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Analyse du développement et de la qualité de la graine des légumineuses
(ACR)
- Mot(s) clé(s) :
Objet d'étude : graine, légumineuse, medicago truncatula, pois, protéagineux
Question sociétale et finalité, contexte : alimentation animale, variabilité génétique
Démarche, discipline : biochimie, Biologie cellulaire, biologie moléculaire
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Objet d'étude : graine, légumineuse, medicago truncatula, pois, protéagineux
Question sociétale et finalité, contexte : alimentation animale, variabilité génétique
Démarche, discipline : biochimie, Biologie cellulaire, biologie moléculaire
Dispositif technique et méthode d'étude : cartographie génétique, création variétale, culture in vitro, experimentation, expérimentation, sélection végétale, tilling
Phénomène, processus et fonction : expression des gènes, expression génique, nutrition azotée, qualité, résistance aux conditions défavorables, ressource génétique, valeur alimentaire, valeur nutritive
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- Description détaillée :
La graine de pois est une matière première nouvelle dont la qualité présente une variabilité Afficher la suite
La graine de pois est une matière première nouvelle dont la qualité présente une variabilité génétique et environnementale dans sa composition globale (teneurs en protéines, amidons, parois, sucres, lipides), dans la composition de ses protéines de réserve (teneurs en albumine, légumine, viciline), et de l'amidon (teneurs en amylose et amylopectine). Cette diversité suggère une adaptation possible à différents usages alimentaires et industriels à condition de savoir la contrôler, et donc d'amplifier la part de la variation génétique. L'usage en alimentation animale a été jusqu'alors le plus développé, du fait de la teneur en protéines de cette graine (23 % de protéines dans la MS graine en moyenne). Cependant la variabilité des lots (%) limite son utilisation.
Les demandes d'amélioration génétique émanant de ce secteur sont une teneur en protéines élevée et stable, une digestibilité élevée en privilégiant les fractions protéiques les plus digestibles, une activité anti-protéasique de la fraction protéique réduite et une réduction de la teneur en parois cotylédonaires afin d'améliorer la digestibilité et la broyabilité des graines.

Les acquis de la génomique sont assez récents chez le pois, mais se développent rapidement par la construction de cartes génétiques portant des marqueurs faciles à utiliser et transposables, ainsi que par les acquis sur la légumineuse modèle Medicago truncatula. La transformation génétique du pois, qui pourra aider à la compréhension de l'expression des gènes, est aujourd'hui réalisable, mais manque encore de répétabilité. Les activités «Analyse du développement et qualité de la graine » utilisent principalement le pois et la légumineuse modèle Medicago truncatula dont le séquençage est en cours pour identifier des gènes essentiels susceptibles d'applications agronomiques importantes pour les légumineuses à graines, telles que la modification des caractères de taille de la graine ou de composition et teneur en réserves protéiques. L'arrangement similaire des gènes à l'intérieur des génomes de ces deux espèces renforce l'intérêt d'utiliser Medicago truncatula pour étudier les caractères de qualité de la graine et transférer les connaissances vers le pois.
Le programme se divise en trois étapes :

- l'identification chez Medicago truncatula de facteurs potentiellement déterminant pour la qualité de la graine ;
- la validation du rôle des gènes codants ;
- le transfert des connaissances vers le pois.

La durée sera de l'ordre de 5 à 10 ans.
Parmi les légumineuses à graines riches en protéines, le pois est la culture qui a connu un développement récent et rapide (surfaces multipliées par 20 en 20 ans pour atteindre 550.000 ha en France en 1998). L'intérêt majeur de cette production est d'être une source de protéines alternative aux importations de tourteaux de soja qui sont largement utilisés dans l'alimentation animale, ainsi qu'aux farines de viandes. L'augmentation de la teneur en protéines de la graine permettra de plus forts taux d'incorporation dans les aliments (17 Mt potentiellement utilisables en Europe). Une amélioration de sa digestibilité chez l'animal conduira à une réduction significative de la charge azotée dans les effluents d'élevage et donc de leur risque polluant. Cette culture est par ailleurs une excellente tête d'assolement dans les exploitations céréalières. C'est une culture à faible niveau d'intrants ne nécessitant aucune fertilisation azotée du fait de sa symbiose avec Rhizobium et ayant de faibles besoins en irrigation. Une stabilisation de la composition de la graine et du rendement fidélisera utilisateurs et producteurs. - Groupe protéagineux DGAP INRA.
- Plateforme spectrométrie de masse, INRA URPVI .
- Les généticiens du protéome-plante (INRA GIS Le Moulon).
- Groupe Biologie des Semences (INRA Versailles).
- Ressources génétiques de Medicago truncatula (DGAP Montpellier).
- Département d'Androgénèse et Biotechnologies (Université d'Amiens).
- John Innes Center (UK).
- FAO sur hybridation somatique pois-Lathyrus.
- Université de Bielefeld (Germany).
- Max Planck Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie, Golm (Germany).
Les études sont basées sur l'utilisation de la légumineuse modèle M. truncatula et portent sur (i) l'identification de facteurs (gènes, protéines, activités, voies métaboliques) impliqués dans le remplissage de la graine, (ii) la validation fonctionnelle des facteurs susceptibles de jouer un rôle dans l'élaboration de la qualité des graines, et (iii) le transfert des connaissances vers le pois.

