Qu’est-ce que la culture de tissus végétaux, quelles sont les différentes techniques, les principaux avantages et comment l’automatiser ?
La culture de tissus végétaux est un ensemble de techniques ayant de multiples applications, qui se trouve actuellement en plein essor. Cette activité est réalisée dans des laboratoires spécialisés, dont le personnel se consacre à la culture d’explants in vitro. Les explants sont de petites portions séparées d’une plante – comme des protoplastes, des cellules, des tissus ou des organes – cultivées dans des conditions environnementales strictement contrôlées afin de produire de grandes quantités de plantes ayant un matériel génétique identique.
La culture de tissus végétaux est définie comme la culture in vitro d’explants dans des conditions environnementales strictement contrôlées dans le but d’obtenir de grandes quantités de plantes identiques entre elles.
Du point de vue biologique, la culture de tissus végétaux est possible grâce à la totipotence cellulaire des tissus méristématiques végétaux qui se trouvent dans différents organes des plantes. Cette faculté permet à ces cellules végétales de se reproduire de façon asexuée et de se dédifférencier, puis de se différencier à nouveau pour former une nouvelle plante.
La culture de tissus végétaux applique les connaissances de la biotechnologie végétale, qui comprend différents domaines des sciences de la vie aussi variés que la biochimie, la biologie moléculaire, l’immunologie, la virologie, l’industrie agroalimentaire, l’industrie pharmaceutique et l’agriculture.
Principales applications de la culture de tissus végétaux
La culture de tissus végétaux permet l’étude et la transformation génétique de plantes pour modifier leur résistance aux virus et aux insectes, leur valeur nutritionnelle, leur aspect ou leur métabolisme. Elle permet aussi de mieux comprendre les processus génétiques et physiologiques des végétaux, puisque les conditions environnementales de culture in vitro peuvent être contrôlées et analysées de façon détaillée. C’est la principale démarche utilisée pour exploiter la totipotence des plantes et réaliser des manipulations du génotype et du phénotype des cellules végétales.
La culture de tissus végétaux est de nos jours un précieux outil, tant pour la recherche fondamentale que pour ses applications commerciales. Par exemple, le secteur de la biotechnologie innove constamment pour obtenir de meilleures semences, qui produisent plus de fruits par plante. En cosmétique, des extraits protéiques de collagène ou de facteurs de croissance sont produits à partir de cellules-mères de plantes, évitant ainsi l’usage de produits animaux. En médecine, de nombreux substances et vaccins sont produits à partir de plantes génétiquement modifiées. Enfin, le domaine dans lequel cette technique a le plus d’impact est incontestablement l’horticulture: de nombreuses entreprises produisent fruits et légumes verticalement, sous serre, au moyen de la culture de tissus végétaux, qui permet d’obtenir des plantes au génotype identique, une productivité plus élevée par unité de surface, et des plantes plus résistantes aux parasites.
Types de culture de tissus végétaux
Comme mentionné au début de cet article, la culture de tissus végétaux regroupe différentes techniques qui, selon leur objectif, peuvent être classées en plusieurs types:
Culture de méristèmes
Dans cette méthode, les tissus méristématiques des plantes sont cultivés en conditions artificielles. Ces tissus n’étant généralement pas affectés par les pathogènes végétaux, cette méthode est préférable pour éviter l’apparition de maladies causées par des virus.
Culture d’organes
Cette technique utilise au départ un organe de la plante, comme une feuille, les racines ou la tige. Elle est privilégiée pour préserver la structure et les fonctions souhaitées de la plante.
Culture de cals
Les cals sont des amas de cellules non différenciées. Cette technique utilise les cellules d’un cal de n’importe quelle partie de la plante pour les différencier par la suite.
Culture de graines
Les graines sont utilisées pour la régénération de la plante en milieu artificiel.
Culture de protoplastes
Dans cette méthode, des protoplastes sont obtenus à partir de cellules de la plante, puis ils sont cultivés pour permettre le développement de la paroi cellulaire, puis la différenciation des tissus et la croissance d’une plante adulte.
