Section 23 Biologie végétale intégrative

II. Recommandations pour renforcer la dynamique de la recherche nationale en biologie végétale

A. Méthodologies nécessaires pour promouvoir et accompagner les approches intégratives et pluridisciplinaires sur les organismes photosynthétiques

Au cours des dernières années, le développement des technologies « à haut débit » (génomique, transcriptomique, protéomique, métabolomique, etc.) a permis de nombreuses avancées dans la compréhension des mécanismes complexes régulant les processus biologiques. Toutefois, pour faire face à l'explosion croissante de la quantité d'information produite et parvenir à organiser et interpréter ces données, il reste encore de nombreux efforts à réaliser que ce soit en termes (i) d'approches de phénotypage à haut débit pour caractériser l'impact de la variabilité génétique et des réseaux d'interactions dans différents contextes environnementaux, (ii) de stockage et de traitement des données, à large échelle et (iii) de développement d'outils de modélisation pour définir et prédire le fonctionnement des réseaux d'interactions complexes qui permettent aux organismes vivants de se développer et de s'adapter à leur environnement.

1. Stockage, traitement, « mining » de données de grande taille

La biologie intégrative des plantes fait face depuis quelques années, comme de très nombreux autres domaines de l'INSB et même d'autres instituts, à un accroissement exponentiel des données produites. Celles-ci proviennent du développement de nouvelles technologies (majoritairement données de séquençage mais aussi de phénotypage et d'imagerie cellulaire). Ce phénomène s'intensifie encore avec l'accessibilité grandissante des équipements servant à la production des données à haut débit à tout chercheur ou laboratoire.

Alors que les coûts de production de données baissent régulièrement, les coûts des infrastructures informatiques pour leur prise en charge ne permettront bientôt plus de répondre aux besoins. Sans nouvelle révolution technologique sur les solutions de stockage et d'archivage, la solution sera de trier les données pour n'en conserver qu'une partie, mais avec quels critères et pour quelle durée ? Il devient alors fondamental de déterminer comment trier, organiser, analyser, exploiter et partager au mieux ces données.

Les données issues de la biologie intégrative des plantes sont souvent hétérogènes (types de données, informations disponibles, conditions d'acquisition, contrôles qualité, format, etc.), ce qui est compliqué par l'intensification des collaborations nationales et internationales entre communautés différentes. Les chercheurs s'accommodent souvent de solutions trouvées en urgence, rarement sécurisées en termes de sauvegarde et qui ne supporteront pas une augmentation importante des flux de production.

De manière générale, une production dispersée, non « contrôlée » et sans recours systématique à des standards internationaux, posera des problèmes de pérennisation et de partage. Les bases de données internationales, répondant à des critères communs (telles que GenBank, EMBL, Tair, etc.), pourraient constituer une solution centralisée de stockage, de sauvegarde et de partage. Néanmoins la croissance exponentielle du nombre de données conduit à une saturation de ces collections, à tel point que la survie de ce modèle est remise en question. En parallèle, pour pallier ces problèmes, on assiste à la prolifération de petites bases de données spécialisées, cette dispersion posant la question de l'homogénéité et du partage des données.

Ces constats nécessitent une réflexion stratégique majeure visant à identifier une solution pérenne pour assurer le stockage, la préservation, l'exploitation de ces masses de données, mais aussi leur partage. Cette réflexion dépasse très largement le périmètre de la biologie végétale intégrative et devra probablement être menée de façon concertée au sein du CNRS, mais aussi à un niveau interorganismes et international.

2. Modélisation de phénomènes biologiques : mise en évidence de propriétés émergentes

Si les progrès technologiques dans des domaines comme la génomique, la protéomique ou la métabolomique ont permis des avancées majeures dans l'identification des composants impliqués dans différents réseaux d'interactions moléculaires (voies de signalisation, réseaux de régulation transcriptionnelle et traductionnelle, voies de trafic intracellulaire, voies métaboliques, etc.), un des enjeux majeurs pour le futur réside dans le développement d'outils numériques adaptés pour permettre l'analyse et la modélisation des réseaux d'interactions et optimiser les expériences à réaliser pour explorer le fonctionnement de ces réseaux.

La biologie intégrative a pour but de répondre à cet enjeu à travers la compréhension des interactions entre les composants cellulaires et biochimiques d'une cellule ou d'un organisme, ces interactions générant les propriétés émergentes du système. Les approches de modélisation sont essentielles car elles permettent la mise en place d'un cycle itératif entre prédiction et expérimentation (réaction et intégration), caractéristique de la biologie des systèmes. Elles peuvent générer des approches de « reverse-engineering » afin de proposer de nouvelles hypothèses testables sur le système biologique étudié, ou afin d'identifier de nouveaux paramètres à quantifier.