Ainsi, les projets développés consistent à :

- Etudier les mécanismes associés au développement de la graine de M. truncatula (lignée A17, cultivar Jemalong) au travers de l'analyse comparative du transcriptome et du protéome de la graine ; Pour mieux connaître la fonction des différent(e)s gènes/protéines, leur localisation tissulaire dans la graine est recherchée. Dans cette démarche, les téguments, l'albumen et l'embryon sont isolés au stade du développement de la graine caractérisé par le déclenchement de la synthèse des protéines de réserve, et analysés par transcriptomique et protéomique.

- Fournir une liste exhaustive de facteurs de régulation de la transcription dans les graines en remplissage. Les profils d'expression de l'ensemble des facteurs de transcription de M. truncatula référencés dans TIGR (>1200) sont analysés par RT-PCR quantitative à haut débit (Coll. Institut Max Planck, Golm, programme européen GLIP). En particulier, un gène codant le facteur de transcription LEC (leafy-cotyledon)-1 like, s'exprimant lors du remplissage, est en cours de caractérisation (thèse de J. Verdier).

- Identifier des protéines nucléaires par une approche protéomique subcellulaire. Ce projet (principalement conduit par O. Repetto, post-doc GAP) consiste en l'isolement des noyaux des graines immatures de M. truncatula et l'identification de protéines nucléaires, potentiellement impliquées dans la régulation de l'expression génique, par chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse (Coll. Colette Larré, URPVI INRA de Nantes).

- Valider la fonction de ces gènes au travers de la méthode TILLING de génétique inverse mise en oeuvre au sein de l'unité chez M. truncatula (C. Le Signor).

- Isoler chez le pois, les orthologues des gènes potentiellement impliqués dans l'élaboration de la qualité de la graine en vue de leur validation fonctionnelle par TILLING, recherche d'association avec les QTLs de qualité de la graine de pois (interaction avec J. Burstin), et Ecotilling au sein d'une collection d'environ 450 génotypes de pois (interaction avec G. Duc, CRB). L'amélioration de la qualité des graines de légumineuses repose sur une meilleure compréhension du processus de morphogenèse et des mécansimes de régulation de l'accumulation des réserves protéiques. Ainsi, deux axes de recherche sont développés dans le cadre de cette action en utilisant l'espèce pois (Pisum sativum) d'intérêt agronomique et la légumineuse modèle Medicago truncatula. Le premier concerne l'étude cotylédonaire, de la taille maximale (surface, volume) que celles-ci peuvent atteindre, de leur index mitotique (déterminé par cytométrie en flux), et du rôle des parois cotylédonaires et tégumentaires sur le potentiel de digestibilité des graines. Le second consiste à caractériser le processus d'accumulation des réserves au niveau moléculaire en identifiant des gènes exprimés lors du remplissage de la graine et en analysant leur fonction, notamment au travers d'approches de génétique inverse et d'analyses cytologiques. L'identification de gènes d'intérêt pour l'amélioration de la qualité de la graine repose sur l'établissement d' un répertoire des protéines des graines entières et des marqueurs protéiques de ses compartiments tissulaires (albumen, téguments, embryon) et cellulaires (protéome nucléaire) et sur une analyse fine des profils d'expression des gènes au niveau protéique et ARN au cours du remplissage. La validation du rôle de ces gènes dans le déterminisme génétique de la composition protéique de la graine exploite la variabilité génétique naturelle et induite (approche de cartographie de QTL, PQL « Protein Quantity Loci », TILLING, transgenèse). Réduire

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