Biosynthèse et organisation de la paroi
Identification des enzymes impliquées dans la biosynthèse et le remodelage des parois.
Les parois sont constituées de polysaccharides, protéines et composés phénoliques. Leur composition varie selon l’espèce, le tissu et le stade de développement. De nombreuses enzymes participent à la synthèse des précurseurs (NDP-sucres, acides phénoliques,) et des polymères nécessaires à la formation des parois. La biosynthèse des hémicelluloses et des pectines se déroule dans l’appareil de Golgi et fait intervenir de nombreuses glycosyltransférases (GT) qui agiraient en complexes membranaires. Les polysaccharides sont également remodelés in muro par des glycosylhydrolases (GH), estérases…
Nous cherchons à identifier les acteurs de la biosynthèse et du remodelage des parois par une approche de génomique fonctionnelle. Les modèles étudiés sont les pectines du mucilage d’Arabidopsis et les polysaccharides pariétaux du grain de blé et de Brachypodium (arabinoxylanes féruloylés, beta-glucanes, mannanes, xyloglucanes). Des candidats pour les activités enzymatiques cibles sont sélectionnés par des cribles bioinformatiques, phylogénétiques, transcriptomiques ou par protéomique subcellulaire. Nous explorons leur fonction par génétique inverse (TILLING, interférence ARN) et par expression en système hétérologue (tabac, bactérie, levure). Des tests d’activités enzymatiques des candidats et d’analyse des parois des mutants sont en cours de développement (empreinte enzymatique, développement d’anticorps).
Principaux Programmes :
Systèmes modèles de la paroi végétale
La paroi végétale étant un milieu extrêmement complexe, établir des relations structure-fonction en utilisant des tissus ou des parois isolées s'avère ardu. Des systèmes modèles simplifiés ont été développés pour comprendre les interactions entre les différents constituants pariétaux à l'échelle moléculaire.
L'équipe PVPP, du fait de sa capacité à isoler les polysaccharides pariétaux, à les purifier et à en moduler la structure par des voies chimiques et enzymatiques, est l'une des rares équipes au monde à utiliser cette approche. PVPP collabore avec d'autres équipes de BIA (Nano, MC2) pour construire ces systèmes modèles ou pour en mesurer certaines propriétés d'intérêt. Le développement de systèmes modèles est fortement lié à d'autres thématiques de l'équipe comme l'organisation des parois, leur dégradation enzymatique et l'impact des parois sur les propriétés fonctionnelles des tissus et organes végétaux.
- Construction de systèmes modèles pectines/hémicelluloses/cellulose : Des pectines et hémicelluloses natives de pomme et de tomate ont été extraites. Des systèmes pectines/hémicelluloses/cellulose mimant les tissus parenchymateux de fruits sont en cours de construction. Ces modèles seront utilisés pour l'étude de la régulation structurale des pectines et hémicelluloses, leur impact sur les mécanismes d'association et les conséquences sur les propriétés mécaniques des parois en lien avec la texture des fruits.
- Gels pectiques : Des modèles simplifiés comme les gels pectiques sont utiles pour comprendre le comportement des enzymes pectolytiques, en particulier des PME, sur le remodelage enzymatique des parois par exemple au cours de la maturation des fruits ou dans les phénomènes de cavitation des arbres. Le mécanisme d'action des PME dans ces modèles s'est déjà avéré différent de celui observé en solution.
- Films d'hémicelluloses : Des films d'arabinoxylanes et de beta-glucanes ont été réalisés pour mimer la paroi de l'endosperme des céréales et ainsi étudier les conséquences de la structure pariétale sur le processus de deshydratation du grain. Les premiers résultats obtenus ont montré que le taux de substitution des arabinoxylanes a un impact sur les propriétés d'hydratation des films.
Principaux programmes :
Dégradation enzymatique des parois
Les modes d’action des enzymes actives sur les polysaccharides sont fortement affectés par leur structure primaire. Les choix des polysaccharides et de leur structure est donc essentiel pour mesurer des activités, étudier les modes d’action et cribler des mélanges d’enzymes pour leur efficacité.