Chez les plantes, les études de type systémique sont relativement récentes et ont été réalisées principalement dans le cadre de la modélisation de certains processus développementaux tels que la croissance. Cependant, leur utilisation dans le cadre de l'interaction des plantes avec des microorganismes pathogènes, ou encore dans le cas de la réponse aux stress abiotiques, est en émergence. L'implémentation des approches intégratives autour de ces différents processus végétaux devrait permettre à terme d'appréhender les compromis (« trade-offs ») auxquels les plantes doivent faire face pour adapter leur croissance et leur développement dans un environnement changeant.

Pour parvenir à développer ce champ indispensable de la biologie moderne, il est impératif de promouvoir et de supporter le rapprochement à long terme entre biologistes, mathématiciens, statisticiens, physiciens et informaticiens. En effet, à l'heure actuelle, il n'existe que trop peu de structures, et pas assez d'appels d'offres au niveau national et international, pour faciliter et pérenniser la mise en place de ces interactions. C'est un travail de longue haleine qui demande des investissements importants et une véritable reconnaissance scientifique afin de rapprocher des communautés qui n'ont pas l'habitude de communiquer entre elles.

De plus, tout comme pour les bases de données, ce domaine est confronté à un manque de coordination entre les laboratoires qui utilisent ces approches. Ceci aboutit bien souvent à des développements d'outils au niveau local, qui ne sont pas disponibles pour le reste de la communauté. Cette dispersion des efforts ralentit considérablement la progression dans le domaine de la compréhension des systèmes biologiques complexes.

3. Le phénotypage à haut débit

La biologie intégrative des plantes repose à la fois sur la capacité à créer du matériel présentant une diversité génétique (mutants, lignées recombinantes, etc.) et sur la capacité à analyser les conséquences fonctionnelles de ces différences génétiques, en particulier dans des conditions environnementales spécifiques. Les besoins en phénotypage se sont notablement accrus au cours des dernières années, d'une part en nombre, en réponse à la facilité grandissante à générer et caractériser génétiquement du matériel vivant, et d'autre part en diversité. En effet, une grande variété de questions peuvent désormais être abordées, le phénotypage des plantes pouvant aller d'un phénotypage de type agronomique, sur des populations de plantes en champ, à un phénotypage à l'échelle cellulaire ou même jusqu'à l'identification et la quantification de divers métabolites ou hormones. Pour répondre à cette demande croissante et porter les investissements matériels, méthodologiques et humains nécessaires à la mise en place de techniques fiables et précises, il a fallu créer des plateformes spécialisées. Ces structures, parfois uniques ou peu nombreuses, posent un certain nombre de questions spécifiques. Comment s'insèrent-elles dans le paysage scientifique local, national et international et comment coordonne-t-on leurs activités ? Comment s'articulent leurs activités entre recherches propres, collaborations ou prestations de service ? Quelle est la visibilité et la reconnaissance du personnel affecté à ces plateformes ? Dans quel cadre peut-on apporter les compétences technologiques souvent nécessaires à ces plateformes (électronique, robotique, traitement du signal, etc.) ? La réponse à ces questions nécessite une réflexion à la fois commune aux différentes plateformes et spécifique à chacune d'entre elles. Cette réflexion doit impliquer les agents des plateformes, les utilisateurs mais aussi les tutelles, en particulier pour la définition des grandes stratégies.

Au-delà de ces considérations managériales et humaines, le développement du phénotypage à haut débit est confronté à plusieurs défis dont le plus important est sans doute de développer une représentation originale des données facilitant leur interrogation. La grande quantité d'informations générées est également propice à des méta-analyses pour lesquelles des méthodes spécifiques doivent être créées et/ou adaptées. Le second défi est l'intégration de différents types de mesures, soit à une échelle donnée, soit à des échelles différentes. Par exemple, il existe des méthodes de reconstruction de l'architecture 3D de plantes et des méthodes de fluorescence permettant de mesurer l'activité photosynthétique, mais projeter les résultats de la seconde sur la première reste un défi. Réconcilier une analyse morphologique de la croissance à l'échelle de la plante avec une échelle plus petite comme la composante cellulaire reste également difficile. Le troisième défi consiste à rapprocher autant que possible les conditions dans lesquelles peut être réalisé le phénotypage, des conditions naturelles auxquelles sont soumises les plantes. La nécessité de reproductibilité des expériences et de précision des mesures implique souvent la culture des plantes dans des conditions artificielles étroitement contrôlées. Il faudra donc développer des conditions de cultures mimant de façon plus réaliste les conditions naturelles. Par ailleurs, il sera aussi nécessaire d'élaborer des méthodes de phénotypage permettant d'appréhender la réponse des plantes à des stress multiples.

