Assimilation et partition du carbone chez les POACEES 

La domestication des plantes, et en particulier des Poacées (Graminées), est l’un des événements les plus importants dans le développement culturel humain pendant les 10000 dernières années (Buckler et al., 2001). Jusqu’à récemment, la sélection des caractères par des croisements appropriés avait pour objectif majeur l’amélioration des récoltes en arrivant à réunir chez une espèce (le blé, le maïs, le riz … ) le maximum de gènes favorables. Ces objectifs changent en partie aujourd’hui, en raison des progrès dans le monde de la production agricole, mais aussi des impacts négatifs que certaines de ces pratiques ont sur l’environnement. De nouveaux défis apparaissent concernant la sélection et l’exploitation des Poacées céréalières et fourragères, notamment en ce qui concerne les enjeux liés à l’agriculture durable, à l’adaptation aux changements climatiques et à l’exploitation des différents usages (alimentaires ou autre) offerts par la biomasse végétale (Humphreys et al., 2006).

ASSIMILATION ET PARTITION DU CARBONE CHEZ LES POACEES 

Photoassimilation et mise en réserve du carbone: accumulation des sucres non structuraux chez les Poacées 

Les plantes, dans des conditions de photopériode normales, sont soumises à un dilemme: la photosynthèse a lieu le jour, mais l’approvisionnement des tissus en photoassimilats doit être maintenu pendant la nuit. L’une des solutions à ce problème consiste à allouer une partie du carbone fixé à la mise en réserve dans les feuilles, impliquant des mécanismes complexes de régulation (Zeeman et al., 2007). La plupart des espèces stockent ainsi le carbone sous forme d’amidon et en moindre quantité sous forme de saccharose. Environ 15 % des végétaux supérieurs, soit environ 45 000 espèces, accumulent leurs réserves glucidiques principalement sous forme de fructanes (Tableau II.1 ; Hendry, 1993). Ces polymères de fructoses hydrosolubles ont été identifiés par Rose en 1804 chez Inula helenium, une dicotylédone de la famille des Astéracées (Pontis et Del Campillo, 1985). Chez les monocotylédones, les fructanes sont présents dans environ 15000 espèces qui appartiennent à deux grandes familles: les Liliacées et les Poacées. Chez les Poacées des régions tempérées, comme l’orge (Hordeum vulgare), le blé (Triticum aestivum) ou la fléole des prés, peu d’amidon est accumulé. Pour ces espèces, ce sont les fructanes qui constituent la majorité des réserves (Greenfield et al., 1974; Pollock et Cairns, 1991 ).

La plupart des Poacées des régions tempérées à photosynthèse de type C3 (dont le premier produit formé suite à la fixation du C02 par la Rubisco est une molécule à trois atomes de carbone: le 3-phosphoglycérate) accumulent des fructanes quand les concentrations en saccharose deviennent élevées . Par opposition, les Poacées en C4 caractéristiques des régions tropicales comme le maïs (Zea mays), accumulent l’amidon (Chatterton et al., 1989). Cependant, l’étude réalisée par Chatterton et ses collaborateurs (1989) sur l’analyse des sucres non structuraux chez 185 espèces de Poacées tropicales et tempérées cultivées sous deux régimes de température (10°/5°C et 25°/15°C; jour/nuit) montre que certaines espèces en C3, d’origine gondwanique, n’accumulent pas de fructanes (espèces non laurasiennes des genres Danthonia, Stipa, Oryzopsis et Phragmites) même si elles sont soumises à des températures froides (1 0°/5°C ; jour/nuit). Une espèce en C3 (Elymus tsukushiensis) accumule autant de fructanes en régime 10°/5°C (139 mg i¹ MS) qu’en régime 25°/15°C (123 mg g¹ MS) alors que la moyenne pour le régime 25°/15°C est de 12 mg g-¹ MS pour l’ensemble des Poacées tempérées en C3 dans ces conditions . Ces travaux montrent que les fructanes et l’amidon ne sont pas nécessairement des formes alternatives de stockage des sucres chez les Poacées et que l’accumulation de saccharose n’est pas toujours associée à une accumulation de fructanes.

