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porcherie. C'est donc un procédé plein d'avenir dans une optique d'économie de l'énergie. L'utilisation industrielle de ce procédé est beaucoup moins avancée que celle des boues activées. Les digesteurs en béton sont chers et on voudrait leur substituer des poches en plastique partiellement enfouies dans le sol. La transformation est lente et, bien que la réaction soit exothermique, il faut chauffer le réacteur en utilisant une partie du méthane produit. Des essais sont actuellement entrepris pour utiliser les calories de bas niveau des usines au réchauffement de ces digesteurs. Les propriétés des microorganismes peuvent être utilisées dans d'autres processus d'épuration. Avec des bactéries dénitrifiantes, on élimine les nitrates présents dans les rejets urbains. Un procédé microbiologique permet de concentrer les phosphates dans des bactéries et d'éviter qu'ils ne s'échappent dans les rivières où ils favorisent une prolifération exagérée des mousses et des algues. Des eaux de mines contenant du thorium peuvent être épurées en le fixant sur des cellules de champignons. Les microorganismes domestiqués contribuent donc largement à rendre notre environnement plus salubre et plus agréable. CONCLUSION L'homme ne survit que grâce aux êtres vivants qui l'entourent. Il est donc obligé de les respecter en limitant la pollution qu'il engendre. Il peut aussi les utiliser à son profit pour sa nourriture, la production de matière première et celle d'énergie. Pour cela, il a besoin d'une nouvelle catégorie d'ingénieurs qui doivent connaître les techniques de l'ingénierie et les sciences de la vie. Jusqu'ici nous avons eu surtout des biotechnologues, théoriciens ou chercheurs persuadés de l'intérêt d'une utilisation plus complète de la photosynthèse et des fermentations microbiennes. Maintenant les avantages industriels se précisent, le point de rentabilité devient très proche et on a besoin de praticiens biotechnologistes pour réaliser ces installations. RESSOURCES FRANÇAISES EN BIOMASSE La forêt occupe 14,5 millions d'hectares. Elle produit en moyenne 8 tonnes de biomasse sèche par hectare et par an. Les taillis 4 à 5 millions d'hectares sont peu exploités. Les futaies ne valorisent pas les coupes d'éclaircie destinées à favoriser la production de bois d'œuvre de qualité. Lors des exploitations des futaies, il reste des déchets
Il peut aussi les utiliser à son profit pour sa nourriture, la production de matière première et celle d'énergie. Pour cela, il a besoin d'une nouvelle catégorie d'ingénieurs qui doivent connaître les techniques de l'ingénierie et les sciences de la vie. Jusqu'ici nous avons eu surtout des biotechnologues, théoriciens ou chercheurs persuadés de l'intérêt d'une utilisation plus complète de la photosynthèse et des fermentations microbiennes. Maintenant les avantages industriels se précisent, le point de rentabilité devient très proche et on a besoin de praticiens biotechnologistes pour réaliser ces installations. RESSOURCES FRANÇAISES EN BIOMASSE La forêt occupe 14,5 millions d'hectares. Elle produit en moyenne 8 tonnes de biomasse sèche par hectare et par an. Les taillis 4 à 5 millions d'hectares sont peu exploités. Les futaies ne valorisent pas les coupes d'éclaircie destinées à favoriser la production de bois d'œuvre de qualité. Lors des exploitations des futaies, il reste des déchets non utilisés : branches, écorces, déchets des scieries et menuiseries. La valeur énergétique de ces productions est estimée à 3-4,5 millions de tonnes d'équivalent-pétrole. Les déchets agricoles — Les pailles de céréales et d'oléagineux représentent 26 millions de tonnes de matière sèche réparties sur 10 millions d'hectares. — Les sarments de vigne et bois de taille représentent 3,5 millions de tonnes répartis sur 1,5 million d'hectares. — L'élevage entraîne 16 millions de tonnes de déjections animales. CULTURES ENERGETIQUES Une partie de l'agriculture pourrait être orientée en vue de satisfaire les besoins énergétiques. Les études portent sur les cultures suivantes susceptibles de développement en France. Betterave : Sélection de nouvelles variétés pour le rendement optimum en sucre fermentescible, en vue de la production d'éthanol. Topinambour : Installer cette culture qui s'accommode de terrains peu fertiles et est susceptible de produire 40 hl/ha d'alcool. Euphorbes : Extraire des hydrocarbures de la biomasse. Euphorbia characias, dans la zone méditerranéenne, produit une biomasse à 25 % d'hydrocarbure. Jacinthe d'eau : Se développe très rapidement dans les eaux chaudes avec des croissances journalières de l'ordre de 200 kg/ha de matière sèche. Essais de culture. Canne de Provence : Elle a une production annuelle de 20