Le phénotypage à haut débit des plantes apparaît donc comme un domaine complexe, impliquant des développements technologiques et méthodologiques. Du fait de la lourdeur des investissements nécessaires, il apparaît essentiel que son développement soit coordonné au niveau national, voire international, et que les conditions permettant un dialogue étroit entre organismes de recherche mais aussi entre disciplines (par exemple biologie et mathématiques), soient mises en place. La création et le maintien de plateformes de phénotypage efficaces et innovantes sont stratégiques, non seulement par les apports que ces plateformes peuvent fournir à la recherche fondamentale, mais aussi parce qu'elles représentent souvent une première étape vers l'application en faisant sortir les innovations des laboratoires qui les ont vues naître.

B. Orientations stratégiques propices à dynamiser la recherche sur les organismes photosynthétiques

Nous souhaitons terminer ce rapport de conjoncture en proposant six actions de politique scientifique qui nous semblent essentielles au vu du bilan présenté ci-dessus.

1. Favoriser des programmes visant à combler notre déficit de connaissances sur les différentes lignées photosynthétiques

Les organismes photosynthétiques sont extrêmement diversifiés et essentiels au fonctionnement de la plupart des écosystèmes planétaires. Pour l'heure, l'effort de recherche sur ces organismes s'est concentré sur un petit nombre d'entre eux (majoritairement les plantes à fleurs, et plus modestement les algues de la lignée verte et les cyanobactéries). Toutefois, certains grands processus ne pourront être convenablement décrits et compris qu'en étendant le champ d'observation à d'autres organismes, au-delà du petit nombre d'organismes dits modèles couramment utilisés. Aussi, des études élargies seront-elles nécessaires pour traiter de problèmes aussi importants que l'établissement (en cours ou passé) d'endosymbioses permettant l'acquisition de la photosynthèse. Par ailleurs, les adaptations et les interactions entre organismes photosynthétiques dans de nombreux écosystèmes (océan, sols, etc.) restent à explorer. Enfin, dans une perspective de domestication de nouveaux organismes pour la bioénergie, par exemple les micro-algues, il faudra en étudier les pathologies.

2. Renforcer les interactions de la biologie végétale intégrative avec d'autres disciplines : écologie, chimie, mathématiques, physique

L'agroécologie est identifiée comme un axe prioritaire du développement de l'agriculture. Du point de vue de la recherche fondamentale, cela va requérir une meilleure compréhension de la biologie des interactions entre organismes, compréhension qui dépasse le cadre strict des sciences agronomiques. Une nouvelle complexité va ainsi apparaître dans l'analyse des adaptations environnementales, mobilisant des disciplines comme la métabolomique, la génétique et la (méta)génomique. L'association entre généticiens, physiologistes moléculaires, écophysiologistes et écologues sera un élément déterminant pour ces approches.

L'étude de la photosynthèse a depuis longtemps suscité la combinaison d'approches physiques et biologiques. Plus récemment, on a pu remarquer l'irruption de la physique et de la modélisation mathématique dans le domaine de la biologie du développement. D'autres domaines, comme la nutrition des plantes connaissent les mêmes évolutions. L'interface avec la chimie deviendra déterminante pour l'exploitation des ressources végétales (polysaccharidiques en particulier) et pour la production de biomatériaux innovants. Il est impératif de continuer à encourager ces démarches, en favorisant l'acquisition de connaissances interdisciplinaires chez les différents partenaires (Écoles Thématiques), tout en soutenant une recherche permettant de mieux comprendre les processus biologiques fondamentaux à l'œuvre chez les organismes photosynthétiques, élément nécessaire pour nourrir le dialogue entre expérimentateurs et modélisateurs.

