Des chercheurs chinois dévoilent le système SmartPE pour surmonter les goulots d'étranglement de l'édition génomique chez les cultures dicotylédones

BEIJING — Des généticiens végétaux en Chine ont mis au point une plateforme d'édition génomique optimisée conçue pour surmonter les limites de performance historiques chez les cultures à feuilles larges, introduisant un système baptisé SmartPE qui améliore la précision et l'efficacité des modifications génétiques chez des espèces telles que la tomate, le soja et le colza. Cette innovation cible le prime editing, un dérivé avancé de la technologie CRISPR qui permet aux chercheurs d'insérer, de supprimer et de remplacer des séquences génétiques spécifiques sans provoquer de cassures du double brin d'ADN ni nécessiter de matrices donneuses externes.

Si le prime editing a démontré une grande utilité chez les organismes modèles et les principales céréales au cours des dernières années, son adoption chez les cultures dicotylédones s'est heurtée à des obstacles structurels. La faible efficacité initiale de l'édition chez les plantes à feuilles larges a souvent rendu cette technologie trop exigeante en main-d'œuvre ou trop imprévisible pour les processus de sélection commerciale. En perfectionnant la machinerie qui délivre et exécute ces modifications, l'équipe à l'origine de SmartPE vise à hisser les principales cultures légumières, légumineuses et oléagineuses au même niveau que les céréales de base, qui ont historiquement répondu plus facilement aux outils de génie génétique.

## Key facts

- Le système SmartPE a été développé par des chercheurs en Chine pour stimuler spécifiquement l'efficacité du prime editing chez les plantes dicotylédones (à feuilles larges). - La plateforme a été testée sur des espèces agricoles d'importance commerciale vitale, notamment la tomate, le soja et le colza (canola). - Le prime editing permet aux chercheurs d'effectuer des insertions, des délétions ciblées et l'ensemble des 12 conversions possibles de base à base sans générer de cassures du double brin d'ADN. - Les cultures à feuilles larges ont historiquement présenté de faibles fréquences d'édition avec les architectures de prime editing standard, nécessitant souvent un criblage intensif en culture tissulaire pour identifier les modifications réussies. - Cette recherche s'attaque à un goulot d'étranglement technologique majeur qui freinait la sélection de précision non transgénique dans les cultures mondiales de protéines et d'huiles végétales.

## What happened

Selon des informations rapportées par phys.org, des chercheurs agronomes en Chine ont conçu l'architecture SmartPE pour remédier à la persistante inefficacité qui limitait le prime editing chez les espèces dicotylédones. Dans le prime editing végétal standard, la machinerie moléculaire souffre souvent de faibles niveaux d'expression, d'une dynamique de transcription inverse sous-optimale ou d'une dégradation rapide des ARN guides dans l'environnement cellulaire végétal. SmartPE modifie ces composants fonctionnels afin de stabiliser le complexe d'édition et d'améliorer son interaction avec les cibles génomiques de la plante.

Au cours des essais de validation, le groupe de recherche a déployé le système sur plusieurs modèles végétaux et cultures vivrières distincts. Les tests se sont concentrés sur des cultures de grande importance économique, principalement la tomate, le soja et le colza. Chez ces plantes, les éditeurs de prime editing traditionnels enregistrent fréquemment des taux de réussite d'édition à un chiffre ou quasi négligeables sur les sites cibles, obligeant les sélectionneurs à régénérer des milliers d'échantillons tissulaires pour obtenir une seule lignée végétale conforme à leurs attentes.

En ajustant les séquences régulatrices pilotant l'éditeur et en affinant la cassette centrale de prime editing, SmartPE a démontré de nettes améliorations des rendements de mutations ciblées chez les espèces évaluées. Les chercheurs ont appliqué l'outil pour introduire des modifications de séquence définies, confirmant que cette structure améliorée préserve la précision caractéristique du prime editing tout en augmentant significativement la proportion de cellules éditées avec succès. Le système a fonctionné efficacement sur plusieurs locus cibles au sein de ces cultures, démontrant que l'amélioration ne se limite pas à un seul site génomique favorable.

## Why it matters

L'agriculture moderne fait face à des pressions concomitantes liées à la volatilité climatique, à l'évolution de la pression des ravageurs et à la hausse de la demande mondiale en protéines végétales et en huiles végétales. Les cultures dicotylédones fournissent la majorité des protéines végétales mondiales grâce aux légumineuses comme le soja, des huiles de cuisson et des biocarburants essentiels via des brassicacées comme le colza, ainsi que des micronutriments indispensables par le biais d'aliments de base horticoles tels que la tomate. Accélérer le rythme auquel les sélectionneurs peuvent adapter ces espèces est vital pour stabiliser la production agricole.

