Des plantes transgéniques : pour une alimentation plus équilibrée?
Transgenic plants towards healtier food ?
Yves CHUPEAU
RÉSUMÉ
Depuis une dizaine d'années, nos connaissances des cavités métaboliques des plantes se sont considérablement enrichies. Associées aux perfectionnements des techniques de transfert de gènes, ces connaissances procurent désormais des moyens de modification des produits végétaux, de plus en plus précis et ciblés, pour tenter d'en adapter la composition vers un meilleur équilibre nutritionnel. De nombreuses tentatives de modifications du métabolisme des végétaux restent de nature expérimentale, voire exploratoire. Quelques ouvertures sur des applications concrètes, tant pour les macronutriments que pour les micronutriments se dégagent néanmoins. 
MOTS-CLÉS : PROTÉINES VÉGÉTALES. TRANSGÈNES. NUTRITION. BIOTECHNOLOGIE.
SUMMARY
Over the past ten years, the knowledge of  metabolic capabilities of plants have been condiderably expanded. Combined with technical achievments in gene transfer, the  understanding of metabolic regulation provide new means, which are more and more precise and targetted, for modifying plant products towards improving health and well being through diet. Yet, a great  number of attemps to modify plant metabolism are still purely exploratory. However, some key applications are emerging as well for macronutrients than for micronutrients.
KEY-WORDS (Index Medicus) :  PLANTS PROTEINS. TRANSGENES. NUTRITION. BIOTECHNOLOGY.
INTRODUCTION
Le recours aux techniques de transfert de gènes, pour des objectifs appliqués, reste la cible de critiques dont les fondements sont variés, mais toujours non avérés. 
De fait, les plantes transgéniques couvraient en 2001 une surface mondiale de l'ordre de 50 millions d'hectares 1, les données collectées fournissent dorénavant des éléments concrets d’évaluation. 
Après six ans d'exploitation à grande échelle pour certaines plantes transgéniques, il est possible aujourd'hui de tracer un bilan écologique favorable 2, donc un bénéfice pour la collectivité, même pour des plantes modifiées pour des caractères purement agronomiques. 
Comme le laissaient présager les études préalables à la commercialisation des plantes transgéniques "autorisées", il ne semble pas que l'utilisation du génie génétique entraîne des risques nouveaux en termes de sécurité alimentaire 3.
Cependant, il s'agit d'un domaine en évolution rapide car le génie génétique constitue avant tout un remarquable outil scientifique. En effet, le transfert de gènes constitue l'une des techniques de la génétique moderne, dont les différentes approches combinent désormais des dispositifs de plus en plus puissants de caractérisation des génotypes 4. 
La combinaison de ces approches renouvelle radicalement les méthodes de la biologie. Les possibilités d'étude des processus vitaux deviennent tout à la fois plus vastes et plus systématiques, mais aussi plus fines et plus précises 5.
LA GÉNÉTIQUE ET LA GÉNOMIQUE RENOUVELLENT L'ANALYSE DU MÉTABOLISME
Dès le début des années 90, de nombreuses enzymes très peu représentées (ou de façon fugace), exprimées au sein de complexes fonctionnels, souvent membranaires, n'ont été révélées que par l'analyse des modifications des profils chromatographiques d'acides gras de différentes plantes mutantes affectées contribuant à la biosynthèse des lipides 6. 
Le véritable tournant conceptuel, méthodologique et technique, résulte du séquençage des génomes de plantes. Le génome d'Arabidopsis, la plante crucifère modèle, comporte 25 000 gènes 7. L'ensemble des techniques de la génomique est à l'œuvre sur cette plante modèle afin de caractériser le rôle, la fonction de l'ensemble des 25 000 gènes, ainsi que leurs régulations. Le même séquençage est en cours pour le riz 8, comme modèle de céréale, à la suite, c'est un génome de luzerne qui a été choisi pour séquençage complet. 
Désormais, la vérification des fonctions, l'analyse des régulations de l'activité des gènes repose sur le génie génétique. Ainsi, le transfert (d'une espèce à une autre, en variant les niveaux d'expression, ...) de gènes codant les enzymes de biosynthèse, procure la capacité d'en analyser les spécificités de régulation 9.  