Culture d’embryons
Elle consiste à isoler de façon stérile et à cultiver in vitro un embryon immature ou mature dans le but d’obtenir une plante viable.
Avantages et inconvénients de la culture de tissus végétaux par rapport à la culture traditionnelle
La culture de tissus végétaux présente de nombreux avantages par rapport à la culture traditionnelle. Le tableau suivant résume les principaux avantages et inconvénients de cet ensemble de techniques.
Avantages
- Les tâches comme le désherbage et la fumigation ne sont pas nécessaires.
- Le processus génère une biomasse de génotype et de phénotype uniformes, disponible en permanence, quelles que soient les conditions du sol et la variation des conditions climatiques.
- La production ne dépend pas de la saison et peut-être réalisée tout au long de l’année. De plus, le rendement en biomasse est bien supérieur et peut être optimisé au cours du temps.
- Il est possible d’étudier les effets de différents agents mutagènes et d’essayer d’immobiliser les cellules pour la biotransformation ou diverses réactions biochimiques.
- Ces méthodes peuvent fournir une source continue et fiable de produits phytopharmaceutiques. De plus, elles permettent d’obtenir des composés dont la synthèse chimique est difficile ou impossible. Elles peuvent aussi être utilisées pour la culture de cellules végétales à grande échelle.
- Il est facile de produire des plantes hybrides à l’aide de procédés d’hybridation entre espèces et entre genres.
- Ces techniques permettent la culture d’espèces pour lesquelles la culture traditionnelle n’est pas possible.
Inconvénients
- La culture de tissus végétaux nécessite un personnel qualifié et bien formé, ainsi que des installations sophistiquées, que ce soit les laboratoires ou les serres. L’investissement économique initial est donc important.
- Les plantes produites dépendent de sources de nutriments spécifiques.
- Ces méthodes requièrent un environnement stérile, car une contamination pourrait compromettre toute une récolte.
- Les plantules sont plus vulnérables à la contamination et à la perte d’eau en environnement extérieur, car elles sont cultivées à une humidité relativement élevée.
- Les plantes en culture ne sont pas autotrophes et doivent passer par une phase de transition avant de pouvoir se développer de manière indépendante.
- Ces méthodes nécessitent un suivi et des contrôles des différents stades de développement plus importants que dans la culture traditionnelle.
Procédure habituelle de culture de tissus végétaux
Nous ne nous attarderons pas sur les détails des différentes étapes de cette technique puisque, si vous faites partie d’un laboratoire qui s’y consacre, vous savez en quoi elles consistent. De plus, il existe différents types de cultures de tissus végétaux, chacune ayant ses spécificités. Nous allons tout de même mentionner les principales étapes pour ensuite mettre l’accent sur certaines d’entre elles. En général, la culture de tissus végétaux in vitro comprend 5 étapes :
Sélection de l’espèce
Préparation du milieu de culture
Développement du tissu ou de l’explant
Enracinement
Conditionnement et acclimatation
La plupart de ces étapes sont effectuées manuellement par du personnel qualifié, et leur durée varie en fonction du type d’application. Le dénominateur commun à toutes les méthodes est la façon dont est préparé le milieu de culture, une étape manuelle qui peut être particulièrement fastidieuse. Ce milieu peut provenir de trois sources : il peut être acheté prêt à l’usage à un fournisseur externe, il peut être préparé de façon manuelle avec un autoclave, ou il peut être produit de façon automatique grâce à un préparateur de milieux.
Préparation du milieu de culture utilisé pour la culture de tissus végétaux
Les milieux de culture utilisés pour la culture de tissus végétaux contiennent en général des sels inorganiques, des facteurs de croissance, des vitamines, des acides aminés, des sucres et, parfois, un agent gélifiant, bien que ce ne soit pas indispensable. Il est également possible d’y ajouter différents composés, tels que des antioxydants, des retardateurs de croissance ou des complexes inorganiques naturels.
