Geneva, Switzerland
April 11, 2024
A team from UNIGE, together with ETH Zurich and NCHU in Taiwan, has developed a rice line that has enhanced vitamin B1 content.
The biofortified rice varieties were developed in the laboratory and then grown in experimental fields in Taiwan. © UNIGE
Ce riz biofortifié a été mis au point en laboratoire puis cultivé dans des champs expérimentaux à Taïwan. © UNIGE
Vitamin B1 is an essential micronutrient for human beings. Its deficiency is the cause of numerous diseases of the nervous and cardiovascular systems. Researchers at the University of Geneva (UNIGE), in collaboration with teams at ETH Zurich and Taiwan’s National Chung Hsing University (NCHU), have achieved a significant advance in the fight against vitamin B1 deficiency, frequently associated with a rice-based diet. By specifically targeting the nourishing tissues of the rice grain, the scientists have succeeded in considerably increasing its vitamin B1 content, without compromising agronomic yield. These results, to be read in the Plant Biotechnology Journal, could help solve a major public health problem in regions where rice is the staple food.
Most vitamins cannot be produced by the human body and must be supplied by the diet. When the diet is varied, vitamin requirements are generally covered. But in populations where cereals such as rice are the main or even the only food source, deficiencies are common. This is particularly true of vitamin B1 (thiamine), a deficiency of which causes numerous nervous and cardiovascular diseases, such as beriberi.
Vitamin B1 in rice is lost during processing
Rice is the staple crop for half the world’s population, particularly in the tropical countries of Asia, South America and Africa. Rice grains are low in vitamin B1, and processing steps such as polishing (i.e. removing the bran by grating the peripheral layers) reduce it even further, taking 90% with them. This practice thus further aggravates chronic deficiencies.
"We specifically targeted the increase in vitamin B1 content
in the endosperm."
The laboratory of Teresa Fitzpatrick, full professor in the Department of Plant Sciences at the UNIGE Faculty of Science, specializes in vitamin biosynthesis and degradation pathways in plants. Her group, in collaboration with a team from ETH Zurich and Taiwan’s NCHU, focused on improving vitamin B1 content in the endosperm of rice, i.e. the nourishing tissue that makes up the bulk of the seed, and therefore of what is eaten.
‘‘Previous attempts at biofortification by other teams had succeeded in increasing the vitamin B1 content of the leaves and bran - the outer layer of rice grains - but not that of the ready-to-eat rice grain. In our study, we specifically targeted the increase in vitamin B1 content in the endosperm,’’ explains Teresa Fitzpatrick, first author of the study. The scientists generated rice lines that express a gene that sequesters vitamin B1 in a controlled manner in the endosperm tissues. After growing in glasshouses, harvesting and polishing the rice grains, they found that the vitamin B1 content was increased in rice grains from these lines.
Promising experimental crops
The lines were then seeded in an experimental field in Taiwan and grown for several years. From an agronomic point of view, the characteristics analyzed were the same for both modified and unmodified rice plants. Plant height, number of stems per plant, grain weight and fertility were all comparable. On the other hand, the level of vitamin B1 in rice grains, after the polishing stage, is multiplied by 3 to 4 in the modified lines. This modification therefore enables vitamin B1 accumulation without impacting yield.
‘‘Most studies of this type are carried out with glasshouse grown crops. The fact that we have been able to grow our lines under real field conditions, that the expression of the modified gene is stable over time without any of the agronomic characteristics being affected, is very promising,’’ enthuses Wilhelm Gruissem, Professor emeritus at ETH Zurich and Distinguished Chair Professor and Yushan Fellow at NCHU. A 300-gram bowl of rice from this crop provides around a third of the recommended daily intake of vitamin B1 for an adult. The next step towards the goal of biofortified plants with vitamin B1 will be to pursue this approach in commercial varieties. However, regulatory steps relating to biofortification by genetic engineering will have to be taken before these plants could be cultivated.
Du riz biofortifié pour lutter contre les carences
Une équipe de l’UNIGE, avec l’ETH Zurich et la NCHU de Taïwan, a mis au point une lignée de riz dont la teneur en vitamine B1 a été augmentée.
