Titre du projet

Ingénierie cellulaire : amélioration et innovation technologiques pour les plantes d'une agriculture durable

Genome ENgineering Improvement for Useful plants of a Sustainable agriculture

ACRONYME projet

GENIUS

Site web

http://www.genius-project.fr/

Nom du coordinateur

Peter Rogowsky

Nom du chef de projet

Laure Trannoy

Nom du(des) responsable(s) communication

Peter Rogowsky, Pierre Barret, Laure Trannoy

Partenaires du projet

INRA RDP, INRA IGEPP, INRA IJPB, INRA AGPF, INRA IRHS, INRA GAFL, INRA GDEC, CIRAD AGAP, INRA GAEL, Université Lyon 3, Biogemma, Germicopa, Delbard, Vilmorin

Résumé du projet (100 mots)

GENIUS a établi la technologie de l'édition du génome chez 9 espèces cultivées (blé, maïs, riz, tomate, pomme de terre, colza, peuplier, pommier, rosier) et 3 espèces modèles (Brachypodium, Physcomitrella, Arabidopsis) au niveau français et amélioré l'efficacité de la transgenèse chez des espèces récalcitrantes (peuplier, pommier, rosier) et pour des génotypes élites (maïs, pomme de terre, pommier, rosier). Les preuves de concept ont porté sur la résistance aux maladies, la tolérance à la salinité, la précocité de la floraison, l'architecture de la plante ou encore la reproduction, privilégiant des traits d'intérêt pour une agriculture plus durable.

Ambition du projet (100 mots) et lien avec son impact

Les ambitions de GENIUS sont de

(i) rendre accessible la technologie de l'édition du génome aux équipes de recherche publiques et privées françaises pour la recherche fondamentale en biologie végétale chez des espèces cultivées

(ii) tester dans des systèmes modèles des développements ou optimisations de la technologie

(iii) apporter en environnement confiné des preuves de concept illustrant le potentiel de la technologie pour apporter des traits permettant une agriculture plus durable

(iv) fédérer une communauté autour d'une technologie plutôt que des espèces

1 ou 2 Success stories scientifique/technique

(1 ou 2 success stories vulgarisées composées chacune d'une accroche de 5 mots et une story de 100 mots)

Indiquer le niveau de maturité du résultat/de la technologie décrit(e)

(sur l'échelle TLR* de 1 à 9)

1. Résistance de la tomate aux potyvirus

Des génotypes de tomate originaux ont été obtenus en réalisant deux modifications ciblées dans le gène eIF4E dont de nombreux potyvirus affectant les cultures de tomate ont besoin pour réaliser leur cycle infectieux. Nous cherchons à rendre ce gène inexploitable par ces virus tout en le maintenant parfaitement fonctionnel pour la plante qui en a également besoin. Des travaux de phénotypage sont en cours pour confirmer que ces plantes de tomate possèdent des résistances aux potyvirus nouvelles et élargissent ainsi la variabilité génétique pour la résistance aux virus chez cette espèce.

TRL : 3

2. Réduction de l'amylose chez la pomme de terre

Chez la pomme de terre, une seule enzyme (GBSS pour Granule-Bound Starch Synthase) gouverne la teneur en amylose de l'amidon stocké dans les tubercules. Son inactivation conduit à une qualité d'amidon particulièrement recherchée pour certains processus industriels. En 1987, des mutants par inactivation du gène gbss ont été obtenus par irradiation. L'inactivation de ce même gène a été entreprise par l'utilisation de deux types de nucléases site spécifiques : des couples de TALEN et le complexe CRISPR/Cas9. Dans le dispositif mis en œuvre, l'action des nucléases est limitée dans le temps sans intégration de transgènes dans les plantes. Cette approche a permis d'obtenir des plantes mutées au site ciblé présentant une réduction significative de la teneur en amylose.

TRL : 4

1 Success stories non scientifique (par exemple sur la structuration d'une communauté)

(1 success story vulgarisée composée avec une accroche de 5 mots et une story de 100 mots)

1. Une communauté focalisée sur une technologie

Si la France a toujours eu un excellent savoir-faire en ingénierie cellulaire, cette expertise restait cloisonnée au niveau local au service d'une recherche axée sur la biologie ou amélioration d'une espèce. GENIUS a sorti les acteurs de leur isolement et les a fédérés autour d'un défi majeur, l'implémentation de l'édition des génomes en biologie végétale en France. La mise en place d'outils communs, la formation mutuelle, la sollicitation d'experts internationaux, le dialogue entre recherche fondamentale et appliquée, l'échange sur les problèmes rencontrés ont grandement accéléré la relève de ce défi et la rencontre avec des chercheurs en sciences humaines et sociales a permis de situer les avancées technologiques dans un contexte sociétal.