Il faut aussi tenir compte du pH du milieu de culture, car celui-ci affecte non seulement la croissance des plantes, mais aussi l’activité des régulateurs de croissance. En général, le pH est ajusté à des valeurs autour de 5,5. De plus, le milieu de culture doit être stérilisé pour éviter la contamination par les micro-organismes. La technique la plus utilisée est le traitement par chaleur humide en autoclave de laboratoire.
Comme vous le savez, la préparation correcte du milieu de culture nécessite précision et uniformité. Il faut ajouter les quantités précises des différents composés, tenir un registre exhaustif des quantités de chaque nutriment. Puis stériliser la préparation à la température et pendant le temps adéquats, en prenant soin que le mélange soit homogène, prêt à être distribué dans des récipients en verre ou en polypropylène sous une hotte à flux laminaire. La réussite du travail dépendra de toutes ces étapes. Il peut être difficile d’obtenir la précision et le contrôle souhaités quand on parle d’un travail réalisé de façon manuelle. De plus, le risque de contamination est présent à chaque instant.
Ce n’est pas mettre en doute le professionnalisme du personnel des laboratoires de culture de tissus végétaux de dire cela – nous savons leur engagement et leurs compétences – cependant, on ne peut pas nier la possibilité d’éventuelles erreurs humaines. Ce risque existe bien et peut entraîner de graves conséquences, en particulier pour la santé et l’intégrité des opérateurs, mais également pour la qualité des produits préparés, ainsi qu’une perte considérable de temps et d’argent.
Le caractère manuel de la culture de tissus végétaux engendre certains risques, tant pour les résultats du procédé que pour le personnel qui manipule les solutions. Nous vous expliquons pourquoi.
Risques de la préparation manuelle des milieux utilisés pour la culture de tissus végétaux
Comme nous l’avons indiqué, trois types de risques doivent être évités dans la culture de tissus végétaux :
- L’erreur humaine
- Les risques professionnels pour les opérateurs
- Les risques de contamination des préparations
Les trois peuvent supposer un grave problème, que ce soit pour la préparation, le laboratoire ou ses employés. Pour les éviter, la solution réside dans l’automatisation de la culture de tissus végétaux. L’automatisation maximale du processus permet de limiter les erreurs d’élaboration et les risques d’accidents, tout en gagnant du temps et en réduisant les coûts.
Passons en revue les difficultés qui peuvent se présenter lors de la réalisation du processus de façon manuelle et qui peuvent être résolues grâce à l’utilisation d’un appareil automatique.
Lors de la stérilisation du milieu de culture, l’un des principaux problèmes est lié à l’exposition à la chaleur, qui peut varier entre les échantillons, car la température de stérilisation est en général contrôlée dans un récipient de référence. En outre, lors de ce processus, les bouteilles contenant le milieu agar ne peuvent pas être agitées parfaitement et le liquide n’est donc pas mélangé de façon homogène.
Une fois la stérilisation terminée, il faut laisser refroidir le milieu à la température de distribution pour éviter que l’opérateur ne se brûle, ce qui entraîne de longs temps d’attente. De plus, si le milieu refroidit trop, l’agar se gélifie, ce qui suppose un problème important pour la distribution.
Le manque de précision est une autre des caractéristiques inhérentes à la production manuelle des milieux de culture, en particulier lors de la préparation et de la distribution. Différents problèmes peuvent survenir, liés à l’homogénéité, la composition, les lots non conformes et les variations du volume distribué. Pour y remédier, les laboratoires doivent disposer d’un système de contrôle de qualité de la production, bien souvent manuel et fastidieux à documenter quotidiennement, car il nécessite de consigner de nombreuses données résultant des contrôles périodiques.
