L'édition du génome est un type de nouvelle technique de sélection médiée par des nucléases spécifiques à une séquence programmable (SSN). Les SSN sont des enzymes qui provoquent de petites ruptures dans l'ADN qui, lorsqu'elles sont réparées par la cellule, peuvent produire des mutations de divers types selon le mécanisme moléculaire utilisé dans la réparation. La particularité du SSN appliqué à la sélection réside dans notre capacité à les programmer avec une grande précision, afin qu'ils atterrissent dans des sites spécifiques du génome végétal et y exercent leur activité. Ceci, associé à l'abondante information génomique et phénomique générée ces dernières années à la fois dans les plantes modèles et les cultures, se traduit par une capacité presque illimitée de génération d'une nouvelle variabilité génétique « dirigée » vers des zones du génome précédemment identifiées par son intérêt fonctionnel. Cette nouvelle variabilité « dirigée » générée par les SSN peut être utilisée à la fois pour obtenir de nouvelles connaissances de base et pour générer de nouveaux caractères d'intérêt agronomique. Dans ce deuxième aspect, la gamme d'utilisations et d'applications du SSN dans l'amélioration des plantes est immense, de la résistance à la reproduction aux stress biotiques et abiotiques, pour augmenter la productivité, améliorer le contenu nutritionnel, etc.
Ces dernières années, différents types de SSN programmables ont été découverts. Les SSN basés sur des protéines de type doigt de zinc (ZFN) sont connus depuis les années 90 au siècle dernier. Plus récemment, les SSN à base d'effecteurs TAL ont été développés, ce qui a contribué à un saut qualitatif en termes d'efficacité par rapport à ses prédécesseurs. Dans les deux cas, la « programmation » repose sur la combinaison de plusieurs modules protéiques selon un code préalablement élucidé, ce qui nécessite la modification de novo d'une protéine multimodulaire pour chaque cible génomique. Bien que le développement de nouvelles stratégies pour la synthèse et l'assemblage de morceaux d'ADN ait grandement facilité la production de protéines recombinantes, la programmation de SSN avec des codes basés sur la combinaison de modules protéiques est laborieuse, coûteuse et non disponible pour de nombreux laboratoires.
Le changement de paradigme dans l'utilisation des SSN a eu lieu avec l'apparition d'un nouvel outil basé sur le système d'immunité bactérienne acquis CRISPR, découvert et nommé par Francis Mojica de l'Université d'Alicante en Espagne. Contrairement à ses prédécesseurs, la programmation du système CRISPR ne nécessite pas la construction de novo de protéines multimodulaires, mais seulement la génération d'une petite séquence d'ARN complémentaire de la cible génomique, qui est incorporée dans une protéine invariable (Cas9) et sert de guide (ARN guide ou ARNg) pour atteindre sa cible génomique. La simplicité du code de programmation CRISPR / Cas9 facilite grandement sa conception et sa construction, ce qui permet à de nombreux laboratoires et utilisateurs finaux de reproduire de nouveaux « traits » spécifiques. De plus, l'architecture CRISPR / Cas9 permet la programmation simultanée d'objectifs multiples (une fonctionnalité connue sous le nom de multiplexage), ce qui pourrait faciliter l'accumulation de caractères phénotypiques, accélérant considérablement les processus d'amélioration.
En général, il existe trois stratégies d'édition génétique basées sur CRISPR/Cas9 selon le type de modifications introduites dans le génome.
La plus couramment utilisée chez les plantes est la stratégie dite SSN-1, qui consiste à générer de petites mutations aléatoires (indels : insertions ou délétions), à la suite d'une rupture de l'ADN dans la séquence cible et d'une réparation erronée ultérieure par le mécanisme appelé NHEJ. (Union d'extrémités non homologues). Cette stratégie s'est avérée très efficace chez plusieurs espèces et vise à induire de nouveaux caractères par la perte de fonction des gènes mutés. De son côté, la stratégie connue sous le nom de SSN-2 offre une plus grande précision, puisqu'elle consiste littéralement à réécrire une petite région génomique qui incorpore des changements prédéfinis qui sont cryptés dans une séquence d'ADN «donneur» qui est transférée dans le génome avec le SSN. Pour cela, un type alternatif de réparation cellulaire, appelé recombinaison homologue, est utilisé qui répare le génome à l'aide d'une matrice d'ADN externe. Enfin, la stratégie SSN-3 est similaire à la SSN-2, mais son objectif n'est pas d'introduire de petites "réparations", mais d'incorporer de "nouvelles informations génétiques" dans des sites génomiques précis en profitant de la permissivité de la réparation HR pour accepter le donneur. séquences qu'ils contiennent des régions non homologues dans leur région centrale. Le SSN-2 et le SSN-3 (également connus collectivement sous le nom de stratégies de ciblage génétique ou GT) étendent la gamme de variabilité génétique pour améliorer les fonctions, offrant un saut qualitatif dans le type de traits pouvant être obtenus grâce à ces stratégies. Cependant, jusqu'à récemment, les stratégies basées sur la recombinaison homologue ont été inefficaces dans les plantes, ce qui a fait que de nombreuses approches testées à ce jour sont de type « perte de fonction » (SSN-1).
Dans tous les cas, pour réaliser l'édition génomique, il est indispensable de transférer l'enzyme SSN (par exemple, Cas9) dans le noyau d'une cellule végétale, en même temps que l'ARNg et, le cas échéant, l'ADN du donneur contenant le " nouvelle « » séquence génétique à introduire (SSN-2 et SSN-3), pour régénérer ultérieurement une plante complète à partir de la cellule ou des cellules modifiées. Le mécanisme le plus couramment utilisé pour l'introduction de ces éléments dans la cellule est la transformation génétique médiée par Agrobacterium. Le résultat est, transitoirement, une plante transgénique qui contient et exprime chacun des éléments susmentionnés. Cependant, dans une étape ultérieure et dans le cas de plantes qui se multiplient sexuellement, l'ADN-T peut être éliminé par ségrégation sexuelle donnant naissance à des plantes non transgéniques qui contiennent l'édition génétique souhaitée.
Du point de vue bioéthique et du strict respect du produit final, les stratégies SSN-1 et SSN-2 génèrent des plantes pratiquement indiscernables de celles générées par les méthodes de sélection traditionnelles, et il est donc avancé qu'elles ne devraient pas être considérées comme des OGM. De son côté, la stratégie SSN-3 conduirait inévitablement aux OGM, mais avec une plus grande précision à l'endroit exact du génome dans lequel l'information génétique supplémentaire a été introduite.
Concernant les implications bioéthiques et réglementaires, récemment, des mécanismes alternatifs ont été testés avec succès pour introduire directement le complexe ribonucléoprotéique (Cas9 + ARNg) dans le noyau cellulaire des protoplastes de différentes espèces végétales, évitant ainsi l'utilisation d'intermédiaires sous forme d'ADN. De cette façon, le processus d'édition est complètement assimilé au processus de mutagénèse chimique (ce dernier exempté de la réglementation de l'OMG), de sorte que les plantes résultantes peuvent être commercialisées comme non transgéniques.