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Assemblage des biopolymères dans les organes végétaux ; analyse de la variabilité en lien avec les propriétés d'usage
(ACR)
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Objet d'étude : biopolymère, fruit charnu, grain
Question sociétale et finalité, contexte : intérêt technologique
Démarche, discipline : Biochimie et Biologie Moléculaire, Biologie structurale
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Objet d'étude : biopolymère, fruit charnu, grain
Question sociétale et finalité, contexte : intérêt technologique
Démarche, discipline : Biochimie et Biologie Moléculaire, Biologie structurale
Dispositif technique et méthode d'étude : biological method
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- Description détaillée :
L’étude des grands processus moléculaires et cellulaires (y compris métaboliques) régulant la Afficher la suite
L’étude des grands processus moléculaires et cellulaires (y compris métaboliques) régulant la biosynthèse et l’assemblage des biopolymères doit permettre de dégager des leviers moléculaires qui une fois maîtrisés devraient avoir un impact important, tant sur la biologie des organes (grains, fruits charnus, tiges) que sur leurs valeurs techno-fonctionnelles et nutritionnelles. Notre objectif est de prédire, maîtriser puis optimiser la variabilité des assemblages en fonction d’un cahier des charges dicté par des impératifs environnementaux, économiques ou de santé publique. Pour cela, nous avons dégagé dans cet axe trois thématiques de recherche à mener conjointement :

1 - La compréhension des mécanismes de biosynthèse et d’assemblage des biopolymères ( paroi, grain d’amidon, protéines de réserve)

Il s’agit de poursuivre les travaux engagés sur le grain (blé, Brachypodium…) et le fruit (tomate, pomme..) pour identifier les acteurs-clés des mécanismes de biosynthèse et d’assemblage des biopolymères et en disséquer la fonction par génétique inverse, en partenariat avec les biologistes et les généticiens, par un suivi de leur activité et par leur localisation cellulaire et subcellulaire au cours du développement de l’organe. L’ identification de ces acteurs majeurs impliqués dans la mise en place de la paroi, des réserves protéiques et amylacées est à un stade d’avancement différent en fonction des constituants (amidon, paroi, cuticule, protéines de réserve). La démarche repose dans les quatre cas sur des cycles itératifs d’identification puis de validations fonctionnelles des acteurs, déclinées lorsque c’est possible jusqu’au mécanisme d’action de l’effecteur biologique (enzyme, transporteur…). Dans le cas de la paroi et des cuticules (grain, fruit), les approches de génétique inverse seront poursuivies en cherchant à identifier des gènes/protéines candidates, de même que les étapes de validation moléculaire et fonctionnelle des gènes candidats en collaboration avec les équipes partenaires. Dans le cas des protéines, les travaux seront focalisés sur les mécanismes de polymérisation et d’assemblages des prolamines de blé au niveau moléculaire. Dans la cas de l’amidon, les résultats acquis sur A. thaliana concernant le rôle des différentes familles et isoformes d’enzymes de biosynthèse seront validés sur des plantes de grandes cultures.

Au delà de ces travaux qui se situent dans la suite logique des activités engagées, il nous paraît nécessaire dans les prochaines années de dépasser cette organisation par « constituant » pour établir dans le cas des grains une vision plus intégrée des relations entre métabolisme et biosynthèse des biopolymères. La valeur d’usage, fonctionnelle et nutritionnelle, dépend en effet souvent de cet équilibre entre les constituants majeurs. La complémentarité des équipes, l’accès au matériel végétal disponible à l’INRA (lignées contrastées pour un caractère donné, lignées issues du TILLINGs (Targeting Induced Local Lesions in Genomes), recombinantes, transgéniques) sont des atouts importants pour comprendre ces effets pléïotropes. Il nous paraît en outre important d’intégrer le contexte cellulaire et son évolution au cours du développement de l’organe. Ainsi dans le cas du grain de blé, l’albumen amylacé doit composer avec un stress permanent lors de l’accumulation des réserves qui conduit à la mort cellulaire. Nous proposons d’étudier les grands mécanismes cellulaires et moléculaires de ce « stress développemental » et leur influence sur la structure et l’assemblage des biopolymères (amidon, protéines de réserve, parois).