de vigne et bois de taille représentent 3,5 millions de tonnes répartis sur 1,5 million d'hectares. — L'élevage entraîne 16 millions de tonnes de déjections animales. CULTURES ENERGETIQUES Une partie de l'agriculture pourrait être orientée en vue de satisfaire les besoins énergétiques. Les études portent sur les cultures suivantes susceptibles de développement en France. Betterave : Sélection de nouvelles variétés pour le rendement optimum en sucre fermentescible, en vue de la production d'éthanol. Topinambour : Installer cette culture qui s'accommode de terrains peu fertiles et est susceptible de produire 40 hl/ha d'alcool. Euphorbes : Extraire des hydrocarbures de la biomasse. Euphorbia characias, dans la zone méditerranéenne, produit une biomasse à 25 % d'hydrocarbure. Jacinthe d'eau : Se développe très rapidement dans les eaux chaudes avec des croissances journalières de l'ordre de 200 kg/ha de matière sèche. Essais de culture. Canne de Provence : Elle a une production annuelle de 20 t/ha de matière sèche dans la région méditerranéenne. Évaluation économique de la culture. Maïs et sorgho : Ces deux plantes fournissent de l'amidon à faible coût qui peut alimenter les industries de fermentation. Pas d'essais spéciaux en France. Taillis à courte rotation : Production de matériaux lignocellulosique par un système de culture peu exigeant. Essais en vraie grandeur. Biotechnologie et végétaux supérieurs Consultation sur place par Claude MARTIN • directeur de recherches à l’Institut national de la recherche agronomique (INRA) La découverte, il y a quarante-cinq ans, de la possibilité de faire proliférer dans un tube à essai des cellules végétales et la mise au point il y a trente ans de la culture de méristèmes sont à l’origine de biotechnologies utilisant les végétaux supérieurs. Ces nouvelles techniques ont déjà aujourd’hui ou auront demain des champs d’application dans des domaines très divers : — production contrôlée et économique de molécules importantes de la pharmacopée moderne : agents antitumoraux, cardio-régulateurs, ... — biosynthèse de molécules nouvelles d'intérêt pharmaceutique, alimentaire ou encore inconnu ; — création de nouvelles variétés et même de nouvelles espèces végétales ; — amplification considérable de la multiplication des végétaux supérieurs qui sont des éléments indispensables à l'alimentation,
de culture peu exigeant. Essais en vraie grandeur. Biotechnologie et végétaux supérieurs Consultation sur place par Claude MARTIN • directeur de recherches à l’Institut national de la recherche agronomique (INRA) La découverte, il y a quarante-cinq ans, de la possibilité de faire proliférer dans un tube à essai des cellules végétales et la mise au point il y a trente ans de la culture de méristèmes sont à l’origine de biotechnologies utilisant les végétaux supérieurs. Ces nouvelles techniques ont déjà aujourd’hui ou auront demain des champs d’application dans des domaines très divers : — production contrôlée et économique de molécules importantes de la pharmacopée moderne : agents antitumoraux, cardio-régulateurs, ... — biosynthèse de molécules nouvelles d'intérêt pharmaceutique, alimentaire ou encore inconnu ; — création de nouvelles variétés et même de nouvelles espèces végétales ; — amplification considérable de la multiplication des végétaux supérieurs qui sont des éléments indispensables à l'alimentation, la santé, le confort et la joie de vivre de l'homme. Non, non, non, mille fois non ; il n’y a pas de sciences qui méritent le nom de sciences appliquées : il y a la Science, et les applications de la Science, liées entre elles comme le fruit à l’arbre qui l’a porté. Louis PASTEUR. La découverte de la possibilité de cultiver indéfiniment des cellules et tissus végétaux in vitro, entre 1935 et 1937, par R.I. Gautheret [1], [2], actuel président de l’Académie des sciences, est à l’origine du formidable développement de ce que l’on appelle aujourd’hui la biotechnologie des végétaux supérieurs : en partant de quelques cellules spécialisées, celles génératrices du bois, Gautheret réussit à l’époque à obtenir leur multiplication dans un tube de culture, sur un milieu gélosé renfermant éléments minéraux, sucres, vitamines, hormones ; repiquées régulièrement depuis, lorsque le tube est envahi et le milieu de culture épuisé, ces cellules prolifèrent toujours dans le laboratoire de l’inventeur de la technique. Les progrès considérables réalisés en matière d’hormonologie, de physiologie et de biochimie végétales durant ces quarante-cinq dernières années ont fait de cette découverte un modèle remarquable pour la recherche fondamentale en biologie générale et un outil