Le rôle du transfert de gènes est désormais associé aux analyses automatisées à grande échelle de l'expression des gènes. L'analyse des signaux d'hybridation à l'aide micro-arrays (ou DNAchips) sur de très nombreuses séquences de gènes dont les fonctions sont connues (ou supposées) permet de visualiser les messagers qui sont transcrits ou non (ou plus ou moins transcrits) dans telle ou telle situation, tel ou tel tissu 10 ; ou  encore en réponse à la surexpression de tel ou tel gène ce qui révèle, par exemple, les gènes "cibles" de facteurs de transcription 11. Ces analyses à grande échelle peuvent concerner tous les gènes d'une plante, ce qui procure des possibilités de visualiser les interactions coordonnées sur des ensembles de voies de biosynthèse... 
La vision du fonctionnement métabolique repose également sur l'analyse du "métabolome", qui se trouve raffinée par le recours au génie génétique 12. 
Associées aux perfectionnements des techniques de transfert de gènes, ces connaissances procurent des moyens de modification des produits végétaux, de plus en plus précis et ciblés, pour tenter d'en adapter la composition en vue d’un meilleur équilibre nutritionnel.
AMÉLIORATION DES APPORTS EN MACRONUTRIMENTS
Depuis les débuts de l'agriculture, les hommes ont sélectionné les plantes les plus productives, les plus sucrées, les moins amères et les moins toxiques... En dépit des succès, parfois prodigieux, de ces patientes améliorations, tous les défauts n'ont pas été éliminés. 
D'une part, il reste souhaitable d'améliorer la digestibilité ainsi que la biodisponibilité de certains composants des plantes alimentaires, mais aussi et surtout de tendre vers des teneurs équilibrées en éléments nutritifs essentiels. D'autre part, certaines plantes restent toxiques ou allergéniques.

Contrôle de la qualité des apports glucidiques
L'amidon, polymère du glucose, constitue la source d'énergie et de carbone la plus répandue : c'est la principale substance de réserve du monde végétal, tant pour les graines que pour les tubercules.
Pour ces composés abondants, les modifications ciblées ne relèvent pas de la sécurité alimentaire proprement dite : elles intéressent plus directement les industriels de l’amidon.
Cependant, il faut mentionner un résultat tout à fait révélateur, dans le domaine des polyoses. Il s’agit de la production de polymères de fructose : les fructanes, tel que l'inuline généralement stockés par les plantes de la famille des Astéracées (ex composacées : chicorée, salsifis, topinambour, artichaut ...).
Les fructanes sont appréciés, par les nutritionnistes, car ils ne sont pratiquement pas hydrolysés avant de parvenir dans le côlon, où ils semblent favoriser les populations de bifidobactéries, qui les dégradent en produisant des acides gras à courtes chaînes considérés comme bénéfiques 13.
Le transfert des deux gènes de synthèse de fructanes du topinambour à la betterave (SST : sucrosesucrose-fructosyl transferase et FFT : fructanefructane-fructosyl transferase) a été réalisé. Pour certaines betteraves transgéniques, l'essentiel du saccharose, normalement stocké dans les vacuoles des cellules des racines de betterave est effectivement polymérisé en fructanes. De plus, il doit être possible d'en raffiner encore les produits, en contrôlant par exemple la taille et le type des polymères synthétisés, afin de les adapter aux souhaits des nutritionnistes 13.
Les apports protéiques et l'équilibre des acides aminés
L'amélioration de la quantité, mais aussi de la qualité, des protéines dans les organes végétaux consommés reste un des objectifs majeurs de nombreux programmes d'amélioration. L'équilibre des acides aminés d'une ration alimentaire constitue une priorité pour l'alimentation humaine dans certaines régions défavorisées. C'est également un objectif de meilleure gestion de l'alimentation animale, visant à réduire les rejets azotés dus à la surconsommation d'azote réduit. Certains acides aminés indispensables sont peu représentés chez la plupart des végétaux : lysine, méthionine, cystéine, tryptophane. 