Décrire les résultats obtenus les plus marquants hors success stories (3 résultats, accroche de 5 mots plus 50 mots par résultat)

1. polQ, un booster de la recombinaison homologue?

Nous avons montré que la polymerase Q (POLQ) impliquée dans le NHEJ alternatif est essentielle à l'intégration aléatoire des transgènes et un inhibiteur de la réparation par recombinaison homologue. Ainsi, le contrôle de l'activité de POLQ dans les plantes pourrait permettre d'augmenter l'efficacité d'édition de gènes pour la sélection végétale.

TRL : 2

2. Floraison précoce chez des espèces pérennes

GENIUS a permis l'obtention de plantes à floraison précoce (dès le stade in vitro) et continue par deux approches : 1) surexpression d'un activateur de floraison (RoFT) chez le rosier (variété "Pimprenelle") et 2) mutagenèse dirigée par CRISPR du répresseur floral MdTfl1.1 chez le pommier (variétés "Gala" et "Tentation") et chez le poirier (variété "Conférence").

TRL : 3

3. Augmentation du nombre de pétales chez le rosier

GENIUS a démontré l'efficacité, pour le contrôle d'un caractère ornemental du rosier, de la réduction de l'expression d'un gène par un micro-ARN artificiel ("amiRNA"). Chez "Old Blush", une variété génitrice des rosiers modernes, l'expression d'un amiRNA ciblant le gène floral AGAMOUS conduit à une augmentation significative du nombre de pétales : de 25-30 à 50-80.

TRL : 3

Décrire les outils développés les plus marquants et les sauts technologiques qu'ils permettront (3 outils, accroche de 5 mots plus 50 mots par outil)

1. Transformation in planta chez le peuplier

GENIUS a développé un protocole de transformation génétique innovant, basé sur l'injection d'A. tumefaciens dans des bourgeons floraux de peuplier. Ce protocole est efficace sur plusieurs génotypes de Populus nigra, espèce autochtone récalcitrante à la transformation in vitro. Il ouvre la voie à l'utilisation de la transgénèse chez un plus large panel de génotypes chez le peuplier.

TRL : 4

2. Transformation de lignées élites d'espèces récalcitrantes

GENIUS a permis de réussir la transformation génétique de plusieurs génotypes d'espèces récalcitrantes à la transformation, en optimisant les protocoles de production des plantes mères, de régénération puis de transformation par A. tumefaciens chez le maïs (1 lignée), le rosier (2 variétés) et le pommier (1 variété et 1 porte-greffe)

TRL : 4

3. DFR - un marqueur visible pour une insertion ciblée

Une méthode permettant l'obtention d'insertions ciblées de transgènes dans le génome de plantes, évènement que l'on sait très rare et nécessitant de coûteuses analyses moléculaires, a été élaborée et validée expérimentalement chez la tomate. Elle est basée sur l'exploitation d'un gène impliqué dans la synthèse des anthocyanes : le gène DFR. L'obtention d'insertions ciblées au site DFR, chez des plantes préalablement mutées au niveau de ce gène, est associée à la réparation du gène DFR. Les plantules portant des insertions ciblées sont donc mises en évidence visuellement par leur couleur rouge caractéristique dès leur apparition en culture in vitro.

TRL :4

Donner quelques chiffres marquants selon ce qui paraît le plus pertinent par rapport au projet (nombre de parcelles utilisées, nombre d'hectares et génotypes, de ressources génétiques mobilisée, réseau de phenotypage, nombre de données générées/archivées, etc.)

Chiffres marquants :

Nombre de constructions TALEN (couples) transformées : 22

Nombre de guide RNA conçus/utilisés en transformation végétale : 185

Nombre de constructions transformées (tout confondu) :  316

Nombre d'évènements de transformation régénérés :  7505

Combien de publication dans des revues à comité de lecture ont été publiées ?

Combien de publications supplémentaires sont attendues fin 2019 ?