Métabolisme de l’amidon 

Structure de l’amidon
L’amidon est un mélange de deux chaînes glucidiques: l’amylose et l’amylopectine. La proportion de ces deux types moléculaires varie selon l’espèce végétale. L’amylose est en général le constituant le moins abondant, c’est un polymère peu ramifié d’environ 100 à 1000 résidus de D-glucopyranose, enchaînés par des liaisons glucosidiques α(l-4). Comme l’amylose, l’amylopectine est un α(l-4) glucane, avec de nombreux branchements par des liens glucosidiques α(1-6) à des chaînes linéaires de résidus glucopyranosyles liés en α(1-4) (Buléon et al., 1998). Ces ramifications interviennent en moyenne tous les 20 à 25 résidus, avec 5 à 6 % de branchement α(l-6) sur une chaîne principale, et contiennent environ 15 à 30 résidus liés en α( 1-4) (Ball et al., 1996). Les molécules d’amylopectine isolées des cellules végétales peuvent contenir quelques milliers d’unités de glucose. La molécule d’amidon présente ams1 un aspect arborescent, elle est synthétisée sous forme de grains d’amidon qui sont des structures partiellement cristallines, souvent transitoires, au niveau des chloroplastes et stockés à plus long terme dans les amyloplastes (Buléon et al., 1998).

Synthèse et dégradation de l’amidon
Une quarantaine d’enzymes interviennent dans le métabolisme de l’amidon. L’initiation de la synthèse et de la dégradation dépend du rythme circadien, de régulations enzymatiques post-traductionnelles et de l’état de phosphorylation de la molécule d’amidon (Orzechowski, 2008). L’intensité de biosynthèse dans les feuilles est régulée principalement par l’activité AGPase (Adenosine 5′-diphosphate glucose pyrophosphorylase) qui réagit avec l’ ATP pour former l’ ADP-Glucose, forme «activée» du glucose et précurseur direct de la synthèse de l’ amidon. L’amidon synthase catalyse ensuite la formation des liaisons α( 1-4) de l ‘amylose et l’ amylopectine en voie d’élongation.

Les enzymes clefs dans la dégradation de l’amidon sont la 13-amylase, l’ aamylase (ou isoamylase) et l’enzyme de débranchement. L’a-amylase, est une endoglucosidase qui catalyse l’hydrolyse aléatoire des liaisons glucosidiques α(l-4) de l’amylose et de l’amylopectine. Les produits d’hydrolyse sont des oligoholosides de 6 à 7 résidus en moyenne avec libération d’α-D-glucosyl-(1-4)-D-glucose, ou maltose. La  β-amylase est une exo-glucosidase qui catalyse l’hydrolyse de la liaison glucosidique α(l-4) à partir des extrémités libres, non-réductrices, de l’amylopectine, et libère séquentiellement du maltose. Les liaisons α(l-6) de l’amylopectine ne sont pas reconnues par la β-amylase: l’hydrolyse s’arrête quand l’enzyme atteint les points de branchement. Ce produit d’hydrolyse partielle est appelée dextrine limite. L’action spécifique d’enzymes de débranchement – ou dextrinases – est alors requise pour ces liaisons (Zeeman et al., 2007). Il existe des différences importantes au niveau du métabolisme entre les tissus hétérotrophes et autotrophes, comme par exemple la présence de complexes protéiques responsables de la dégradation et de la biosynthèse de l’amidon dans les chloroplastes. Chez Arabidopsis thaliana, le génome code trois a-amylases: AtAMYl, AtAMY2 et AtAMY3. Seule AtAMY3 possède un peptide signal N-terminal pour la localisation plastidiale. Le mutant d’excès d’amidon d’Arabidopsis sex4, est déficient pour la protéine AtAMY3. Les mutants n’exprimant plus AtAMY3 ont cependant le même métabolisme diurne pour l’amidon transitoire que le type sauvage. Ces résultats suggèrent qu’AtAMY3 n’est pas exigé pour la répartition d’amidon transitoire dans les feuilles et que le phénotype d’excès d’amidon Sex4 n’est pas uniquement dû à un défaut de cette protéine (Yu et al., 2005).

