé à relier les pièces du puzzle : il a appliqué le protocole somatique de Merkle pour travailler avec des cultures embryogènes.

Dans une interview de 2019, Powell de SUNY-ESF a donné pour la Templeton World Charity Foundation, il a décrit le lien qu'il a établi entre l'acide oxalique et la brûlure du châtaignier - le champignon utilise l'acide oxalique pour attaquer l'arbre, mais si vous pouvez faire pousser un arbre qui décompose l'oxalique acide, il n'est en théorie plus sensible au mildiou.

En utilisant un processus bactérien naturel pour insérer le gène OxO dans des cellules cultivées en laboratoire, ils ont pu cultiver des châtaignes avec un niveau de résistance similaire aux châtaignes asiatiques.

"Une fois que les bactéries ont déplacé l'ADN dans les cellules végétales, nous propageons ces cellules et, finalement, faisons pousser des arbres à partir de ces cellules. Le travail de Scott a vraiment été la clé de ce processus qui consiste à passer d'une seule cellule à une plante entière, en particulier pour le châtaignier", a déclaré Andy. Newhouse, codirecteur du projet de recherche et de restauration du châtaignier américain à SUNY-ESF. "Une partie de la raison pour laquelle tout cet effort de restauration des châtaignes avec le génie génétique a pris plus de 30 ans est que chaque étape du processus doit être prise en compte. Mais le travail de Scott et le travail qui se chevauche dans nos laboratoires nous ont permis d'y arriver."

Au fil des décennies, la compétition amicale entre les laboratoires a contribué à de nouvelles découvertes. La société de semis ArborGen et, plus récemment, la Forest Health Initiative ont également financé les deux laboratoires pour travailler sur l'embryogenèse somatique et les systèmes de transfert de gènes.

L'American Chestnut Foundation a également été un partenaire clé dans ce travail. Il a aidé à financer la recherche, à formaliser les processus et à créer un réseau de pépinières désireuses d'aider au processus de restauration.

Les progrès réalisés au cours des deux dernières décennies ont été stupéfiants, a déclaré Sara Fitzsimmons, responsable de la conservation pour l'American Chestnut Foundation.

"Jusqu'au milieu des années 2010, de nombreuses personnes travaillaient sur divers aspects de la restauration du châtaignier, et il y avait une collaboration par le biais d'un groupe appelé NE-1333 - nous nous réunissions et voyions où il y avait une collaboration croisée", a déclaré Fitzsimmons. "Scott s'est concentré principalement sur la culture tissulaire et la cryoconservation, en découvrant les mécanismes d'amélioration du pipeline transgénique. Le laboratoire de Bill à l'ESF a fait cela avec beaucoup de commentaires sur ce qui se passe au laboratoire de Scott."

Cependant, il reste encore un barrage routier avant que les châtaignes du centre de New York ne puissent être trouvées dans une pépinière près de chez vous. Et cela a à voir avec les gènes et les réglementations.

Lorsque le laboratoire de Powell a réussi à transformer un New York American Chestnut avec le gène OxO, il a créé une nouvelle lignée appelée Darling 58. Ils ont ensuite produit des embryons somatiques à partir de cette lignée, enracinant les pousses pour produire des arbres Darling 58 transgéniques.

Lorsque des arbres transgéniques sont utilisés dans la recherche, ils nécessitent un permis d'essai sur le terrain de l'USDA-APHIS. Bien qu'il s'agisse d'un processus complexe, il n'est pas aussi impliqué que le "statut non réglementé" requis pour distribuer un arbre transgénique au public. Cela nécessite l'approbation de l'USDA-APHIS, de l'EPA et de la FDA. Cela fait des années que cela se prépare, mais une décision est attendue dans les prochains mois.

S'il est approuvé, c'est une étape majeure pour les arbres transgéniques. Jusqu'à présent, le processus a été utilisé par le secteur agricole pour les approbations de cultures transgéniques. Les entreprises embauchent des équipes pour remplir et gérer les demandes.

