Fusion de protoplastes

Définition

La fusion de protoplastes, dite fusion somatique, est une méthode de recombinaison de deux cellules, utilisée en génie génétique, dont la première étape consiste à dépouiller les cellules de leur paroi, le protoplaste. Ici, la fusion fait référence à des cellules dont les parois cellulaires étaient auparavant des enzymes dissoutes (protoplastes).

Processus de fusion des protoplastes :

Illustration du processus de fusion de protoplastes avec (a-d) les différentes phases d'électrofusion de deux protoplastes. (a) Les protoplastes sont alignés par l'application du champ AC. (b et c) Les impulsions DC induisent la rupture des membranes et (d) l'hétérocaryon se forme, mais les cytoplasmes ne sont pas encore mélangés. (e) Produits d'électrofusion : h – hétérocaryon des protoplastes du mésophylle et du cal; c et s - homocaryons de protoplastes de cal et de mésophylle, respectivement. (f) Protoplastes de mésophylle observés sous lumière ultraviolette (UV). (g) La pointe de flèche indique un hétérocaryon dérivé des protoplastes du mésophylle et du cal, observé sous lumière UV. (h) Protoplastes de callus traités avec de l'isothiocyanate de fluorescéine et observés sous lumière UV. (i) Plantes hybrides somatiques (au milieu) entre Medicago arborea (à gauche) et Medicago sativa (à droite).

Explications

La fusion des protoplastes est une technique dans laquelle la fusion biologique provient des membranes de deux ou plusieurs cellules résultant en un hybride somatique. La technique est largement utilisée pour introduire la variabilité des souches d'intérêt biotechnologique. Cette fusion somatique est généralement réalisée à l'aide de protoplastes végétaux, c'est-à-dire de cellules végétales dépourvues de parois cellulaires, bien qu'elle puisse également être effectuée à l'aide d'autres taxons, tels que certains champignons.

La fusion de protoplastes est un nouvel outil pour transférer des gènes pour une qualité et une quantité de production souhaitées. Dans cette technologie, deux protoplastes d'origine génétique différents provenant de différentes cellules somatiques sont fusionnés afin d'obtenir des protoplastes hybrides parasexuels.

Utilisations

En biotechnologie végétale, la fusion des protoplastes est utilisée dans les programmes de sélection. Un exemple est la génération de polyploïdes, généralement plus productifs. Pour cela, la méthodologie consiste à appliquer des impulsions électriques aux cellules en suspension (électroporation) ou à induire la désorganisation des membranes à l'aide de polyéthylène glycol. Cette technique, malgré le mélange du contenu génétique de deux lignées différentes, n'est pas considérée comme du génie génétique, car la technologie de l'ADN recombinant n'est pas utilisée dans son exécution.

Cette fusion in vitro est induite par le courant électrique ou par le polyéthylène glycol. Après la fusion des cellules, la fusion cellulaire, il y a généralement aussi une fusion des noyaux cellulaires, la caryogamie. Il est donc possible de créer des hybrides (appelés hybrides somatiques) même à partir de ces lignes de départ qui ne peuvent pas être croisées les unes avec les autres. La caryogamie conduit à une polyploïdisation dans les hybrides résultants.

✅ L'exemple le plus connu de tels hybrides somatiques est le "pomate" créé par Georg Melchers en 1978, un hybride somatique de tomate et de pomme de terre.

La technique de fusion des protoplastes convient également à l'analyse génétique de mutants de développement non fertiles, tels que dans la mousse Physcomitrella patens. Dans la culture de la pomme de terre, elle est rendue plus résistante à certains virus et champignons.

Expression hétérologue

La sélection cellulaire et la fusion de protoplastes sont discutées avant d'évaluer les avantages potentiels des espèces végétales transgéniques. La sélection cellulaire consiste à sélectionner activement des lignées cellulaires au phénotype altéré. Le nouveau phénotype pourrait provenir d'événements génétiques ou non génétiques et les lignées cellulaires sélectionnées sont donc appelées variantes. Le terme mutant est retenu pour les lignées cellulaires où un événement génétique a eu lieu. En bref, la variante doit être examinée puis sélectionnée. Il s'agit d'imposer une pression de sélection sur la population cellulaire afin que seuls les individus au phénotype altéré puissent survivre ou se développer.

Les variations génétiques dans les plantes régénérées ont un biais chromosomique et peuvent impliquer des ensembles chromosomiques complets (polyploïdie), la perte ou le gain d'ensembles chromosomiques individuels (aneuploïdie) ou des réarrangements structurels au sein de chromosomes individuels (délétions, duplications, inversions et translocations).

La lignée cellulaire modifiée avec le phénotype stable peut ensuite être isolée de la culture cellulaire. Le phénotype modifié peut inclure une résistance accrue aux stress tels que la sécheresse, le gel et la chaleur, la résistance aux herbicides, aux fongicides, aux métaux lourds, à l'aluminium, à la salinité, aux agents pathogènes et aux virus.

Malheureusement, les bases moléculaires de la plupart des phénotypes importants en agriculture sont si mal comprises qu'il n'est pas vraiment possible de concevoir des protocoles de sélection efficaces et de définir des paramètres de sélection potentiels.

La fusion de protoplastes permet la production des hybrides somatiques. Une cellule peut être amenée à fusionner avec une autre cellule pour former l'hétérocaryon qui se compose de cytoplasmes contenant des chloroplastes, des mitochondries et des noyaux des deux cellules mères. La génération du protoplaste à partir de la cellule végétale peut être réalisée simplement en incubant le tissu dans un cocktail d'enzymes comprenant des cellulases, des hémicellulases et des pectinases.

Une fois la paroi cellulaire retirée de la cellule, un milieu externe hypo-osmotique lysera le protoplaste à moins qu'un osmotique approprié tel que le mannitol et le sorbitol ne soit présent dans le milieu d'incubation. La fusion des protoplastes peut être induite par un champ électrique ou chimiquement, par addition de 20 à 40 % de polyéthylène glycol qui entraîne l'agrégation des protoplastes et la dilution du polyéthylène glycol qui provoque la fusion des protoplastes. L'hybride somatique doit être sélectionné après fusion des protoplastes.

La procédure de sélection peut, par exemple, être basée sur l'analyse de marqueurs biochimiques ou sur un effet différentiel d'un inhibiteur métabolique. Un protoplaste pourrait être inhibé de manière irréversible par un inhibiteur et un autre protoplaste pourrait être inhibé de manière irréversible par un autre inhibiteur. Cependant, l'hybride somatique survivra et se développera en présence des inhibiteurs car les deux cellules mères apporteront des enzymes qui ne seront pas affectées par chaque inhibiteur. À l'heure actuelle, il s'est avéré difficile de régénérer des plantes cultivées à partir de protoplastes.

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