La génétique moléculaire végétale vise à identifier la fonction des gènes en reliant le génotype au phénotype. L'espèce modèle privilégiée est Arabidopsis thaliana en raison de son cycle de vie court (6 semaines), de son petit génome (135 Mb) et de sa grande prolificité.

1. Deux approches fondamentales

On distingue deux stratégies principales pour décoder la fonction d'un gène :

• Génétique directe (Forward Genetics) : C'est l'approche « du phénotype vers le gène ». On part d'une plante présentant un phénotype intéressant (obtenu par mutagenèse aléatoire), on identifie le gène responsable par clonage, puis on valide sa fonction par une expérience de complémentation (restauration du phénotype sauvage en réintroduisant le gène sain).
• Génétique inverse (Reverse Genetics) : C'est l'approche « du gène vers le phénotype ». On part d'un gène connu (par bioinformatique ou analyse « omique ») et on provoque délibérément sa mutation (via des banques d'insertion de T-DNA ou CRISPR-Cas9) pour observer les conséquences sur la plante.

2. Utilisation et types de mutants

L'analyse des mutants est au cœur de ces démarches, mais elle rencontre plusieurs complications :

• Types de mutations : On trouve les mutants perte de fonction (knock-out), les mutants leaky (activité résiduelle) et les mutants gain de fonction (souvent dominants).
• Effets pléiotropiques : Une seule mutation peut entraîner plusieurs altérations phénotypiques différentes (ex: un mutant incapable de photosynthèse qui est aussi de petite taille).
• Gènes redondants : Si plusieurs gènes assurent la même fonction, la mutation d'un seul ne produit aucun phénotype visible, ce qui constitue une limite de la génétique directe.

3. Les gènes rapporteurs

Un gène rapporteur code pour une protéine dont l'activité est facilement détectable, permettant de suivre l'activité d'un autre gène ou de localiser une protéine :

• GUS : Produit un précipité bleu en présence du substrat X-Gluc.
• LUC (Luciférase) : Émet de la luminescence.
• GFP : Émet une fluorescence verte.

On distingue la fusion transcriptionnelle (Promoteur-Rapporteur), qui indique où et quand le gène est transcrit, de la fusion traductionnelle (Promoteur-Gène-Rapporteur), qui permet de localiser précisément où la protéine agit dans la cellule.

4. Les promoteurs outils

Pour étudier un gène, on peut remplacer son promoteur naturel par des "promoteurs outils" pour contrôler son expression :

• Constitutifs (Ectopiques) : Actifs partout et tout le temps, comme le 35S (virus de la mosaïque du chou-fleur) ou l'ubiquitine (UBQ).
• Inductibles : S'activent en réponse à un stimulus, comme DR5 (auxine), HSP (choc thermique) ou DRE (sécheresse).
• Spatiaux ou Temporels : Spécifiques d'un tissu (ex: RBC pour le mésophylle, STM pour le méristème) ou d'un stade (ex: LEA pour l'embryon, SAG pour la sénescence).

5. Édition et transformation du génome

L'introduction d'ADN dans la plante peut se faire par deux méthodes majeures :

• Agrobacterium tumefaciens : Cette bactérie transfère naturellement une partie de son plasmide Ti (le T-DNA) dans la plante. En biotechnologie, on utilise ce système pour insérer des gènes d'intérêt, soit de façon stable (floral dipping) soit transitoire (infiltration).
• Biolistique : Bombardement des tissus avec des particules métalliques recouvertes d’ADN.
• Édition par CRISPR-Cas9 : Permet d'induire des mutations extrêmement précises. Contrairement à la transgenèse classique, elle permet d'obtenir des plantes mutées mais sans transgène dans leur descendance (null segregants ou NGT1).