"On nous a dit que ce n'était pas faisable", a ajouté Newhouse, qui a suivi la demande fédérale jusqu'à ses dernières étapes. "Et il a fallu des années de réunions et de résolution de problèmes, mais nous y sommes. Nous avons l'engagement des trois agences et nous attendons une décision bientôt."

Merkle soupire lorsqu'il se souvient de la paperasse nécessaire pour faire pousser des châtaigniers transgéniques à Whitehall Forest ou même pour polliniser des châtaignes à la ferme horticole UGA il y a quelques années. Il a utilisé du pollen de SUNY-ESF ; les arbres ont produit des noix, qui ont ensuite été envoyées à SUNY-ESF, à la Penn State University et à la ferme de recherche TACF à Meadowview pour être testées pour la résistance à la brûlure.

Quant à sa propre culture d'arbres transgéniques, Merkle a déclaré qu'il en avait terminé avec les essais sur le terrain. Mais il est parfaitement heureux de travailler dans son laboratoire à cultiver des semis transgéniques pour que d'autres les testent sur le terrain. Et c'est exactement de cette manière que Merkle contribue à la prochaine étape du développement de la châtaigne.

Alors que les châtaignes poussaient du Maine à la Géorgie, les climats et les emplacements variés ont créé différents génotypes à travers la gamme - une génétique légèrement différente en réponse aux conditions locales. Parce que les futures châtaignes sont sélectionnées pour le gène OxO, cela signifie qu'un bloc de gènes adjacent au gène OxO sur le chromosome de Darling 58 est susceptible d'être emporté avec chaque génération, plutôt que d'être dilué avec le temps. "Donc, il y a un morceau de taille inconnue de cet arbre de New York qui va être produit dans tous les arbres OxO que nous produisons ici en Géorgie en utilisant du pollen Darling 58", a déclaré Merkle.

Il travaille maintenant à insérer directement le gène OxO dans des variétés régionales de châtaignes, qui peuvent ensuite être cultivées dans leurs climats d'origine si Darling 58 reçoit l'approbation fédérale. Ce travail, soutenu par l'American Chestnut Foundation et la Foundation for the Carolinas, est effectué dans le laboratoire de Merkle par le professionnel de recherche Ryan Tull et l'associée postdoctorale Heather Gladfelter. Le professionnel de la recherche Paul Montello supervise la cryoconservation des copies des cultures pour une utilisation future.

Ce travail continuera à renforcer l'avenir des châtaignes américaines, a déclaré Jared Westbrook, directeur scientifique de l'American Chestnut Foundation.

"Scott travaille avec nous depuis quelques années pour mettre le gène OxO dans d'autres arbres, pas seulement des arbres de New York, afin que nous n'ayons pas de goulot d'étranglement (de gènes)", a déclaré Westbrook. "Scott est le pionnier du développement de ces méthodes de culture d'embryons de châtaignier et de la réalisation d'une partie du génie génétique - le clonage des châtaignes d'une manière que nous pourrions insérer différents gènes dans le génome de l'arbre."

L'objectif, a-t-il dit, est de reproduire le gène OxO dans 200 arbres de toute la gamme. Chaque année, les scientifiques pollinisent à la main quelques milliers d'arbres. Avec la déréglementation, ils pourraient s'étendre à la plantation de 10 000 arbres par an.

Des estimations approximatives placent la population originale de châtaignes à 4 milliards. Cela fait beaucoup d'arbres à remplacer et un problème logistique à grande échelle pour Fitzsimmons, qui est chargé de remettre les arbres dans la forêt.

Mais travailler avec des pépinières, en prévision de la distribution potentielle de semis plus tard cette année, lui donne de l'espoir. C'est un changement radical par rapport à ce qu'étaient les châtaignes il y a seulement quelques décennies.

"Les châtaignes sont ce que nous appelons une espèce récalcitrante - la graine ne peut être stockée que pendant un an, et il y a toutes ces choses qui en font une espèce difficile à travailler", a-t-elle déclaré. "Mais ce sont quelques-uns des pas de géant réalisés par les laboratoires de Scott et de Bill. Ils ont trouvé des moyens de surmonter certains de ces défis."

Cette histoire a été publiée pour la première fois par la Warnell School of Forestry & Natural Resources et est republiée avec permission.