La vitamine B1 est un micronutriment essentiel pour l’être humain et sa carence est à l’origine de nombreuses maladies des systèmes nerveux et cardiovasculaire. Des chercheuses et chercheurs de l’Université de Genève (UNIGE), en collaboration avec des équipes de l’ETH Zurich et de la National Chung Hsing University (NCHU) de Taïwan, ont réalisé une percée dans la lutte contre les carences en vitamine B1, fréquemment associées à une alimentation à base de riz. En ciblant spécifiquement les tissus nourriciers du grain de riz, les scientifiques ont réussi à augmenter considérablement sa teneur en vitamine B1, sans compromettre le rendement agronomique. Ces résultats, à lire dans la revue Plant Biotechnology Journal, pourraient contribuer à résoudre un problème majeur de santé publique dans les régions où le riz constitue l’aliment de base.
La plupart des vitamines ne peuvent pas être produites par l’organisme humain et doivent être fournies par l’alimentation. Lorsque celle-ci est variée, les besoins en vitamines sont généralement couverts. Mais au sein des populations qui se nourrissent essentiellement, voire uniquement, de céréales telles que le riz, les carences sont nombreuses. C’est le cas notamment pour la vitamine B1 (thiamine), dont la carence provoque de nombreuses maladies des systèmes nerveux et cardiovasculaire, par exemple le béribéri.
La vitamine B1 du riz se perd en cours de transformation
Le riz est la culture de base pour la moitié de la population mondiale, notamment dans les pays tropicaux d’Asie, d’Amérique du Sud et d’Afrique. Les grains de riz ont une faible teneur en vitamine B1, et les étapes de leur transformation, dont le polissage (c’est-à-dire l’élimination des couches de son, en râpant les couches périphériques), la réduisent encore davantage, puisqu’environ 90 % de la vitamine B1 se trouve dans les tissus éliminés. Ce procédé aggrave donc encore les carences chroniques.
"Nous avons ciblé spécifiquement l’augmentation de la teneur en vitamine B1 dans l’endosperme."
Le laboratoire de Teresa Fitzpatrick, professeure ordinaire au Département des sciences végétales de la Faculté des sciences de l’UNIGE, est spécialiste des voies de biosynthèse et de dégradation des vitamines chez les plantes. Son groupe, en collaboration avec une équipe de l’ETH Zurich et de la National Chung Hsing University (NCHU) de Taïwan, a cherché à améliorer la teneur en vitamine B1 dans l’endosperme du riz, c’est-à-dire le tissu nourricier qui constitue l’essentiel de la graine, et donc de ce qui est mangé.
«Les précédentes tentatives de biofortification par d’autres équipes avaient permis d’augmenter la teneur en vitamine B1 des feuilles et du son - l’enveloppe des grains de riz - mais pas celle du grain de riz prêt à la consommation. Dans notre étude, nous avons ciblé spécifiquement l’augmentation de la teneur en vitamine B1 dans l’endosperme», explique Teresa Fitzpatrick, première auteure de l’étude. Les scientifiques ont généré des lignées de riz qui expriment un gène qui séquestre la vitamine B1 de façon contrôlée dans les tissus de l’endosperme. Après culture en serre, récolte et polissage des grains de riz, ils et elles ont constaté que la teneur en vitamine B1 était augmentée dans les grains de riz issus de ces lignées modifiées.
Des cultures expérimentales prometteuses
Les lignées ont ensuite été semées dans un champ expérimental à Taïwan et cultivées pendant plusieurs années. D’un point de vue agronomique, les caractéristiques analysées sont les mêmes entre les plants de riz modifiés et non-modifiés. En effet, la hauteur des plantes, le nombre de tiges par plant, le poids des grains ou encore la fertilité sont tout à fait comparables. En revanche, le niveau de vitamine B1 dans les grains de riz, après l’étape de polissage, est multiplié par 3 à 4 dans les lignées modifiées. Cette modification permet donc une accumulation de la vitamine B1 sans avoir d’impact sur le rendement.
«La plupart des études de ce type sont réalisées avec des cultures en serre. Le fait que nous ayons pu cultiver nos lignées en conditions réelles en champs, que l’expression du gène modifié soit stable dans le temps sans qu’aucune des caractéristiques agronomiques ne soit affectée est très prometteur», s’enthousiasme Wilhelm Gruissem, professeur honoraire de l’ETH Zurich ainsi que professeur émérite et Yushan Fellow de la NCHU. Un bol de riz de 300 grammes issu de cette culture permet d’atteindre environ un tiers des apports journaliers recommandés en vitamine B1 pour un adulte. La prochaine étape pour atteindre l’objectif de plantes biofortifiées en vitamine B1 sera de poursuivre cette approche dans les variétés commerciales. Des étapes réglementaires relatives à la biofortification par génie génétique devront toutefois être franchies avant d’être en mesure de les cultiver.
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