L’amidon chez les Poacées à fructanes
Chez les Poacées des zones tempérées, les concentrations en amidon sont relativement faibles par rapport à celles des autres sucres non structuraux comme les fructanes . Une étude des mécanismes de régulation de la synthèse de l’amidon dans les tissus photosynthétique d’une espèce accumulatrice de fructanes a été réalisée chez Lolium temulentum (Cairns et al. , 2002). Les teneurs en glucides non structuraux ont été diminuées dans les feuilles par un traitement combinant une faible illumination et une augmentation de la température à 20°C favorisant la croissance, la respiration, et la demande vers les tissus puits. L’excision et l’illumination de ces feuilles relancent l’accumulation de saccharose et d’amidon alors que la synthèse de fructanes débute après un temps de latence de 8h, lorsque les concentrations de saccharose sont de l’ordre de 75 à 100 mg g- 1 MS. Lorsque l’accumulation de saccharose cesse avec le début de l’accumulation des fructanes, l’accumulation d’amidon s’arrête également. Il semblerait donc que ce n’est pas la production de photosynthétats qui limite l’accumulation d’amidon. Un traitement au cycloheximide – un inhibiteur de la synthèse protéique – empêche l’induction de synthèse des fructanes et aboutit à des concentrations élevées de saccharose, mais pas de retour à la synthèse de l’amidon. Par ailleurs, un apport de mannose aux limbes excisés inhibe significativement la synthèse du saccharose, vraisemblablement via la séquestration du phosphate sous forme de mannose-6-phosphate non métabolisable, et empêche simultanément l’accumulation d’amidon.

Les auteurs suggèrent que cette faible capacité à accumuler l’amidon, communes aux espèces accumulatrices de fructanes, serait une explication possible à l’apparition de la capacité à synthétiser les fructanes chez ces espèces  (Cairns et al. , 2002).

Les relations entre l’accumulation des fructanes et de l’amidon chez le raygrass anglais (Lolium perenne) ont pu être génétiquement différenciées par analyse de QTL (Quantitative Trait Loci) (Turner et al. , 2008). Ces analyses indiquent que les QTL pour les teneurs en fructanes et en amidon ne se chevauchent pas. Les capacités des Poacées à accumuler l ‘amidon et les fructanes devraient donc être indépendamment sélectionnables.

Table des matières

I. INTRODUCTION GENERALE 
II. SYNTHE SE BIBLIOGRAPHIQUE
II.l. ASSIMILATION ET PARTITION DU CARBONE CHEZ LES POACEES
II.l.l. Photoassimilation et mise en réserve du carbone: Accumulation des
sucres non structuraux chez les Poacées
II.1.2. Métabolisme de l’amidon
II.1.3. Structure et métabolisme des fructanes chez les Poacées
II.1.4. Régulation du métabolisme des fructanes chez les Poacées
II.2. SUCRES NON STRUCTURAUX ET ADAPTATIONS AUX STRESS ENVIRONNEMENTAUX
II.2.1. Résistance et acclimatation au froid
II.2.2. Résistance au stress hydrique
II.2.3. Résistance au stress oxydatif et à l’hypoxie
II.3. SUCRES NON STRUCTURAUX ET ADAPTATION DES POACEES
A L’HIVER AU QUEBEC: CAS DE LA FLEOLE
II.4. IMPORTANCE DES FRUCTANES CHEZ LES ESPECES
FOURRA GERES
II.4.1. Fructanes et qualité du fourrage
II.4.2. Les fructanes pendant la conservation du fourrage
III. OBJECTIFS DE RECHERCHE 
IV. PUBLICATIONS ET COMMUNICATIONS SCIENTIFIQUES
V. RESULTATS
V.l. EFFECT OF PLANT MATURITY AND NITROGEN FERTILIZATION ON NON-STRUCTURAL CARBOHYDRATE METABOLISM IN HARVESTABLE TISSUES OF TIMOTHY (PHLEUM PRATENSE L.)
V.1.1. Introduction
V .1.2. Materials and Methods
V.1.3. Results
V .1.4. Discussion
V.1.5. Conclusion
V.1.6. Acknowledgements
Préambule à l’ article 2
V.3 . FRUCTAN AND NON-STRUCTURAL CARBOHYDRATE METABOLISM IN HARVESTABLE TISSUES OF TIMOTHY DURING WILTING
V.2.1. Introduction
V.2.2. Materials and Methods
V.2.3. Results
V.2.4. Discussion
V.2.5. Acknowledgements
Préambule à l ‘article 3
V.3. CLONING AND FUNCTIONAL ANALYSIS OF TWO NOVEL FRUCTAN EXOHYDROLASES (1&6-FEH, FEH-INV) WITH INHERENT INVERTASE ACTIVITY IN TIMOTHY (P HLEUM PRATENSE L)
V.3.1. Introduction
V.3.2. Materials and Methods
V.3.3. Resultats
V.3.4. Discussion
V.3.5. Conclusion
V.3.6. Acknowledgements
VI. DISCUSSION GENERALE

Télécharger le rapport complet