l’arbre qui l’a porté. Louis PASTEUR. La découverte de la possibilité de cultiver indéfiniment des cellules et tissus végétaux in vitro, entre 1935 et 1937, par R.I. Gautheret [1], [2], actuel président de l’Académie des sciences, est à l’origine du formidable développement de ce que l’on appelle aujourd’hui la biotechnologie des végétaux supérieurs : en partant de quelques cellules spécialisées, celles génératrices du bois, Gautheret réussit à l’époque à obtenir leur multiplication dans un tube de culture, sur un milieu gélosé renfermant éléments minéraux, sucres, vitamines, hormones ; repiquées régulièrement depuis, lorsque le tube est envahi et le milieu de culture épuisé, ces cellules prolifèrent toujours dans le laboratoire de l’inventeur de la technique. Les progrès considérables réalisés en matière d’hormonologie, de physiologie et de biochimie végétales durant ces quarante-cinq dernières années ont fait de cette découverte un modèle remarquable pour la recherche fondamentale en biologie générale et un outil qui est en train de devenir particulièrement performant au service de la santé, de l'alimentation, du confort et de la joie de vivre de l’homme. Il est évident qu’il est impossible ici de faire un exposé exhaustif en la matière ; nous présenterons donc quelques exemples des potentialités et des réalisations actuelles de la culture in vitro des cellules et tissus végétaux. L'article a été subdivisé très arbitrairement (car tout est lié en biologie), en deux grands chapitres : — le premier donne une plus grande importance à la cellule ; — le second est plus spécialement axé sur la culture in vitro d’organismes végétaux. MOTS CÉDÉS : APPLICATION, BIOTECHNOLOGIE, CULTURE, VEGETAL SUPÉRIEUR. Fig. 1. — La mise au point des milieux de culture exige des recherches en biochimie et hormonologie végétales : on voit ci-contre que la cafeylputrescine (un composé naturel des ovules) a un net effet en présence d’une hormone, l’acide indol-3-acétique (AIA), sur la production des racines à partir de fragments de limbe de tabac en culture in vitro. En présence d’une autre hormone, la benzylamide (BA) ou de BA + AIA on a une abondante production de bourgeons. CE QU’APPORTENT ET PEUT APPORTER LA CULTURE IN
réalisations actuelles de la culture in vitro des cellules et tissus végétaux. L'article a été subdivisé très arbitrairement (car tout est lié en biologie), en deux grands chapitres : — le premier donne une plus grande importance à la cellule ; — le second est plus spécialement axé sur la culture in vitro d’organismes végétaux. MOTS CÉDÉS : APPLICATION, BIOTECHNOLOGIE, CULTURE, VEGETAL SUPÉRIEUR. Fig. 1. — La mise au point des milieux de culture exige des recherches en biochimie et hormonologie végétales : on voit ci-contre que la cafeylputrescine (un composé naturel des ovules) a un net effet en présence d’une hormone, l’acide indol-3-acétique (AIA), sur la production des racines à partir de fragments de limbe de tabac en culture in vitro. En présence d’une autre hormone, la benzylamide (BA) ou de BA + AIA on a une abondante production de bourgeons. CE QU’APPORTENT ET PEUT APPORTER LA CULTURE IN VITRO DE CELLULES VEGETALES On sait aujourd’hui que chaque cellule d’une plante, qu’elle provienne d’une racine, d’une tige, d’une feuille ou d’une fleur, renferme toutes les informations génétiques exprimées soit dans différents organes de cette plante, soit à différents moments de la vie de la même plante : pour être plus clair, l’odeur des racines d’un rosier ou d’un jasmin n’a rien de commun avec celle des fleurs de ces plantes, car elles ne fabriquent pas les principes odorants qui sont un de leurs agréments ; chaque cellule de ces racines est cependant capable de le faire, renferme toutes les informations nécessaires à la synthèse de l’essence qui flatte notre sens olfactif : il suffit (il faut) trouver les conditions qui permettent à ces cellules de réaliser, lorsqu’elles sont cultivées in vitro, le programme de biosynthèse en cause. L’acquisition de cette notion ouvre des perspectives d’applications très importantes. a) Culture in vitro de cellules végétales et production de molécules Plus de 40 % des principes actifs des médicaments utilisés à ce jour pour préserver la santé de l’homme proviennent d’organismes vivants et plus de 25 % des plantes supérieures ; on peut citer quelques exemples frappants : — les agents