Jusqu'à présent, la sélection de précision chez ces cultures reposait largement sur le CRISPR-Cas9 standard ou les éditeurs de bases. Le CRISPR-Cas9 conventionnel fonctionne principalement en clivant les deux brins de l'hélice d'ADN, déclenchant des voies de réparation cellulaire brutes qui produisent généralement des insertions ou des délétions aléatoires. Bien qu'efficace pour inactiver des gènes indésirables, il ne peut pas aisément réécrire des séquences spécifiques pour créer des allèles supérieurs. Les éditeurs de bases, introduits en 2016, permettent des conversions directes d'un seul nucléotide, mais ils sont biochimiquement limités : ils ne peuvent convertir que certains nucléotides en d'autres (comme la cytosine en thymine, ou l'adénine en guanine) et génèrent fréquemment des mutations collatérales si des bases cibles non désirées se trouvent dans la fenêtre d'édition.

Le prime editing résout ces deux problèmes en agissant comme un traitement de texte moléculaire, capable de rechercher une adresse génomique et de saisir des remplacements précis de longueurs variables. Toutefois, comme son utilité chez les dicotylédones était sévèrement compromise par de faibles taux de réussite, les entreprises agricoles et les laboratoires universitaires ont souvent relégué le prime editing aux céréales monocotylédones telles que le riz et le maïs. En rendant le prime editing commercialement viable chez les dicotylédones, SmartPE ouvre la voie à la création de cultures non transgéniques dotées de périodes de floraison optimisées, d'une tolérance accrue à la sécheresse, de profils d'huile de graines personnalisés et d'une résistance intégrée aux agents pathogènes, sans laisser de gènes bactériens étrangers dans le génome végétal.

## The background

La trajectoire de la sélection végétale moléculaire a été transformée en 2012 après la caractérisation du mécanisme immunitaire bactérien CRISPR-Cas9 comme outil programmable d'édition génomique. En l'espace de cinq ans, des laboratoires du monde entier ont déployé les nucléases Cas9 pour éditer le bétail, des lignées cellulaires humaines et des cultivars agricoles. Pourtant, le recours du CRISPR classique aux cassures du double brin présentait des risques fondamentaux, notamment des réarrangements chromosomiques hors cible et une toxicité cellulaire.

En octobre 2019, une équipe de recherche dirigée par David Liu au Broad Institute of MIT and Harvard a dévoilé le prime editing. Le système original associait une nickase Cas9 modifiée — qui ne coupe qu'un seul brin de la double hélice d'ADN — à une enzyme transcriptase inverse modifiée. La construction est guidée par un ARN guide de prime editing (pegRNA), une molécule d'ARN étendue qui non seulement identifie la séquence génomique cible, mais porte également la séquence matrice spécifiant la modification souhaitée. Une fois que la nickase a créé une incision simple brin, la transcriptase inverse lit la matrice du pegRNA et écrit directement le code génétique corrigé dans l'ADN.

Les spécialistes des sciences végétales ont rapidement cherché à adapter pour l'agriculture les éditeurs de prime editing de David Liu, initialement optimisés pour l'humain. Les tout premiers éditeurs végétaux de prime editing, signalés en 2020 par des institutions comprenant la Chinese Academy of Sciences, fonctionnaient relativement bien chez le riz et le blé. Les monocotylédones possèdent des environnements cellulaires, des dynamiques de promoteurs et des caractéristiques de régénération tissulaire qui permettaient des fréquences de prime editing modestes mais fonctionnelles, généralement comprises entre 5% et 20%.

Les dicotylédones se sont toutefois révélées nettement moins favorables. Les espèces à feuilles larges présentent une architecture de la chromatine distincte, des préférences de codons variables et des enzymes endogènes de réparation de l'ADN différentes. Lorsque les premiers éditeurs végétaux de prime editing ont été appliqués à des espèces telles qu'*Arabidopsis thaliana*, le tabac, la tomate et le soja, les rendements d'édition stagnaient couramment sous la barre des 2%, et souvent en dessous de 0,1%. Si des modifications spécialisées — telles que l'optimisation de la température de fusion, des motifs d'ARN structurés et des configurations à double pegRNA — ont progressivement amélioré les performances en laboratoire, un système fiable et universellement robuste pour les cultures dicotylédones demeurait un objectif insaisissable pour les généticiens.

## Reaction

Le développement de SmartPE devrait susciter un intérêt considérable dans les secteurs public et commercial des biotechnologies agricoles, en particulier parmi les instituts de recherche axés sur la résilience des cultures et le développement de semences.