Précisez les thèmes pour les publications attendues fin 2019 et 2 ans après la fin du projet

Nombre de publications : 19

Nombre de publications attendues fin 2019 : 30

Nombre de publications attendues 2 ans après la fin du projet : 40

Thèmes pour les publications attendues fin 2019 :

• Tomate, édition eIF4E, résistance potyvirus
• Riz, mutagenèse dirigée SHR1/SHR2, analyse fonctionnelle
• Riz, mutagenèse dirigée SAP9, analyse fonctionnelle
• Riz, remplacement OsSAP9 par AlSAP, tolérance salinité
• Rosier, transformation par organogenèse
• Pommier, preuve de concept amiRNA sur PDS
• Pommier/poirier, mutagenèse dirigée PDS (preuve de concept) et Tfl1 (floraison précoce)
• Maïs, mutagenèse dirigée OSD1, gamètes non réduits

Citer les 3 publications les plus marquantes et 1 à venir (avec date prévue)

Faire référence aux sites web où toutes les publications sont listées

1. Bes M, Herbert L, Mounier T, Meunier AC, Durandet F, Guiderdoni E, Périn C (2018) Efficient genome editing in rice protoplasts using CRISPR/CAS9 construct. Methods Mol Biol, en révision.
2. Collonnier C, Epert A, Mara K, Maclot F, Guyon Debast A, Charlot F, White C, Schaefer DG, Nogué F (2017) CRISPR-Cas9-mediated efficient directed mutagenesis and RAD51-dependent and RAD51-independent gene targeting in the moss Physcomitrella patens. Plant Biotech J 15: 122-131.
3. Righetti L, Djennane S, Berthelot P, Cournol R, Wilmot N, Loridon K, Vergne E, Chevreau E (2014) Elimination of the nptII marker gene in transgenic apple and pear with a chemically inducible R/Rs recombinase. Plant Cell Tissue and Organ Culture 117:335-348.

A venir :

Danilo B, Botton E, Perrot L, Nogue F and Mazier M (2019) Large deletion in a tomato phenotypic marker using the CRISPR-Cas 9 system

Combien de posters scientifiques ?

7 posters

Combien de communications orales ? (présentations dans des événements scientifiques) 

Congrès scientifiques : 57

Interventions grand public : 26

Nombre de chercheurs impliqués (permanents et non permanents) ?

Nombre d'ETP mobilisés :

De 19 à 39 chercheurs/an (28 chercheurs en moyenne)

Précisez si possible le rapport public/privé

2185 ETP publics/446 ETP privés = 4.9

Combien de stagiaires e.g. M2, BTS, IUT?

32 stagiaires

Combien de thésards impliqués dans le projet ?

2 doctorants

Combien de Post-Doc impliqués dans le projet ?

De 1 à 3/an et en moyenne 2/an

Combien de collaborations externes portant sur des résultats du projet aux niveaux national et international ?

Les collaborations concernent le savoir-faire acquis dans le projet (technologie), pas les preuves de concepts élaborées (traits).

National: 5

International: 7

• Tomate : 0+1
• Maïs : 1+1
• Riz : 2+3
• Pomme de terre : 1+0
• Pommier : 0+1

Physcomitrella : 1+1

Décrire les 2 ou 3 collaborations les plus marquantes montrant la valeur ajoutée des résultats du projet

1. P5a et Turquie sur CRISPR-Cas9 chez les arbres
2. P1a et Italie sur CIRSPR-Cas9 chez le maïs
3. P3a et Taiwan sur CRISPR-Cas9 chez la pomme de terre

Combien de transferts de résultats vers des partenaires externes au projet ? (NB: ne figurent pas les transferts au sein de la même unité à des équipes hors GENIUS)

Pommier : 3

Tomate : 2

Riz : 4

Pomme de terre : 2

Physcomitrella : 24

Quels types de résultats ont été transférés pour une utilisation en dehors de GENIUS ?

(Aspect qualitatif)

• Pommier : Protocole optimisé de transformation génétique du pommier
• Pommier : Protocole de mutagenèse dirigée par CRISPR-Cas9
• Tomate : Distribution du protocole CRISPR-Cas9 pour l'édition du génome
• Tomate : Protocoles de transformation et régénération
• Riz : Protocole de transformation transitoire de protoplastes
• Pomme de terre : Techniques de transformation directe sur protoplastes sans intégration de transgène
• Physcomitrella : Distribution du module CRISPR-Cas9 pour de l'édition du génome

Lister les partenaires externes ayant bénéficié de résultats issus du projet

Pommier/poirier:

• Fernando Andres et Joan Estevan, INRA Montpellier (France)
• Michela Dall'Agata, Université de Bologne (Italie)
• Nicat Cebrailoglu, Université Technique de Gebze (Turquie)

Tomate :

• Ben Field, BIAM, Aix-Marseille (France)
• Marc Valls/Nuria Sanchez-Coll, CRAG, Barcelona (Espagne)

Riz :

• Anne-Aliénor Véry, INRA Montpellier (France)
• Mathias Lorieux, CIAT (Colombie)
• Adam Price, University of Aberdeen (Royaume Uni)
• Thibault Mounier (Doctorant) University of Shanghai (Chine)

Pomme de terre :

• Xavier Bailly, CNRS Roscoff (France)
• Nicolas Szydlowski Université de Lille (Belgique)