Dans les tubercules, par exemple, pour lesquels la principale réserve est constituée d'amidon, il s'agit non seulement d'augmenter la quantité de lysine dans les acides aminés libres, mais aussi celle des protéines qui ne sont que peu représentées, puisque leur teneur moyenne est en général de 1%.
Le recours au transfert de gènes a permis de mieux comprendre la régulation du métabolisme de la lysine chez les plantes 14. Ainsi, le transfert d'un gène de dihydro picolinate synthase insensible à la retroinhibition par la lysine chez la pomme de terre permet d'augmenter de 15% la quantité de lysine libre dans le tubercule 13. 
Tandis que le transfert à la pomme de terre d'un gène de globuline d'Amaranthus hypochondriacus dont l'expression est contrôlée par un promoteur spécifique du tubercule 15 permet d'augmenter, de 35 à 45 % environ, la teneur en protéines totales.
Dans le même esprit mais cette fois pour les feuilles, le transfert d'un gène codant une protéine de stockage transitoire du soja (albumine riche en lysine) sous le contrôle d'un promoteur constitutif permet de faire exprimer cette protéine dans une autre plante à un niveau moyen de l'ordre de 3% des protéines totales 16.
Certains acides aminés sont peu représentés dans les graines, ce déséquilibre limite la qualité nutritionnelle des graines consommées. Des transferts de gènes de protéines riches en méthionine conduisent à des complémentations. C'est le cas pour un lupin transgénique qui exprime dans les réserves des graines une albumine de soja riche en méthionine 17, et même d'un soja qui exprime une -caséine bovine 18.
La démarche d'une équipe de l'université de New Jersey, qui vise à augmenter la teneur en méthionine de graines de maïs, apparaît plus révélatrice encore de la manière dont la génomique renforce la possibilité de modifications ciblées. En s'intéressant depuis une quinzaine d'années aux zéines, protéines de réserve de la graine de maïs, cette équipe avait identifié un gène de zéine dont la proportion en méthionine est très élevée. Cependant, cette protéine n'est pas exprimée chez les maïs cultivés, en raison d'un mécanisme de contrôle post-transcriptionnel. Ce dispositif se met en place spécifiquement en raison de la présence d'une séquence non traduite de ce gène de zéine. Des maïs transgéniques exprimant la séquence codante de cette zéine mais assortie des séquences non traduites du gène de zéine, non cible de l'empreinte parentale, expriment et stockent cette protéine riche en méthionine de façon stable dans les graines. Les premiers essais d'alimentation sur de jeunes poulets révèlent que ces graines présentent une aussi bonne valeur alimentaire que des maïs classiques complémentés en méthionine 19. 
Contrôle des apports en acides gras
Les plantes produisent " collectivement " de l'ordre de deux cents acides gras qui diffèrent par le nombre de carbones, mais aussi par le nombre de doubles liaisons et de radicaux divers. Au cours des dix dernières années, pratiquement toutes les enzymes de biosynthèse ont été caractérisées et la plupart des gènes clonés 9. Les nutritionnistes recommandent aujourd'hui de consommer essentiellement des huiles végétales (sans cholestérol) riches en acide oléique, tout en évitant les procédés d'hydrogénation qui conduisent à la formation de trans-acides gras qui se révèlent délétères 20.
Une équipe américaine a diminué les quantités importantes d'acides gras poly-insaturés en augmentant la proportion d'acide oléique dans les graines de soja 21. Leur objectif visait l'extinction de l'expression du gène de la FAD2 (fatty acid desaturase 2) par transgenèse. Ils ont exploité le phénomène de "post transcriptionnal gene silencing" (PTGS) qui fait intervenir la dégradation spécifique des ARN messagers, entraînant l'extinction de l'expression des gènes en cause. Ce dispositif, dont les modalités précises sont en cours d'étude, est assez souvent utilisé puisqu'il permet effectivement de “ cibler l'extinction ” d'une activité enzymatique 22.