Dans le cas des fruits charnus, seront considérées les différentes phases de développement et de maturation des fruits en intégrant les différentes variables clés (parois, cuticule, histologie, potentiel hydrique) déterminants à différentes échelles la texture des fruits.
Cette approche sera complétée par des études in vitro avec des molécules modèles, des enzymes impliquées dans la réticulation des polymères, afin de mieux caractériser au niveau structural, physico-chimique et mécanique l’impact des mécanismes d’assemblage des biopolymères identifiés et caractérisés in planta. On prendra en compte dans ces études le contexte structural et physico-chimique des compartiments sub-cellulaires (confinement et conditions d’oxydation contrôlées par exemple) en privilégiant des approches biomimétiques à l’aide des outils de microfluidique.

Cette approche génèrera un certain nombre de lignées bien caractérisées au niveau compositionnel et structural (biopolymères) pour lesquelles la quantité de matériel végétal disponible permettra d’étudier les propriétés techno-fonctionnelles liées à la valeur d’usage (propriétés rhéologiques, mécaniques, etc.).


2 - Relation entre les structures aux différentes échelles et la fonction d’usage

L’ensemble des travaux engagés dans cet axe a pour objectif une meilleure maîtrise des propriétés d’usages des ressources végétales. Il nous paraît donc essentiel d’accompagner les travaux sur la biosynthèse et l’ assemblage par l’étude des relations entre la structure des organes végétaux aux différentes échelles et ces propriétés. Des travaux importants ont déjà concernés ces aspects dans le cas de l’amidon et des protéines de réserve du blé. Aussi compte tenu de l’état relativement avancé de ces connaissances sur les biopolymères de réserve et des forces disponibles dans l’Unité, nous avons privilégié pour le prochain quadriennal et pour cette thématique les recherches sur la paroi végétale. La variabilité de structure et de propriétés des parois affecte tout autant les procédés de transformation, l’acceptabilité par le consommateur notamment au travers de la perception sensorielle de la texture mais aussi la « valeur nutritionnelle » par la biodisponibilité de micronutriments. Or on dispose de peu de données concernant les relations entre la structure des polysaccharides, leur interactions et les propriétés de la paroi. Deux séries d’approche seront développées, les unes sur des parois et/ou systèmes modèles in vitro, les autres in situ sur les organes et les tissus biologiques.
La grande complexité du réseau macromoléculaire constitutif de la paroi rend difficile la compréhension des relations structures-propriétés. Le développement de systèmes modèles constitués de polysaccharides purifiés en mélange d’une part, la dissection enzymatique de la paroi in vitro d’autre part visent à mieux cerner l’influence des interactions entre polysaccharides (celluloses, hémicelluloses) et des différents niveaux de structure (moléculaire, supramoléculaire) sur les propriétés des parois végétales. Les travaux déjà amorcés dans ce domaine constituent une réelle force de l’Unité au plan européen vis à vis de nos compétiteurs (Universités Wageningen, York). Les connaissances ainsi acquises sont essentielles non seulement pour comprendre les mécanismes de construction de la paroi in planta mais sont aussi mises à profit pour mieux cerner les bases physico-chimiques et structurales de diverses propriétés d’usages : propriétés mécaniques, propriétés d’hydratation gouvernant les processus de dessication des grains, susceptibilité à l’hydrolyse enzymatique en lien avec la liquéfaction de la biomasse ligno-cellulosique ou l’’extraction de polymères pariétaux.
De manière complémentaire, les études in situ du matériel biologique permettent de prendre en compte des échelles structurales de niveau supérieur (cellulaire, tissulaire) pour les relier aux propriétés d’usage. On peut mentionner les travaux qui seront engagés sur la déconstruction et le bio-fractionnement enzymatique de matériel pariétal (tiges, co-produits ligno-cellulosiques) pour des objectifs « bio-énergies et chimie verte » et sur la recherche des facteurs impliqués dans la variabilité de la texture des fruits charnus (tomate, pomme). Les efforts sur l’identification de variables clés pour la maîtrise des propriétés fonctionnelles des assemblages pariétaux seront confortés par des études de modélisations portant sur les mécanismes et les acteurs impliqués dans l’élaboration de ces propriétés. Ils porteront principalement sur la modélisation des propriétés mécaniques des fruits à partir de variables histologiques, cellulaires (turgescence), chimique structurale des polysaccharides pariétaux. Cette approche multi-échelle appliquée à des collections génétiques de fruits ou de biomasse ligno-cellulosique nous place de façon originale vis à vis de nos compétiteurs qui travaillent sur cellules isolées (Univ. Birmingham) ou sur fruits (K.U Leuven) , ou encore sur le bois dans des domaines de forces beaucoup plus élevés.