3. Renforcer la coordination des recherches sur les organismes photosynthétiques au niveau national

La recherche sur les organismes photosynthétiques a une forte identité qui se nourrit des interactions et des liens historiques profonds existants entre équipes et laboratoires travaillant à différents niveaux d'échelle : la biologie intégrative est un objectif fort pour l'ensemble de cette communauté. En plus du CNRS, d'autres tutelles y ont une contribution importante ou significative comme l'INRA, l'IRD, le CIRAD, le CEA et l'IFREMER. Certaines tutelles affichent une recherche plus finalisée, à finalité agronomique (INRA, IRD, CIRAD), ou dans le secteur des bioénergies (CEA, IFREMER). Des transversalités importantes et un nombre significatif d'UMR et de laboratoires associés existent entre le CNRS, le CEA et l'INRA. Dans nos disciplines, on peut estimer qu'environ la moitié de la recherche du CEA et une bonne partie de la recherche fondamentale de l'INRA sont déjà réalisées en commun avec le CNRS. Malgré ces associations, il est souvent difficile d'évaluer dans quelle mesure des champs thématiques importants sont couverts de manière efficace au niveau national. Suite à leurs propres diagnostics, des initiatives ponctuelles peuvent être prises par certaines tutelles, sans réelle projection nationale.

Un rôle essentiel de coordinateur aurait dû être celui des alliances ALLENVI, AVIESAN et ANCRE qui, de notre point de vue, ont échoué dans cet objectif, puisque la recherche de notre communauté demeure extrêmement éparpillée. Dans ce paysage, le CNRS occupe de fait une place cruciale du fait de son association à un grand nombre d'unités développant à la fois des programmes de biologie fondamentale et d'autres à visées plus finalisées. Nous estimons donc que le CNRS doit s'impliquer davantage dans la coordination de la recherche nationale sur les organismes photosynthétiques, tout en favorisant ce continuum essentiel entre recherche fondamentale et applications sociétales.

Pour illustrer la nécessité d'un continuum entre approches cognitives et approches finalisées, notons qu'un schéma dominant, dérivé de l'amélioration des plantes, préconise une démarche où des phénotypes de tout ordre sont analysés pour en déterminer les bases génotypiques de façon à pouvoir à terme développer des programmes d'amélioration variétale. Appliquée de manière stricte, cette approche favorise la maîtrise des ressources génétiques au détriment de la compréhension fine du processus biologique. Toutefois, lorsqu'elle peut interagir avec des recherches plus fondamentales, cette approche permet des percées cognitives considérables. C'est ainsi qu'ont été isolés chez les plantes les premiers récepteurs d'agents pathogènes dans les années 90, avant même leur identification chez les animaux. L'avènement des nouvelles technologies de séquençage permet maintenant d'envisager que cette démarche, « du phénotype au gène et à sa fonction », initialement limitée à quelques espèces, puisse être utilisée à beaucoup plus large échelle et encore renforcée par le développement des techniques d'édition génomique. Il faudrait anticiper cette situation en améliorant l'accès au séquençage haut débit et à la bioinformatique pour toutes les équipes intéressées.

4. Assurer des modes de financement variés et complémentaires

Plusieurs événements récents préoccupent notre communauté et pourraient potentiellement handicaper notre capacité à financer les activités de recherche fondamentales futures sur les organismes photosynthétiques. Ainsi, au niveau national, l'Agence Nationale de la Recherche (ANR), sous la pression de son ministère de tutelle, a modifié profondément en 2014 ses appels d'offres en supprimant son programme non ciblé « blanc » et en mettant en place un large appel d'offres générique visant à répondre à plusieurs « défis sociétaux » précis. Ce nouveau programme de l'ANR peut, à terme, limiter les chances de succès des projets visant à faire bouger les fronts de connaissance par l'utilisation d'organismes photosynthétiques modèles. Cette situation interpelle notre communauté. De plus, la mise en place prochaine d'une Stratégie Nationale de la Recherche dont l'objectif est de définir les grandes priorités de la recherche française nous pousse à être vigilants, car cette initiative semble à nouveau se focaliser sur un nombre limité de « grands défis sociétaux ». Enfin, au niveau Européen, l'ANR s'est retirée brutalement (à quelques semaines de la date limite du dépôt des dossiers) de l'appel d'offres européen ERA-CAPS 2014 dont l'objectif était de générer des connaissances de base en biologie moléculaire des organismes photosynthétiques. La raison de ce retrait n'est pas claire (et n'a fait l'objet d'aucune justification de la part de l'Agence), mais pourrait être liée, au budget très faible alloué par la France à ce programme depuis plusieurs années, et surtout à la difficulté rencontrée par l'ANR pour faire accepter par la communauté Biologie Végétale une annexe nationale qui interdisait l'utilisation d'organismes modèles et imposait dans les consortiums la présence d'au moins un industriel français. Cette annexe, qui détournait l'esprit de l'appel d'offres européen, a été dénoncée dans une lettre, rédigée par les membres de la section 23, cosignée par l'ensemble des directeurs d'unités de Biologie Végétale Intégrative et remise à Madame la Ministre Geneviève Fioraso en février 2014. Bien au-delà de la situation particulière de l'appel d'offres ERA-CAPS 2014, l'intégration de notre communauté au niveau européen doit être facilitée, afin que la France puisse tenir son rang de grande puissance scientifique et agricole, et puisse jouer un rôle moteur dans la transition énergétique au niveau de l'Union. Ainsi, il conviendrait que les autorités ou instituts de recherche français n'instrumentalisent pas les programmes européens comme de simples leviers de leur politique nationale. De plus, les clauses françaises imposant la participation de partenaires privés français dans les programmes européens peuvent pénaliser le montage et la cohérence des projets auxquels émargent les laboratoires publics. Elles ont un effet contre-productif conduisant in fine à un déficit de financements.