Dans le cas du soja qui nous intéresse, cette extinction a été doublement ciblée, de façon qu'elle ne modifie que la FAD2 21 et uniquement dans l'embryon, dans la graine. Le résultat est probant : ce soja modifié produit une huile dont la proportion en acides gras poly-insaturés est fortement diminuée, tandis que l'acide oléique représente 85 % des acides gras. Ainsi, il devient envisageable de produire une huile de soja dont la composition est plus satisfaisante pour la nutrition humaine, et qui peut se presser et se conserver à froid sans recours aux traitements d'hydrogénation industriels 21. Ces propriétés devraient améliorer la production et la conservation d'huile de qualité, tant dans la zone sud en condition de production artisanale, que dans les régions plus industrialisées.
Une équipe australienne applique cette démarche au colza, à la moutarde et même au cotonnier dont les graines, sous-produits de la production de fibres, représentent la sixième production oléagineuse mondiale. Il est désormais possible de produire des cotonniers dont l'huile enrichie en acide oléique peut être pressée et utilisée sans hydrogénation 23.
De nombreux autres dispositifs de modification de la composition en acides gras sont en cours d'étude, et pour de nombreux domaines d'applications. Il faut citer la production, par des plantes de grande culture, d'acides gras rares mais importants, tel que l'acide -linolénique ou l'acide arachidonique 24.
AUGMENTATION DES TENEURS EN MICRONUTRIMENTS
Selon les plantes, les conditions de culture et de stockage, les variations de teneurs en micronutriments sont parfois importantes, et se répercutent directement sur la valeur nutritive. Couvrir les besoins journaliers impose de recourir à une alimentation diversifiée. Diversification souvent entravée en raison d'habitudes alimentaires, mais surtout impossible pour les populations des régions les plus pauvres et désorganisées. Pour les déficiences extrêmes (vit. A, Fer...), des solutions de complémentation peuvent intervenir. Là encore le génie génétique peut contribuer à des solutions alternatives.
Vitamines
La création du “ riz doré ” constitue un progrès technique “ emblématique ”. Pratiquement tous les tissus végétaux (végétatif, fleurs et fruits) sont capables de synthétiser le -carotène à 40 carbones, précurseur du rétinol, ainsi que les autres pigments antioxydants. Pour certains tissus, la perte de cette capacité ne présente pas de conséquence. C'est le cas de l'albumen de riz pour lequel la biosynthèse semble bloquée au geranylgeranyl-disphosphate à 20 carbones.
Par transgenèse, une équipe suisse a recréé, dans l'albumen, les conditions d'expression des gènes codant les activités manquantes. Démarche qui s'apparente à une thérapie génique !
Le rétablissement de la biosynthèse de -carotène dans l'albumen a été réalisé en transférant au riz successivement les gènes qui codent les trois activités enzymatiques nécessaires, placées sous le contrôle d'un promoteur de transcription d'une gluténine (Gt1), spécifique de l'albumen. Les trois gènes sont : la phytoène synthase de narcisse, Narcissus pseudonarcissus, la phytoène desaturase de Erwinia uredovora et la lycopène cyclase de narcisse. Leur expression dans les graines de riz leur confère une couleur jaune. Le niveau d'expression est tel, que la consommation de 300g de riz par jour fournirait l'équivalent de 100 g de vitamine A 25. Ces lignées de riz transgénique ont été transférées à l'IRRI (International Rice Research Institute), en charge de l'évaluation agronomique et de la conversion vers des variétés adaptées aux régions pour lesquelles ces riz seraient utiles. Ensuite seulement, pourront valablement intervenir les véritables évaluations agronomiques et alimentaires, ainsi que les comparaisons d'efficacité en fonction des coûts, par exemple avec les programmes de complémentation déjà en place dans certaines régions.
Pour être complet, il faut signaler que ces riz transgéniques ont révélé des éléments insoupçonnés de régulation de cette biosynthèse. L'équipe suisse continue de travailler sur ce dispositif, ce qui devrait permettre de préciser et d'augmenter encore le niveau de -carotène dans l'albumen.
