ARTICLE
Persistance de l'ADN végétal dans
le sol
L'ADN extracellulaire qui peut être détecté en quantités
importantes dans de nombreux types de sols [5] provient essentiellement
de la lyse des cellules survenant à la mort des organismes qui
colonisent cet environnement, plantes, animaux et micro-organismes. Sur
la base de différents types d'expérimentations, on sait
que la plus grande partie de cet ADN extracellulaire est très rapidement
dégradée dès sa libération dans le sol. Les
résultats montrent cependant de façon très convergente
qu'une fraction significative des molécules échappe à
la destruction enzymatique ou chimique et peut persister sur des temps
très longs [6]. À titre indicatif, des séquences
d'ADN appartenant aux transgènes de plantes transgéniques
cultivées en plein champ demeurent détectables sur plusieurs
mois [7, 8]. Ces résultats confirmaient des études menées
au laboratoire sur des échantillons de sol inoculés avec
de l'ADN purifié qu'il était possible de tracer sur des
laps de temps identiques [9]. Le sol, principal réservoir de la
biodiversité microbienne, est également ainsi un important
réservoir de molécules d'ADN, vectrices d'informations génétiques
susceptibles de modifier le patrimoine génétique des micro-organismes
résidents du sol. La protection de ces macromolécules serait
due à leur adsorption sur des matériaux très réactifs
comme les particules de sable ou d'argile. Un gramme d'argile, par exemple,
adsorbe efficacement plusieurs milligrammes d'ADN [10].
Transformabilité des bactéries
Le nombre de bactéries chez lesquelles a été mis
en évidence un système génétique codant pour
la transformation naturelle évolue autour de 40 [4]. Cette valeur,
très faible en comparaison de l'ampleur de la biodiversité
bactérienne, pourrait laisser penser que la transformation in
situ est tout au plus un phénomène anecdotique sans
implications évolutives majeures. On s'accorde toutefois à
admettre que le nombre de bactéries équipées de ces
gènes est certainement beaucoup plus élevé. La plupart
des isolats bactériens n'ont en effet jamais été
criblés pour de telles fonctions. Des résultats récents
obtenus au laboratoire montrent que des souches appartenant à des
taxons bactériens aussi connus et étudiés que les
genres Pseudomonas ou Agrobacterium pourraient s'insérer
dans la liste des bactéries naturellement transformables (Demanèche
et al., en préparation). Par ailleurs, la technique actuelle
la plus communément utilisée de détection de la transformabilité
d'un isolat bactérien consiste à cultiver des cellules bactériennes
en présence d'ADN transformant sur milieu sélectionnant
les clones recombinants. Or, les bactéries se caractérisent
par une grande diversité des mécanismes d'induction de la
compétence rendant difficile une analyse exhaustive qui permettrait
de statuer sans équivoque sur les potentialités de transformation
des isolats étudiés. De surcroît, de telles analyses
ne peuvent concerner que les bactéries isolables et cultivables
in vitro qui ne représentent au mieux que 1 % de la microflore
totale [11]. De plus, d'autres mécanismes que ceux codés
génétiquement sont susceptibles de permettre la transformation
de cellules bactériennes par de l'ADN exogène. Si le génie
génétique a eu l'essor qu'on lui connaît c'est en
partie sur les propriétés de transformabilité de
la bactérie Escherichia coli soumise à des stress
chimiques (CaCl2) ou électriques (électroporation).
Or, les conditions environnementales exposent régulièrement
les bactéries à des situations analogues in situ.
Des clones recombinants d'E. coli ont ainsi été détectés
dans les eaux de source [12] et dans les produits alimentaires [13]. Des
résultats (en cours de publication), fruits de la collaboration
entre le LEM (CNRS-UCBL) et le CEGELY (CNRS-ECL), montrent que, lors de
la décharge de foudre dans un sol, les perturbations électriques
ainsi générées pourraient être à l'origine
de la pénétration passive de l'ADN extracellulaire présent
dans l'environnement immédiat des micro-organismes telluriques.
Processus de transformation
naturelle des bactéries
Afin d'évaluer le plus rationnellement possible le risque d'acquisition
des gènes des plantes transgéniques par les bactéries,
il convient de prendre en compte les différentes étapes
du processus per se de la transformation bactérienne. De
par leur efficacité et la spécificité qu'ils manifestent
selon l'origine de l'ADN transformant, les mécanismes moléculaires
impliqués illustrent parfaitement le concept d'équilibre
entre la génération de diversité nécessaire
à l'adaptation et la préservation du génome bactérien
contre une dérive trop importante et incontrôlée.