plus clair, l’odeur des racines d’un rosier ou d’un jasmin n’a rien de commun avec celle des fleurs de ces plantes, car elles ne fabriquent pas les principes odorants qui sont un de leurs agréments ; chaque cellule de ces racines est cependant capable de le faire, renferme toutes les informations nécessaires à la synthèse de l’essence qui flatte notre sens olfactif : il suffit (il faut) trouver les conditions qui permettent à ces cellules de réaliser, lorsqu’elles sont cultivées in vitro, le programme de biosynthèse en cause. L’acquisition de cette notion ouvre des perspectives d’applications très importantes. a) Culture in vitro de cellules végétales et production de molécules Plus de 40 % des principes actifs des médicaments utilisés à ce jour pour préserver la santé de l’homme proviennent d’organismes vivants et plus de 25 % des plantes supérieures ; on peut citer quelques exemples frappants : — les agents antitumoraux produits en particulier par la pervenche de Madagascar, plante aux jolies fleurs roses ou blanches ; — les analgésiques (morphine, codéine, ...) extraits du pavot connu de tous ; — les cardio-régulateurs que synthétise la digitalis qui pousse à l’orée des bois, au bord des fossés ; — les nombreux agents de régulation de la circulation sanguine et de la fragilité capillaire (extraits de marron d’Inde, myrtille, ...) ; — la production de stéroïdes par l’igname, par exemple, un des féculents des pays tropicaux. On peut certes extraire les principes actifs des plantes qui les produisent : cela coûte souvent très cher et il faut suffisamment de matériel, l’accroissement de la demande aboutissant parfois à une diminution inquiétante des populations naturelles de ces plantes ; on a aussi, bien sûr, réalisé la synthèse chimique des molécules intéressantes, mais cela coûte encore souvent beaucoup plus cher. La culture de cellules végétales in vitro, en fermenteurs pour la production industrielle, ouvre ici des perspectives extrêmement séduisantes dont certaines sont en cours de réalisation ; quand on a isolé la meilleure souche de cellules productrices de principes actifs, trouvé les meilleures conditions de culture de ces cellules, on est assuré d’avoir une
nombreux agents de régulation de la circulation sanguine et de la fragilité capillaire (extraits de marron d’Inde, myrtille, ...) ; — la production de stéroïdes par l’igname, par exemple, un des féculents des pays tropicaux. On peut certes extraire les principes actifs des plantes qui les produisent : cela coûte souvent très cher et il faut suffisamment de matériel, l’accroissement de la demande aboutissant parfois à une diminution inquiétante des populations naturelles de ces plantes ; on a aussi, bien sûr, réalisé la synthèse chimique des molécules intéressantes, mais cela coûte encore souvent beaucoup plus cher. La culture de cellules végétales in vitro, en fermenteurs pour la production industrielle, ouvre ici des perspectives extrêmement séduisantes dont certaines sont en cours de réalisation ; quand on a isolé la meilleure souche de cellules productrices de principes actifs, trouvé les meilleures conditions de culture de ces cellules, on est assuré d’avoir une production continue et contrôlable, mais surtout économique, la puissance de biosynthèse de la cellule végétale étant à ce jour sans commune mesure avec celle des cornues des meilleurs chimistes. L'intérêt de la technique ne se limite pas à la production de produits pharmaceutiques : il est actuellement éprouvé pour l'obtention de principes odorants, de cosmétiques, d'édulcorants, etc. De plus, on s'est aperçu que les cellules végétales en culture in vitro sont capables ou de produire de nouvelles molécules ou de transformer des molécules introduites dans le milieu de culture : cela ouvre, on l'imagine aisément, des horizons prometteurs. Signalons enfin que l'inventaire des molécules qu'offrent les plantes au service de l'homme est très loin d'être achevé. Il est scientifiquement sage d'écrire qu'il reste encore beaucoup à faire dans tous ces domaines. b) Culture de cellules et amélioration des plantes Nous venons de voir quelques exemples d'utilisation directe par l'homme des potentialités de la cellule végétale grâce à l'industrialisation de la culture in vitro ; en restant plus près de la nature, cette technique est en train de bouleverser la génétique des plantes cultivées ou cultivables donc d'augmenter considérablement leur diversité et par voie de conséquence leur intérêt économique. On s'est