Un autre grand problème de la culture de tissus végétaux sont les risques d’accidents et, par conséquent, les arrêts de travail. Vous avez certainement observé qu’en raison des caractéristiques du travail, le personnel réalise des tâches répétitives, contraint d’adopter des postures pénibles, qui peuvent se traduire avec le temps par des arrêts de travail pour cause de douleurs lombaires chroniques, douleurs articulaires ou autres pathologies. De plus, malgré la formation technique des opérateurs, les protocoles en place, les vêtements et les équipements spécifiques, la manipulation de matériel à des températures élevées peut entraîner des brûlures et/ou des irritations graves et dangereuses.
Améliorez la qualité, augmentez la productivité, réduisez la main-d’œuvre, éliminez l’erreur humaine et minimisez les risques professionnels avec le préparateur de milieux de RAYPA
Chez RAYPA, nous connaissons parfaitement les besoins de ce secteur. C’est pourquoi nous avons développé le préparateur de milieux Série AE-MP. Grâce à lui, les différents problèmes cités plus haut disparaissent, permettant un travail plus rapide, à moindre coût, avec moins de risques et totalement automatisé en utilisant un seul appareil.
Avec notre préparateur de milieux :
- Vous disposez d’une grande flexibilité pour préparer facilement de grands volumes de milieux de culture.
- Les tubes de distribution sont faciles à nettoyer et à désinfecter avant, pendant et après chaque cycle grâce à des impulsions de vapeur à haute température.
- La température de stérilisation est réglable et homogène dans tout le milieu. La vitesse d’agitation est également réglable au moyen d’un potentiomètre externe indépendant.
- Vous pouvez distribuer facilement les nutriments, correcteurs de pH et antibiotiques pendant ou après la stérilisation dans le cas des substances thermolabiles.
- Pour le refroidissement avant la distribution, le préparateur dispose d’un contrôle de la pression et d’un serpentin d’eau qui assure un refroidissement très rapide du milieu en fin de cycle, sans avoir à l’extraire de l’appareil. De cette façon, on élimine les risques de brûlures et l’exposition de la préparation à de hautes températures plus longtemps que nécessaire. De plus, la température de distribution est réglable et peut être maintenue de façon indéfinie et l’appareil offre plusieurs possibilités de distribution, avec des vitesses allant de 9 mL/s à 90 mL/s en utilisant un capteur optique, une pédale, ou des pompes péristaltiques.
Enfin, il convient de souligner le design ergonomique du stérilisateur de milieux AE-MP de RAYPA et ses différents dispositifs de sécurité, qui évitent le travail prolongé dans des postures pénibles, les brûlures et blessures et, par conséquent, les accidents et les arrêts de travail. La prévention et la sécurité sont nos principales priorités. C’est pourquoi nos appareils disposent :
- d’un système de blocage des portes par pression positive,
- d’un capteur de porte ouverte,
- de messages d’avertissement et d’alertes,
- d’un détecteur du niveau d’eau,
- d’une soupape de sécurité,
- d’un thermostat de sécurité.
L’optimisation des processus revient à mieux gérer et contrôler tout le cycle en enregistrant différents indicateurs de performance qui permettent un contrôle et une analyse plus fiables. Par conséquent, non seulement on obtient des échantillons plus uniformes, de meilleure qualité, mais on diminue également les risques de contamination des milieux tout en augmentant la productivité et en réduisant les coûts.
Pour permettre une meilleure gestion de ce procédé, le préparateur de milieux enregistre tout le processus. Par ailleurs, grâce à sa grande capacité, il permet d’accroître la productivité en élaborant un volume de milieu plus important en moins de temps. Par conséquent, le processus est plus rapide et l’efficacité du laboratoire s’en trouve optimisée.
Si vous voulez en savoir plus sur notre stérilisateur de milieux de culture Série AE-MP qui permet de préparer, stériliser, refroidir et distribuer des milieux de culture à l’aide d’un seul appareil et avec une excellente reproductibilité entre les lots, n’hésitez pas à nous contacter. Nous nous ferons un plaisir de vous renseigner.