La première étape consiste en une adsorption plus ou moins
spécifique de l'ADN sur la surface cellulaire. Des bactéries
comme Neisseria gonorrhoeae ou Haemophilus influenzae requièrent
chez l'ADN transformant la présence de courtes séquences
nucléotidiques (9 à 10 paires de bases) sur lesquelles se
fera l'adsorption [14, 15]. La présence de telles séquences
spécifiques de reconnaissance est généralement considérée
comme une stratégie visant à optimiser le transfert de gènes
entre cellules appartenant à la même espèce. Dans
de telles situations l'acquisition d'ADN issu d'organismes les plus éloignés
phylétiquement est totalement exclue. En revanche, d'autres bactéries
parmi lesquelles on retrouve un important colonisateur des sols, Bacillus
subtilis, n'expriment pas de telles spécificités et
peuvent adsorber à leur surface tout type d'ADN [16].
Si, quelle que soit la bactérie, l'étape suivante qui
est la pénétration de l'ADN adsorbé à l'intérieur
de la cellule ne présente aucune spécificité pour
un type d'ADN donné, en revanche, l'ADN internalisé dans
la cellule devra échapper aux mécanismes de restriction
et de modification. Ces mécanismes sont considérés
comme de fortes protections contre une contamination par de l'ADN étranger
[17].
Enfin, afin de pouvoir être pérennisé dans la cellule
hôte et d'y exprimer potentiellement de nouveaux traits, l'ADN transformant
devra soit être équipé de la machinerie lui permettant
de se répliquer de façon autonome (plasmide), soit s'intégrer
dans le génome hôte. L'intégration se fait par un
mécanisme de recombinaison plus ou moins illégitime dans
lequel ADN donneur et récepteur forment des hétéroduplexes
dont la stabilité dépend du niveau de similarité
entre les séquences impliquées. À nouveau, de profondes
différences existent entre les bactéries sur la spécificité
de la réaction lors de cette étape, fondée sur la
longueur de la zone de similarité entre les deux types d'ADN et
le taux d'homologie entre ces deux zones. Contrôlé par l'action
antagoniste des systèmes SOS et MRS (Mismatch Repair System)
[18], le niveau d'intégration d'ADN exogène dans un génome
bactérien reflète en fait son niveau « d'isolement
sexuel ». Toutes les situations intermédiaires entre un isolement
strict (acceptation du seul ADN homologue) et une totale permissivité
(transformation avec tout type d'ADN) ont été mises en évidence
dans le monde procaryotique.
Potentialités du transfert d'ADN entre
plantes transgéniques et bactéries
du sol
Du fait de ces multiples facteurs régulant la transformation
in situ, les scientifiques s'accordent à estimer que les
transferts de gènes par un tel mécanisme ne se réalisent
dans le sol qu'à des fréquences excessivement faibles [16,
19]. Cependant, la prise en compte de leur impact évolutif réel
ne peut se faire sans considérer la différence d'échelle
spatio-temporelle entre des expérimentations conduites au laboratoire
et la nature. Les échantillons de sol utilisés ne dépassent
pas quelques grammes alors que, dans les conditions réelles, le
nombre des cellules bactérielles dans le seul environnement tellurique
est estimé à plus de 1029 cellules [20]. Rappelons
que l'échelle de temps considérée est de plus de
3 milliards et demi d'années. Il apparaît de plus en plus
que, même dans un environnement aussi complexe, hétérogène
et enzymatiquement et chimiquement hostile que le sol, l'ADN extracellulaire
(en particulier celui issu des plantes) va être régulièrement
au contact de bactéries susceptibles de l'internaliser, que l'induction
soit codée génétiquement ou induite de manière
physico-chimique. La parade à ces « infections » dépendra
principalement de la cellule bactérienne susceptible de trier l'information
génétique pour assurer une évolution de son génome
(nécessaire à toute adaptation) tout en en maintenant une
certaine stabilité. C'est ainsi que seuls de très rares
gènes de plantes ont pu franchir ces filtres au cours des centaines
de millions d'années de l'évolution [21, 22] qu'ont eue
en parallèle plantes et bactéries, confirmant le très
haut niveau d'étanchéité de ces barrières
moléculaires.
C'est la stabilité de ces barrières qui pourrait être
remise en question dans le cas des séquences « étrangères
» véhiculées par les organismes génétiquement
modifiés et dont l'origine est procaryotique.
Un premier élément de réponse a été
apporté par les travaux publiés simultanément en
1998 par deux équipes allemandes [23, 24]. Les chercheurs ont montré
que, si l'on mettait en contact in vitro des cellules transformables
de la bactérie Acinetobacter sp. avec de l'ADN extrait et
purifié de plantes transgéniques, des transferts avaient
effectivement lieu pour peu qu'il existe une concordance de séquences
entre les deux types d'ADN. L'argumentaire que, dans l'environnement,
l'ADN issu naturellement des plantes perdrait son pouvoir transformant
du fait de son association à des histones ou à d'autres
protéines et de la présence contaminante de tous les composés
de la cellule ne résiste pas non plus aux résultats expérimentaux.
Ces chercheurs ont montré que les expérimentations effectuées
avec un broyat de feuilles de ces plantes transgéniques comme solution
transformante produisaient également des résultats positifs,
même si les fréquences observées étaient plus
faibles qu'avec de l'ADN pur.