Des projets similaires ont été développés afin de produire du -carotène dans des graines de colza de façon à l'extraire avec l'huile. Le transfert des gènes de phytoène synthase conduit à des teneurs en caroténoïdes de l'ordre de 1 000 à 1 500 g /g MF 26. La même démarche est en cours pour la moutarde (Brassica juncea) qui fournit traditionnellement l'essentiel de l'huile pour le continent indien.
La vitamine E (mélange de tocophérols) produite par les végétaux, également pour un rôle antioxydant, dérive également du geranylgeranyl diphosphate. C'est l'-tocophérol que l'on rend responsable des effets bénéfiques sur la santé et des stratégies de génie génétique sont en cours chez Arabidopsis et le maïs, dans une double optique : augmenter la teneur globale en tocols, et surtout celle de l'-tocophérol 27. 
Micronutriments d’origine végétale
Une extraordinaire variété de substances est produite par les végétaux... 
Nous n'aborderons qu'un seul exemple démonstratif : les flavonoïdes constituent un groupe important de composés polyphénoliques dont les rôles biologiques sont cruciaux pour les plantes (développement, résistance aux pathogènes, production de pigments, ...). Ils jouent un rôle important pour la santé de l’homme, en raison de leur action d'antioxydant 28, notamment pour la protection du système cardiovasculaire 29.
Les voies de biosynthèses des flavonoïdes déjà bien connues, se précisent de jour en jour, les gènes codant les principales enzymes sont clonés 5, et des gènes "régulateurs" (facteur de transcription) de la voie de biosynthèse des phénylpropanoïdes sont en cours d'analyse 30 .
Chez la tomate, les enzymes de biosynthèse sont exprimés dans les feuilles, mais pas du tout dans les fruits. Une analyse plus fine de l'évolution au cours de la maturation des fruits de tomate a montré que quelques flavonols sont détectés, mais en petite quantité et uniquement dans l'épiderme du fruit. Probablement en raison d'une régulation spécifique du gène codant la chalcone isomérase. Le transfert d'un gène de chalcone synthase de pétunia sous le contrôle d'un promoteur constitutif permet d'augmenter de l'ordre de cent fois la teneur en flavonols dans l'épiderme des fruits de tomate transgéniques 31. Cet exemple constitue une première approche du problème, mais d'autant plus intéressante que la quantité de flavonols est également augmentée vingt fois dans la purée préparée avec des fruits transgéniques selon les procédés industriels  usuels...
Dans le même esprit, et en sortant un peu du cadre strictement alimentaire, des approches encourageantes permettent de penser qu'il sera un jour possible de faire produire des isoflavonoïdes, naturellement produits par des légumineuses, par des plantes de grande culture 32 ; une telle possibilité devrait bientôt concerner de nombreuses substances d’intérêt, produites par des plantes exotiques voire rares. 
Oligo-éléments
Pour les éléments minéraux, le défi alimentaire le plus fréquent reste la carence en fer qui affecte environ 30% de la population mondiale. L'alimentation en fer constitue donc l'exemple de choix pour notre propos. 
Les différentes stratégies pour tenter d'enrayer l’anémie chronique de certaines populations n'ont pas permis de faire émerger de véritable solution. Outre les difficultés liées à la faible absorption de l'élément fer, la complémentation par des sels de fer se heurte à la réactivité de l'ion fer qui provoque des changements d'apparence et de goût des aliments complémentés 33. 
Les démarches actuelles de génomique fonctionnelle permettent de progresser rapidement tant dans la compréhension de la régulation de l'homéostasie du fer chez les plantes 34, que dans l'analyse du fonctionnement des tissus conducteurs (xylème et phloème) 35. 
Les tentatives d'augmentation des teneurs du fer dans les organes végétaux par génie génétique concernent essentiellement la surexpression des ferritines, protéines capables de stocker jusqu'à 4 000 atomes de fer 34. Si l'on comprend aisément comment la surexpression d'un gène de ferritine peut augmenter la teneur en fer des feuilles, l'augmentation dans les organes de réserve est plus difficile à interpréter 36. 
