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Des cartes optiques pour mieux appréhender la complexité des génomes

Les génomes végétaux sont particulièrement complexes du fait de leur taille et de la présence de nombreux éléments répétés. Or, mieux les connaître permet de nombreuses améliorations agronomiques, indispensables dans un contexte de changement climatique. Le Centre National de Ressources Génomiques Végétales (CNRGV) vient de se doter d’une technologie innovante permettant d’avoir une vision globale de l’organisation des génomes, grâce à des cartes optiques. Ce projet a obtenu un financement de l’Union européenne et de la Région Occitanie.

Sandrine ARRIBAT – Etape d’extraction d’ADN génomique de très haut poids moléculaire. © Inra
Mis à jour le 03/05/2018
Publié le 26/04/2018

Une meilleure connaissance de la biologie végétale est nécessaire pour caractériser et préserver les ressources génétiques, optimiser les pratiques culturales ou encore concevoir des produits nouveaux. Plus spécifiquement, l’étude des génomes des plantes est fondamentale dans un contexte de changement climatique car elle permet de mieux comprendre leurs comportements dans diverses conditions ainsi que leur évolution et leurs capacités d'adaptation. 

Chez les plantes, un grand nombre de caractères agronomiques proviennent de variations génétiques dans des régions spécifiques des génomes. Or, la complexité en taille et en répétition de ceux-ci nécessite le développement d’approches innovantes permettant de mieux appréhender les variations dans leur structure et de les relier à des caractères d’intérêt agronomique.

Le CNRGV, rattaché à l’Inra Occitanie-Toulouse, a pour mission de fournir des ressources et des solutions technologiques pour accompagner divers programmes de recherche en génomique. Dans ce cadre, il s’est doté d’une technologie permettant de produire des cartes optiques à partir d’ADN de très important poids moléculaire (Irys® de BioNano Genomics http://bionanogenomics.com/).

Cette technologie permet d’avoir une vision globale de l’organisation des génomes. La cartographie optique est une technique utilisée pour obtenir une carte physique d’un génome grâce à la production d’empreintes spécifiques laissées par de très grandes molécules d’ADN. Elle est basée sur la visualisation directe de longues molécules d’ADN marquées par fluorescence par une enzyme reconnaissant une séquence spécifique. Les images des molécules d’ADN marquées et séparées sur une puce dans des canaux nanométriques (nanocanaux), sont analysées afin d’obtenir un « code-barres » spécifique pour chaque molécule. En comparant leurs codes-barres, les molécules d’ADN sont ensuite assemblées pour donner une carte physique du génome étudié.

Les principales applications de cette technologie sont la finition de l’assemblage des séquences génomiques. Le séquençage de nouvelle génération est devenu un outil incontournable de la recherche en génomique. Cependant, les lectures courtes générées par cette technique ne permettent pas d’organiser les zones très répétées. Même les longues lectures obtenues en séquençage de 3ème génération laissent des zones inconnues dans les assemblages. La combinaison de ces approches (séquenceurs de troisième génération et cartes optiques) permet d’obtenir un génome de référence de très haute qualité. Dans le cadre de plusieurs projets menés en collaboration avec divers laboratoires, un assemblage hybride combinant la carte optique Bionano et des données de séquences obtenues avec les dernières technologies de séquençage a permis d’améliorer la qualité de l’assemblage final. Ce travail a été réalisé sur une diversité d’espèces végétales (lupin, maïs, pétunia, abricotier, tournesol, melon …).

Les cartes optiques permettent également l’étude des variations structurales entre différents génotypes. En comparant les cartes optiques de plusieurs génotypes, il est ainsi possible d’observer des variations structurales entre les différents génotypes et de le relier à des caractères d’intérêt.