La biomasse lignocellulosique est une ressource renouvelable majeure de biomatériaux et bioéthanol. Sa bioconversion enzymatique est limitée par les interactions complexes entre lignines et polysaccharides, ainsi que par l’organisation des différents tissus dans les organes végétaux. Notre objectif est donc de comprendre ces verrous pour les lever.
Dans ce domaine, notre équipe est impliquée dans différents projets de recherches qui visent à la compréhension des mécanismes de dégradation enzymatique des polysaccharides de la paroi. D’autre part, les systèmes modèles mimant la paroi permettent de mieux comprendre ces mécanismes.
Pour étudier la dégradation enzymatique de la biomasse, nous avons développé un réacteur permettant une approche intégrée associant la caractérisation physique des particules et notre connaissance approfondie de la structure et de la composition de la paroi. Les spectroscopies de fluorescence, FT-IR et Raman sont combinées pour caractériser l’hétérogénéité de la paroi et de ses polymères dans les tissus. Le traitement de ces données nécessite la mise en place de bases de données collectant des polysaccharides et lignines de référence, et d’importants développements méthodologiques en analyse d’images hyperspectrales. Ces approches sont exploitées dans différents projets (ANR GRASSBIOFUEL, EU RENEWALL) qui visent à comprendre ce qui limite l’hydrolyse enzymatique des lignocelluloses.
Principaux projets :
Impact des parois sur les propriétés fonctionnelles des productions végétales
L’implication des parois cellulaires fait l’objet de nombreux travaux vis-à-vis de la maîtrise de la qualité d’usage des productions végétales.
Dans ce domaine, les travaux de l’équipe se focalisent sur les relations entre 1) les propriétés mécaniques des parois et la texture des fruits charnus, 2) les propriétés d’hydratation des parois de l’albumen amylacé et la dessiccation des grains de céréales et 3) les parois comme fibres alimentaires.
La texture des fruits résulte d’interactions entre l’architecture des tissus (taille, morphologie, distribution des cellules au sein des tissus, épaisseur des parois), la pression de turgescence cellulaire et les propriétés mécaniques des parois cellulaires. Le rôle et la contribution de ces différents paramètres dans les propriétés mécaniques de tissus parenchymateux de fruits charnus ont été peu étudiés. Les travaux développés sont centrés sur la mesure de l’impact des différents réseaux de polysaccharides pariétaux sur les propriétés mécaniques de parenchymes de pomme à histologie et de pression de turgescence contrôlées. La variabilité de l’histologie et de la composition chimique des parois au sein de fruits et entre fruits de différentes génétiques est exploitée en combinaison avec des modifications enzymatiques spécifiques et des analyses mécaniques dynamiques. En parallèle, un modèle thermodynamique du comportement mécanique de tissus parenchymateux est développé pour rendre compte des résultats obtenus et explorer l’impact de différentes combinaisons de variables.
La dessiccation des grains influe fortement sur l’assemblage des polymères de réserve (amidon, protéines) et la qualité d’usages des céréales. L’impact des parois dans ce processus est suggéré par l’observation d’une hétérogénéité de structure d’arabinoxyane (AX) dans les parois de l‘albumen et d’une relation entre cette hétérogénéité et différentes propriétés d’hydratation « in vitro ». Les grains dont la structure des AX est modifiée par une modulation d’une arabinosyl transférase lors de la biosynthèse des parois représentent des modèles expérimentaux pour tester l’influence des parois sur la dessiccation. Des études seront développées à partir de lignées transgéniques de céréales ou de lignées contrastées pour la teneur en parois et en structure d’AX en conditions de croissance contrôlées.
Les parois végétales sont la partie majeure des fibres alimentaires dont la consommation a un impact positif sur la santé humaine. Les fibres alimentaires provenant des fruits ou des céréales agissent à travers différents mécanismes sur la régulation du glucose, des lipides et de différents processus inflammatoires impliqués dans différentes pathologies humaines (diabète, maladies cardiovasculaires…). Par ailleurs les oligosaccharides et polysaccharides issus de la paroi végétale peuvent avoir des effets biologiques par exemple sur le système immunitaire.
Principaux programmes :