3 - L’élaboration d’une stratégie de criblage chimique et structural

Dans le domaine des biopolymères, les connaissances disponibles sur les mécanismes, les acteurs et les régulations mis en jeu sont limitées. Certaines données ont été acquises par des approches de type « omiques » (génomique, transcriptomique, protéomique), mais elles sont difficiles à corréler aux données de composition et de structures générées par des méthodes très résolutives mais à très bas débit. D’ailleurs il existe peu de banques de données compositionnelles et structurales sur les biopolymères (en particulier concernant les polysaccharides).

La démarche actuelle, assez descriptive, est de ce fait fondée sur des hypothèses a priori (données de la littérature) concernant les effecteurs impliqués dans la construction de ces organisations sub-cellulaires et s’appuie sur l’étude limitée d’un nombre restreint de phénotypes. Une démarche de phénotypage haut-débit doit (i) générer des données en nombre suffisant pour être mises en relation avec celles engendrées par les approches «omiques » et éclairer sur le fonctionnement des réseaux de gènes et (ii) permettre d’identifier sans a priori les phénotypes les plus pertinents par rapport aux critères compositionnels, structuraux et fonctionnels, pour des études mécanistiques et/ou structurales plus ciblées.

Cette démarche est aujourd’hui classique lorsqu’il s’agit d’étudier des caractères phénotypiques facilement détectables (architecture, résistance aux maladies, taille de graines…). En biochimie, elle a été développée pour analyser les profils et les flux métaboliques. Elle n’existe pas pour élucider les voies et mécanismes de biosynthèse / assemblage / remodelage des biopolymères.

Ce besoin en phénotypage compositionnel et structural (chémotypage) n’est pas nouveau et des méthodes analytiques ont été développées sur de petites séries d’échantillons en appui à des programmes de sélection variétale. Nous avons validé l’hypothèse selon laquelle des données structurales (histologiques et chimiques) acquises sur des lignées quasi isogéniques de tomate affectées dans des caractères de texture permettait de relier des différences de fermeté du fruit à des zones chromosomiques. Le défi est aujourd’hui de promouvoir cette approche pour, non seulement exploiter de manière plus efficace la diversité existante mais aussi identifier des mécanismes originaux de construction des assemblages des biopolymères par une approche de biologie intégrative mettant en relation « valeur d’usage-données compositionnelles et structurales- données « omiques » . Ces recherches s’appuieront sur les développements méthodologiques au sein de la plate-forme BIBS et au sein des différentes équipes impliquées dans cette démarche d’analyse chimique et structurale à haut débit (GC, CG-MS, UPLC, Maldi-Tof…) et d’imagerie multi- et hyperspectrale.

Le phénotypage moléculaire a été développé presque exclusivement dans le cas des métabolites ou d’enzymes impliquées dans diverses voies métaboliques. Les plateformes de métabolomiques sont nombreuses en France (Bordeaux) et à l’étranger telle que celle du BBSRC Rothamsted (Plant and Microbial Metabolomic Analysis http://www.metabolomics.bbsrc.ac.uk/MeT-RO.htm ). Par contre, il n’y a pas d’’équivalent ni au plan national ni au plan européen concernant le phénotypage moléculaire (chimique et structural) des biopolymères. Certes, il existe dans diverses équipes françaises et internationales un potentiel analytique proche de celui développé dans BIA mais il n’est disponible qu’à très faible débit.
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