Physcomitrella :

• Yoan Coudert, ENS Lyon (France)
• Mark Estelle, UCSD La Jolla (USA)
• Stuart McDaniel, University of Florida (USA)
• Kaye Peterman, Wellesley College (USA)
• Karen Hicks, Kenyon College (USA)
• Luis Vidali, Worcester Polytechnic Institute (USA)
• Tomomichi Fijita, Hokkaido University (Japon)
• Gohta Goshima, Nagoya University (Japon)
• Yuji Hiwatashi, Miyagi University (Japon)
• Mitsuyasu Hasebe, NIBB Okazaki (Japon)
• Keiko Sakakibara, Rikkyo University (Japon)
• Daisuke Takezawa, Saitama University (Japon)
• Jon Hughes, Giessen University (Allemagne)
• Gabriel Iturriaga, Instituto Tecnológico de Roque, Mexico (Mexique)
• Miguel Angel Villalobos, IPN (Mexique)
• Andrey Knyazev, Russian Academy of Sciences, Moscou (Russie)
• Ann-Cathrin Lindner, Instituto Gulbenkian de Ciência (Portugal)
• Kun Wang, Wuhan University, (Chine)
• Jiang, Chen-Kun, Beijing University (Chine)
• Lihong Xiao, Shanghai Center for Plant Stress Biology (Chine)
• Mauricio Lopez Obando, University of Agricultural Sciences, Uppsala (Suède)
• Ulla Rasmussen, Stockholm University (Suède)
• Laura Saavedra, Universidad Nacional de Córdoba (Argentine)
• Peter Szovenyi, University of Zurich (Suisse)

Outils d'archivage de données (accès pérennisé) ?

Le projet GENIUS n'a pas d'outil centralisé d'archivage de données. Chaque partenaire est responsable de l'archivage de ses données.

Cependant, l'espace collaboratif du projet est dépositaire des jalons et livrables rédigés, des rapports annuels et des présentations faites lors des réunions du projet.

Décrire les retombées actuelles et futures du projet pour la filière concernée et l'agriculture française (100 mots max)

GENIUS est un projet transversal en biotechnologie végétale et ses développements technologiques et résultats peuvent s'appliquer à une multitude de traits (agronomique, qualité, technologique) chez un grand nombre d'espèces cultivées et concernent donc une multitude de filières. Suite à la clarification de la Cour de Justice Européenne sur la règlementation en Europe, les retombées directes pour ces filières resteront certainement très limitées.

Décrire l'impact du projet sur le positionnement de la communauté de recherche concernée au niveau international ? (100 mots max)

Si le projet GENIUS a servi comme exemple pour des appels d'offre à projet et l'émergence de plateformes dédiées dans le domaine de l'édition du génome au niveau européen, il n'y a pas de lien formel entre GENIUS et ces activités européennes. L'impact se situe donc plus au niveau des partenaires de GENIUS qui exploitent leur nouveau savoir-faire pour établir des collaborations bilatérales ou monter des projets. 

Nouvelles variétés (COV) issues du projet (disponibles ou à venir, estimer)

NON

Les preuves de concept en environnement confiné concernent:

• résistance aux virus (tomate)
• résistance aux champignons (riz, pommier, peuplier)
• tolérance à la salinité (riz)
• temps de floraison (pommier, rosier)
• architecture (riz, rosier)
• qualité des produits (pomme de terre)
• reproduction (maïs)

Combien de colloques (Fr et internationaux) ont été organisés ? (les citer)

2014, International Symposium on genome editing, Paris, France

2016, International Symposium on genome editing, Paris, France

Newsletters et communications grand public (y compris en lien avec les sciences sociales)

• Brochure grand public (en français)
• Poster grand public (en français)
• Set de fiches techniques grand public (en français) => site web
• Dictionnaire technique grand public (en français) => site web
• Dossier édition du génome sur internet (http://www.inra.fr/Chercheurs-etudiants/Biotechnologies/Tous-les-dossiers/Modifications-ciblees-des-genes-l-ere-post-OGM)

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Observation du principe de base

Formulation du concept technologique

Preuve expérimentale du concept

Validation des fonctions clefs du concept en laboratoire

Validation de la technologie en environnement représentatif

Démonstration dans un environnement réel simulé

Démonstration dans un environnement opérationnel

Qualification du système complet dans un environnement opérationnel

Validation du système dans un environnement réel

Recherche de base et appliquée

Secteur public/Organismes de recherche et universités

Recherche avancée et recherche technologique

Partenariat public-privé/Instituts de recherche technologiques (IRT) et R&D privée

Qualification et opérationnalité technologique

Secteur privé/Industries