Les généticiens végétaux universitaires soutiennent depuis longtemps que le déséquilibre entre les outils d'édition pour monocotylédones et dicotylédones orientait la recherche végétale fondamentale vers les modèles céréaliers, au détriment de la biologie des légumineuses et des espèces horticoles. L'introduction d'un outil dédié aux dicotylédones fournit aux départements universitaires et aux consortiums agronomiques internationaux, tels que le Consultative Group on International Agricultural Research (CGIAR), un protocole opérationnel pour la génomique fonctionnelle chez les espèces complexes à feuilles larges.

Les semenciers commerciaux d'Amérique du Nord, d'Amérique du Sud et d'Asie de l'Est suivent également de près les progrès techniques du prime editing. Contrairement aux organismes génétiquement modifiés (OGM) de première génération qui intégraient des séquences d'ADN étranger issues de bactéries ou de virus, les cultures issues du prime editing relèvent fréquemment de catégories réglementaires qui les exemptent de la coûteuse surveillance imposée aux transgéniques. Les autorités de régulation dans des juridictions telles que les États-Unis, par le biais de la règle SECURE du Department of Agriculture, et la Chine, selon les directives émises par le Ministry of Agriculture and Rural Affairs en 2022, ont créé des procédures d'évaluation simplifiées pour les cultures génétiquement éditées dépourvues d'inserts génétiques étrangers. Une plateforme d'édition plus efficace réduit les coûts et le temps nécessaires pour générer des lignées parentales de qualité commerciale dans le cadre de ces réglementations modernisées.

## What we don't know yet

Bien que la démonstration initiale de SmartPE confirme des performances accrues sur des tissus de tomate, de soja et de colza, plusieurs paramètres scientifiques et commerciaux cruciaux restent non vérifiés dans le domaine public. Les informations disponibles ne divulguent pas les taux d'efficacité quantitatifs précis atteints par le système, laissant planer le doute quant à savoir si les fréquences moyennes d'édition ont atteint des pourcentages à deux chiffres pour l'ensemble des cultures testées ou si elles demeurent concentrées sur des gènes cibles spécifiques et hautement accessibles.

De plus, la fidélité à long terme de SmartPE nécessite une validation indépendante. Le prime editing se caractérise généralement par une faible activité hors cible, mais les systèmes à forte expression peuvent par inadvertance provoquer des modifications non spécifiques ou des insertions involontaires de matrices partielles de transcription inverse sur le site cible. Les données détaillant le profil des mutations hors cible par séquençage du génome entier de lignées traitées par SmartPE n'ont pas encore été rigoureusement comparées aux références existantes.

Surtout, la sélection végétale pratique exige que les modifications génétiques soient stables, transmissibles et débarrassées de la machinerie d'édition elle-même. Les comptes rendus actuels ne précisent pas si les efficacités rapportées ont été mesurées dans le cadre d'essais transitoires sur protoplastes (cellules isolées dépourvues de parois) ou chez des plantes régénérées de manière stable et fertiles de générations T1 et T2 transmettant le trait édité par reproduction conventionnelle par graines.

## What to watch

Le premier indicateur à surveiller sera la publication de données évaluées par des pairs fournissant des caractérisations moléculaires complètes de SmartPE, notamment des cartes plasmidiques détaillées, des tableaux d'optimisation des codons et les fréquences exactes de mutation dans divers contextes chromosomiques. Des laboratoires universitaires indépendants chercheront à reproduire ces résultats chez d'autres dicotylédones difficiles, telles que la pomme de terre, le cotonnier et les cultures fruitières ligneuses.

Les observateurs devront également suivre les demandes d'essais au champ soumises aux autorités nationales de biosécurité. Si les concepteurs ou des partenaires industriels entreprennent de traduire ces modifications de laboratoire en traits agronomiques concrets, des demandes de dissémination dans l'environnement apparaîtront dans les registres réglementaires publics, notamment en Chine. Ces dépôts réglementaires révéleront les traits spécifiques priorisés par l'équipe, comme la résistance à la pourriture de la tige du soja, des siliques de colza résistantes à l'égrenage ou la prolongation de la durée de conservation des tomates.

Enfin, le cadre de propriété intellectuelle entourant SmartPE influencera son déploiement à l'échelle mondiale. Étant donné que les brevets fondateurs du prime editing sont concentrés au sein d'institutions telles que le Broad Institute, Harvard University et de jeunes pousses commerciales comme Prime Medicine, la mesure dans laquelle SmartPE constitue une architecture distincte et brevetable, ou repose sur des accords de licences croisées existants, déterminera la facilité avec laquelle les entreprises agroalimentaires occidentales pourront adopter la plateforme.

Ce rapport est basé sur des informations initialement publiées par phys.org.