À l'heure actuelle, nos tutelles ont une capacité de financement de programmes extrêmement réduite, et la contribution de l'ANR est essentielle pour soutenir efficacement non seulement le développement des programmes de recherche, mais également le fonctionnement des laboratoires. Dans le meilleur des cas, cette agence ne permet pas de sécuriser la continuité d'approches ambitieuses, au-delà des quelques années d'un programme. Par ailleurs, les programmes soutenus impliquent un nombre limité de partenaires et le montage de partenariats avec l'étranger reste restreint à des cadres établis. Ceci pose la question des périmètres possibles et de la pérennité de projets identifiés comme stratégiques par les tutelles, qui possèdent des cercles de réflexion prospective, à la différence de l'ANR. Parallèlement, le financement sur programmes impose des contraintes qui freinent la capacité des laboratoires à explorer de nouvelles pistes de recherche, jugées trop risquées. Cette limitation peut brider la capacité d'innovation de notre système de recherche et doit être compensée en maintenant à un niveau convenable les budgets récurrents qui sont affectés aux laboratoires. Cela passera par la restauration de la liberté d'action financière de leurs tutelles.

5. Renforcer les liens avec le monde industriel

La biologie est entrée dans l'ère post-génomique. Plus que l'acquisition de données moléculaires, c'est leur mise en forme et l'exploitation de leurs propriétés émergentes qui seront au cœur des approches modernes : biologie des systèmes, sélection génomique, biologie synthétique. Ces nouveaux concepts nous semblent plus largement appropriés par l'INRA que par les équipes du CNRS, ce qui devrait être un moteur pour renforcer les synergies évoquées plus haut. La biologie végétale a un rôle clé à jouer en biologie synthétique, vue comme une construction du vivant. En effet, si cette discipline reste toujours très limitée par les contraintes de la recombinaison génétique par voie sexuée, ces contraintes peuvent être levées par des technologies déjà bien établies (transgenèse) ou nouvelles (édition génomique). Dans la perspective de resserrer les liens entre les mondes académique et industriel, une grande partie des applications de la connaissance académique utilisera ces technologies. La question se pose alors clairement de leur acceptation. Une opportunité se dessinera peut-être lorsque ces méthodologies s'appliqueront à des organismes nouveaux à destination non alimentaire (micro-algues pour les biocarburants, production de médicaments, biomatériaux innovants).

6. Augmenter l'attractivité des filières de formation en biologie végétale

Les filières de formation en biologie végétale pâtissent de deux handicaps majeurs. Les apports les plus visibles de la discipline sont souvent restreints à l'élaboration de plantes transgéniques, dont l'image est négative. Par ailleurs, les débouchés offerts par le secteur privé sur le territoire national sont réduits, en partie à cause de cette image. Il est important d'inverser ces tendances car les organismes photosynthétiques représentent des enjeux majeurs pour l'innovation dans les domaines de l'agriculture, l'énergie et même la santé (par exemple, le vaccin produit contre le virus Ebola l'a été dans des plantes de tabac), alors que paradoxalement l'ignorance du public est grande concernant ces enjeux. Il convient donc de soutenir l'initiative entrepreneuriale par des formations et incitations adaptées. Par ailleurs, il faudra renforcer la formation d'étudiants dans les domaines de l'amélioration des plantes, de l'agroécologie et des bioénergies, domaines qui « tireront » ensuite les domaines les plus fondamentaux. Enfin, il faudra communiquer, à large échelle et de manière institutionnelle, sur l'importance de ces secteurs pour l'avenir.