Une équipe suisse a entrepris d'augmenter la teneur en fer du riz 33. Car, non seulement la partie consommée des graines blanchies est assez pauvre en fer (de 0,2 à 3 mg/100g), mais encore, la présence de grandes quantités d'acide phytique qui complexe le fer, en limite considérablement la biodisponibilité (c'est le cas pour l'ensemble des céréales). Cette équipe a donc entrepris de transférer par génie génétique un ensemble de gènes contrôlés par un promoteur de transcription spécifique de l'albumen de riz, de façon à limiter l'expression de ces gènes à la partie consommée de la graine de riz. Il s'agit d'un gène de ferritine de haricot, un gène de phytase d'Aspergillus fumigatus ainsi que d'une séquence de métallothionéine de riz dont la richesse en cystéine doit favoriser l'absorption du fer. Ces riz transgéniques doivent au moins permettre de doubler la quantité de fer assimilable dans une ration de riz, l'analyse de leur impact est en cours 33. 
CONCLUSION
Cette revue d’un champ d'activité en pleine expansion ne permet pas une analyse très poussée (les lecteurs sont renvoyés à des revues plus détaillées 37). La place manquait dans ces colonnes pour examiner les démarches d’élimination des composés toxiques. Il convient tout de même de signaler que les techniques de modification ciblée trouvent des applications directes visant à éliminer par exemple les glycoalcaloïdes, la caféine ou encore les glucosinolates 37.
Les tentatives cherchant à minimiser l’incidence des protéines allergéniques sont également en cours pour le riz 38, le soja 39  et probablement de nombreuses autres plantes. Cependant, ces démarches risquent fort de s’avérer assez longues car, dans un grand nombre de cas, il s’agit de modifier un ensemble de protéines. En effet, les protéines de “ réserve ” des graines sont généralement codées par des familles de gènes, dont les membres sont variablement exprimés selon les conditions de développement. Malgré cette complexité, des pistes semblent se faire jour, ainsi une équipe californienne a diminué globalement l’allergénicité des protéines de céréales en faisant agir des thioredoxines sur les farines 40.
Enfin, les recherches de résistances aux prédateurs et pathogènes des plantes contribuent, bien que de façon indirecte, à des produits végétaux plus équilibrés et plus sains. 
Les graines de maïs résistants à la pyrale, moins accessibles aux champignons pathogènes, se révèlent bien moins contaminés par les redoutables toxines fongiques 41.
Des pertes de rendement, parfois considérables, sont provoquées par les virus dont les attaques les plus graves, sont hélas bien connues. Cependant, il faut savoir que des infections virales non ravageuses, avec peu (voire pas) de symptôme visible, entraînent des variations importantes de compositions de produits récoltés. La recherche de résistance aux virus, constitue donc bien un double objectif de sécurité alimentaire. 
Aujourd’hui, en dehors des graines dont l’équilibre en acide gras est modifié (colza, soja) très peu de produits transgéniques de composition modifiée sont commercialisés. 
Il est clair que les nouvelles possibilités techniques que nous venons de survoler renforcent considérablement les responsabilités de chacun des maillons de la chaîne de la production d’aliments. Il importe désormais de définir les objectifs d’amélioration des plantes, en cherchant à en anticiper les conséquences avec précision et dans leur globalité. Il s’agit d’un véritable défi technologique : un aliment d’origine végétale peut comporter quelques dizaines de milliers de substances en associations complexes, et qui interagissent non seulement avec les micro-organismes du tractus digestif, mais aussi avec les différents territoires cellulaires de ce tractus ... 
A ce titre, un préalable fondamental concerne le renforcement des études épidémiologiques. Ce préalable est particulièrement crucial pour les recherches qui visent la complémentation en micronutriments dont les niveaux peuvent rapidement se révéler toxiques 42. 
Finalement, l'idée globale, assez forte, qui se dégage de ce survol est bien celle d'une révolution méthodologique qui procure tant aux améliorateurs des plantes qu’aux nutritionnistes et aux médecins des moyens de recherche réellement démultipliés 43. La demande croissante de sécurité alimentaire trouvera probablement de nombreux éléments de satisfaction avec les connaissances qui vont résulter des apports de la biotechnique.
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