Le blé fait partie, avec le riz et le maïs, des trois principales céréales consommées à l’échelle de la planète. Dans le laboratoire du professeur émérite Fathey Sarhan, du Département des sciences biologiques, on s’intéresse depuis de nombreuses années aux facteurs génétiques expliquant la plus grande tolérance de certaines variétés de blé à des stress environnementaux tels que le froid, la sécheresse, la salinité des sols ou la concentration élevée du CO2 dans l’air. «Le génome du blé a commencé à être élucidé il y a quelques années à peine et les possibilités de recherche ont augmenté de manière exponentielle», affirme la chercheuse Zahra Agharbaoui, chargée de cours au Département des sciences biologiques.
Tellement que les spécialistes en biotechnologie ont fait appel au Laboratoire de bioinformatique dirigé par le professeur Abdoulaye Baniré Diallo, du Département d’informatique, afin de décrypter la masse de données générées par la recherche. «Nous sommes parvenus à identifier 199 nouveaux régulateurs du développement et de la croissance du blé souligne fièrement ce dernier. Ces petites molécules d’ARN (microARN) régulent l’expression de plusieurs gènes associés à des caractères agronomiques importants, tels le rendement, la tolérance au stress biotique – résultant de l’action néfaste d’un organisme vivant – et abiotique – exercé par un changement d’environnement – ainsi que la capacité photosynthétique.» Ces découvertes ont fait l’objet d’un article paru récemment dans la revue BMC Genomics.
Ce projet de recherche, mené conjointement par le Laboratoire de bioinformatique et le Groupe de recherche en biologie du développement et de l’adaptation des plantes, regroupe les professeurs Diallo et Sarhan, qui en sont responsables, les professeurs Mario Houde et Jean Danyluk (sciences biologiques), les chercheurs en biologie Zahra Agharbaoui, coordonnatrice principale, et Mohamed Badawi, ainsi que les étudiants Mohamed Amine Remita, candidat à la maîtrise en informatique, Mickael Leclercq, diplômé de la maîtrise en informatique, et Étienne Lord, diplômé du doctorat en informatique. Ces travaux sont financés par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada et le Fonds de recherche Nature et technologies du Québec.
Des millions de séquences à analyser
Les chercheurs en sciences biologiques tentent de comprendre comment le blé s’adapte à différentes conditions climatiques en étudiant son génome. «Nous avons des graines de blé de différents génotypes et nous les mettons en culture dans les chambres de croissance, en reproduisant les conditions qui nous intéressent, explique Zahra Agharbaoui. Ensuite nous échantillonnons des feuilles ou des racines pour extraire l’ADN et l’ARN de certaines séquences du génome.»
ADN et ARN
L’ARN est une molécule biologique très proche chimiquement de l’ADN et il est d’ailleurs en général synthétisé dans les cellules à partir d’une matrice d’ADN dont il est une copie. Les cellules vivantes utilisent en particulier l’ARN comme un support intermédiaire des gènes pour synthétiser les protéines dont elles ont besoin. L’ARN peut remplir de nombreuses autres fonctions et en particulier intervenir dans des réactions chimiques du métabolisme cellulaire.
Ce qui intéresse particulièrement les chercheurs du labo, ce sont de petites séquences d’ARN qui renferment des microARN, lesquels agissent comme régulateurs en inhibant l’expression de certains gènes. «Le défi est d’identifier ces régulateurs, souligne Abdoulaye Baniré Diallo, car nous avions près de 85 millions de petites séquences d’ARN à analyser. C’est réellement comme tenter de trouver une aiguille dans une botte de foin! Pour y parvenir, nous avons mis au point des algorithmes d’apprentissage automatisé, c’est-à-dire un système biologique modélisé de manière à prédire le fonctionnement de ces microARN.»
Pour faire ce genre d’analyses, il faut des milliers d’ordinateurs et les chercheurs font appel à Calcul Canada et Calcul Québec – un regroupement d’universités québécoises qui possèdent des supercalculateurs. «Nous utilisons environ 3000 à 4000 ordinateurs pour effectuer certains calculs», précise le directeur du Laboratoire de bioinformatique.
De nombreux aller-retours
Lorsque les supercalculateurs parviennent à des résultats, la partie n’est pas gagnée pour autant. «Nous devons tester si ces microARN sont réellement des régulateurs qui agissent sur les propriétés que nous souhaitons modifier, explique Zahra Agharbaoui. Il arrive que l’on dise à nos collègues du labo informatique qu’ils n’ont pas tenu compte de telles propriétés biologiques.» Ceux-ci retournent alors à leurs ordinateurs. «Nous intégrons ces nouvelles propriétés dans nos algorithmes, nous lançons de nouveaux calculs et nous obtenons de nouvelles prédictions que nous validons de nouveau, poursuit Abdoulaye Baniré Diallo. Ce sont des aller-retours constants.»
Encore plus de séquences!
Les chercheurs en sciences biologiques ont fourni à leurs collègues bioinformaticiens 10 librairies – chaque librairie est un ensemble de petites séquences d’ARN qui ont été échantillonnées à partir d’une plante qui a poussé dans telles ou telles conditions de température, d’humidité, de composition du sol, etc. C’est à partir des données de ces 10 librairies que l’on a identifié les 199 nouveaux régulateurs.
Pour la suite du projet, des collaborations ont été établies avec des chercheurs de l’Université de Saskatchewan, du Conseil national de recherches du Canada et du U.S. Department of Agriculture. «Ces chercheurs effectuent de la culture à grande échelle dans les champs et non uniquement en laboratoire, souligne Abdoulaye Baniré Diallo. Ils nous envoient leurs librairies pour que nous les analysions. On ne parle plus de 85 millions de séquences, mais bien de 4,5 milliards!»
Un site Web
L’équipe de bioinformaticiens a développé une méthodologie complexe pour dénicher les microARN et souhaite rendre disponible à l’ensemble de la communauté scientifique ses bases de données. Elle a ainsi créé le portail de micro-ARN.
La floraison du blé d’hiver
En plus d’élucider les mécanismes moléculaires impliqués dans la résistance au froid, les chercheurs s’intéressent à ceux impliqués dans la floraison du blé, particulièrement le blé d’hiver, plus facile à cultiver et plus productif que le blé de printemps.
Le blé d’hiver tolère des froids jusqu’à moins 27-30 degrés Celsius. On le sème en septembre, la plante germe, puis tombe en dormance pendant la période de gel et se remet à pousser au printemps, en utilisant l’eau du sol qui dégèle. «La plante possède en elle le mécanisme lui indiquant qu’elle doit fleurir, mais avec les variations climatiques que l’on connaît depuis quelques années – on observe parfois des variations de 15 à 20 degrés en quelques heures – cela peut lui jouer des tours», explique Zahra Agharbaoui. Un gel soudain empêchera la floraison et sera dommageable pour la récolte.
Si l’on connaît les gènes responsables de la tolérance au gel et de la floraison, on peut effectuer des croisements de variétés. «En bout de piste, nous souhaitons fournir des informations cruciales aux agriculteurs pour qu’ils puissent sélectionner les plantes qui résisteront au gel et fleuriront au bon moment», conclut Zahra Agharbaoui.