de principes odorants, de cosmétiques, d'édulcorants, etc. De plus, on s'est aperçu que les cellules végétales en culture in vitro sont capables ou de produire de nouvelles molécules ou de transformer des molécules introduites dans le milieu de culture : cela ouvre, on l'imagine aisément, des horizons prometteurs. Signalons enfin que l'inventaire des molécules qu'offrent les plantes au service de l'homme est très loin d'être achevé. Il est scientifiquement sage d'écrire qu'il reste encore beaucoup à faire dans tous ces domaines. b) Culture de cellules et amélioration des plantes Nous venons de voir quelques exemples d'utilisation directe par l'homme des potentialités de la cellule végétale grâce à l'industrialisation de la culture in vitro ; en restant plus près de la nature, cette technique est en train de bouleverser la génétique des plantes cultivées ou cultivables donc d'augmenter considérablement leur diversité et par voie de conséquence leur intérêt économique. On s'est en effet aperçu que des cellules banales cultivées en dehors de la plante manifestent une extrême variabilité de leurs potentialités génétiques et parallèlement le nombre de leurs chromosomes est également très variable ; toute substance (souvent à caractère hormonal) qui stimule puissamment la multiplication in vitro des cellules entraîne de nombreuses variations du nombre de chromosomes et parallèlement la variabilité génétique. Or, on sait aujourd'hui reconstituer in vitro à partir d'une seule cellule, grâce à un jeu subtil d'équilibrés hormonaux, une plante entière avec des racines, tige, feuilles, fleurs, cultivable dans les conditions naturelles. On voit de suite ce que peut apporter le laboratoire à l'agriculture. Dans ce domaine particulier la culture de cellules végétales a abouti à une découverte extrêmement intéressante. On sait que le gamète femelle, c'est-à-dire l'ovule, de certains animaux ou de nombreuses plantes est capable, soumis à des traitements appropriés, de proliférer et de donner un embryon qui se transforme en un nouvel organisme. Comme l'a dit Gautheret, lors d'une récente (10 décembre 1979) séance solennelle de l'Académie des Sciences : « On obtient ainsi des enfants sans père » C'est scientifiquement parlant la parthénogenèse. Or, avec les végétaux, on sait aujourd'hui faire « des enfants
nombreuses variations du nombre de chromosomes et parallèlement la variabilité génétique. Or, on sait aujourd'hui reconstituer in vitro à partir d'une seule cellule, grâce à un jeu subtil d'équilibrés hormonaux, une plante entière avec des racines, tige, feuilles, fleurs, cultivable dans les conditions naturelles. On voit de suite ce que peut apporter le laboratoire à l'agriculture. Dans ce domaine particulier la culture de cellules végétales a abouti à une découverte extrêmement intéressante. On sait que le gamète femelle, c'est-à-dire l'ovule, de certains animaux ou de nombreuses plantes est capable, soumis à des traitements appropriés, de proliférer et de donner un embryon qui se transforme en un nouvel organisme. Comme l'a dit Gautheret, lors d'une récente (10 décembre 1979) séance solennelle de l'Académie des Sciences : « On obtient ainsi des enfants sans père » C'est scientifiquement parlant la parthénogenèse. Or, avec les végétaux, on sait aujourd'hui faire « des enfants sans mère », on peut en effet partant du grain de pollen, qui fournit le gamète mâle équivalent au spermatozoïde des mammifères, obtenir par une succession de cultures sur des milieux différents une plante entière qui ne renferme qu'un stock chromosomique : l'utilisation de ces plantes en génétique traditionnelle a conduit à l'obtention de nouvelles espèces, en particulier de céréales, beaucoup plus performantes. Mais on est allé plus loin. Il y a déjà relativement longtemps (une vingtaine d'années) que les biologistes animaux ont réussi en culture in vitro à fusionner des cellules d'espèces très différentes : souris + moustique, homme + souris, etc. Cette technique présente un intérêt considérable en génétique fondamentale des animaux. Pour les végétaux, certains ont pensé qu'on pouvait aller plus loin puisque, comme on l'a vu plus haut, on peut partant d'une seule cellule obtenir de nouveau une plante entière. On pouvait donc espérer obtenir de cette façon des hybrides irréalisables par la voie de l'hybridation naturelle sexuelle. C'est ce qui a en effet déjà été obtenu, dans quelques cas rares, quand on a su sortir toute la matière vivante de la cellule végétale, le protoplaste, de sa paroi pecto-cellulosique ; on a pu ainsi, en