Ces résultats apportent une confirmation,
de type expérimental donc irréfutable, que la transgenèse
est susceptible de modifier le niveau naturel des échanges d'informations
génétiques entre plantes et bactéries. Cependant,
on restait en droit de s'interroger sur l'impact réel in situ
de ces données si l'on considère que la bactérie
réceptrice utilisée, Acinetobacter sp., ne semble
pas développer un stade de compétence dans le sol et n'y
serait donc pas transformable [25]. C'est pour répondre à
ces questions que nous avons travaillé au laboratoire d'écologie
microbienne à Lyon à partir du modèle bactérien
Ralstonia solanacearum. Cette bactérie présente la
double particularité d'être un pathogène des plantes
et d'appartenir à la catégorie des bactéries naturellement
transformables. Une étude préliminaire nous a permis de
définir les caractéristiques de la transformation génétique
chez cette bactérie [26]. Nous avons montré que cette bactérie
n'est transformable, que par son propre ADN (isolement sexuel très
fort selon le concept explicité préalablement) excluant
ainsi toute acquisition d'ADN « naturel » de plantes. Dans une
seconde étape nous avons montré que cette bactérie
développait un stade de compétence pendant la phase d'infection
de l'hôte végétal [27]. Cet état physiologique,
rendant la bactérie transformable, était effectivement utilisé
par les cellules bactériennes pour échanger entre elles
des portions de leur génome. La question alors posée fut
de savoir si cette fonction pouvait permettre à la bactérie
d'acquérir des gènes de la plante, considérant que
la transgenèse permettait de rendre compatibles les séquences
de la plante et celles de la bactérie [28]. Différents systèmes
modèles plantes transgéniques-bactéries réceptrices
ont été développés qui ont permis de valider
l'intérêt du modèle. Déjà ces relations
intimes de pathogénie entre une plante et une bactérie mettent
en contact l'ADN végétal et les cellules bactériennes
colonisantes. Nos travaux montrent surtout que les probabilités
de transfert sont plus élevées de plusieurs ordres de grandeur
in planta par rapport au sol. Nous avons déterminé
que le seul facteur limitant l'occurence des transferts serait lié
à la forte dilution du transgène parmi le génome
végétal (quelques centaines de paires de bases parmi plus
de 109 bp). En tout état de cause, ces résultats
indiquent que, dans certains types d'écosystèmes (en l'occurrence
ici les tissus végétaux), les facteurs environnementaux
biotiques et abiotiques peuvent être beaucoup plus favorables à
des événements de transfert que ceux rencontrés dans
le sol. Une fois cette étape plante-bactérie franchie, le
germe récepteur des séquences pourrait devenir à
son tour donnateur pour les disséminer par transformation ou par
conjugaison à d'autres représentants de la microflore indigène.
CONCLUSION
Fondées sur des résultats récents, les données
exposées dans cet article indiquent que les séquences introduites
par génie génétique dans le génome de certains
végétaux présentent des probabilités de transferts
inter-règnes supérieures aux autres gènes de la plante.
On ne peut cependant pas terminer cette brève revue sans émettre
quelques commentaires sur les conséquences potentielles que pourraient
avoir de tels événements. Tout d'abord, en absence de pression
de sélection dans l'environnement, le transfert de séquences
de plantes ne conférera aucun avantage sélectif au micro-organisme
récepteur. Ces séquences seront plutôt considérées
comme un fardeau génétique [29] comme c'est notamment le
cas des gènes de résistance aux antibiotiques. De plus ces
gènes de résistance, et en particulier ceux utilisés
dans la construction des plantes transgéniques, sont très
répandus parmi les micro-organismes telluriques. Plus de 1 % des
bactéries isolables du sol (soit plus de 100 000 cellules par gramme
de sol) sont ainsi capables de résister à des concentrations
élevées d'ampicilline ou de kanamycine. De plus, de nombreux
types de sols sont soumis régulièrement à une inoculation
bactérienne massive qui peut être caractérisée
de plus ou moins naturelle car résultant des déjections
animales ou des pratiques culturales (fumures). L'emploi des antibiotiques
en thérapeutique vétérinaire ou comme additif alimentaire
contribue à sélectionner des souches présentant un
haut niveau de résistance aux antibiotiques. Leur dissémination
dans l'environnement va contribuer à augmenter considérablement
le pool des gènes de résistance dans les bactéries
du sol. Enfin, ces gènes, très souvent localisés
sur des éléments transférables comme des plasmides
ou des transposons, sont échangés entre bactéries
à des fréquences extrêmement élevées
en comparaison d'un hypothétique transfert à partir d'une
plante. À la lumière de ces données, le débat
actuel et passionné autour du gène bla (conférant
la résistance à l'ampicilline) du maïs transgénique
proposé par la société Novartis me paraît devoir
être ramené à de plus justes proportions.
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