Espèces modèle : Lolium perenne, Luzerne

Mots-clés : carbone, défoliation, réserves, fructanes, synthèse, gibbérellines

L'objectif est d'étudier la régulation de l'allocation et de la répartition du carbone chez des espèces prairiales (luzerne, ray-grass) en relation avec le métabolisme azoté. Il s'agit plus spécifiquement:

 d'étudier l'incidence de la nutrition azotée ainsi que du rythme et de l'intensité de la défoliation sur les flux C et N, l'utilisation des réserves C et N et leur reconstitution, sachant que les deux plantes se distinguent par la nature biochimique de leurs réserves (luzerne: amidon et VSP, ray-grass: fructanes et protéines totales) et par leur organe de stockage (luzerne: pivot racinaire, ray-grass: gaine foliaire et base des feuilles en croissance).

 d'identifier les variables intermédiaires, de nature hormonale ou biochimique (saccharose, acides aminés, nitrate) qui contrôlent la mobilisation et la reconstitution des réserves et qui répondent à la contrainte défoliation et aux signaux environnementaux. Et donc :

- de produire les outils méthodologiques appropriés, à savoir chez le ray-grass, les gènes codant les enzymes de synthèse et de dégradation des fructanes ainsi que les anticorps correspondants,

- de caractériser les systèmes de transport de C et de N au sein des plantes modèle et d'étudier l'incidence des facteurs externes (modalités de défoliation, nutrition azotée) et des facteurs internes (ressources C et N, capacité de mise en réserve et de dégradation) sur leur fonctionnement.

 de modéliser le fonctionnement des deux plantes prairiales dans un environnement donné en tenant compte de leurs caractéristiques biochimiques, physiologiques, morphologiques et donc en intégrant à terme leur variabilité génétique, en vue d'évaluer la tolérance à la défoliation.

Les fructanes sont des homopolymères de fructose pouvant représenter 75 à 90% des glucides de réserve des organes végétatifs chez les Poacées. L’étude de ces biopolymères est justifiée par le fait qu’on leur reconnaît trois grands domaines d’intérêt :

- un intérêt agro-alimentaire : les chaînes courtes des fructanes sont utilisées comme édulcorants car elles sont peu caloriques. Dans la mesure où les fructanes favorisent le développement de la flore intestinale, ils sont reconnus actuellement comme étant des prébiotiques. C’est sans doute l’une des raisons pour laquelle leur introduction régulière dans le bol alimentaire semble prévenir l’apparition du cancer du colon,
- un intérêt industriel : les fructanes, après conversion chimique, constituent une source d’éthanol, d’hydroxyméthylfurfural (composé clé pour l’élaboration des détergents biodégradables) et d’acide lévulinique (précurseur des polyesters et des polyamides). Ils pourraient jouer un rôle important dans l’industrie pharmaceutique en qualité d’agents d’encapsulation de molécules thérapeutiques
- un intérêt agronomique : les fructanes sont impliqués dans la dynamique de repousse (X) et dans la régulation de l’équilibre hydrique et osmotique en vertu du ratio polyfructanes/oligofructanes d’une part et d’autre part grâce à leur capacité à piéger les molécules d’eau et à protéger les systèmes membranaires. En tant que sucres solubles, ils doivent également jouer un rôle dans la qualité des fourrages.

Les différentes actions ont pour objectif d’identifier les voies de synthèse et de dégradation des fructanes chez le ray-grass au regard de la complexité de leurs structures, et de caractériser leur fonction au sein de la plante en tant que réserve carbonée.

Chez les Poacées, la structure des fructanes est très complexe comparée à la structure type inuline des fructanes présents dans les tubercules de topinambour ou les racines de chicorée-endive, et elle n'est que partiellement connue. La séparation des fructanes est réalisée au laboratoire par HPAEC-PAD jusqu'au degré de polymérisation (DP) 16. Trois familles principales sont représentées chez le ray-grass selon la nature des liaisons entre résidus fructosyles et la position du résidu glucosyle (au-delà de DP3) :

En se basant d’une part sur les structures des fructanes de Lolium perenne et sur les connaissances actuelles concernant les enzymes de leur métabolisme connues chez les monocotylédones et les dicotylédones, nous suggérons que les fructanes de Lolium perenne sont synthétisés grâce à un ensemble de quatre enzymes que sont la 1-SST, la 1-FFT, la 6G-FT et la 6-SFT (ou 6-FFT). En effet :

- La 1-SST (1-saccharose:saccharose fructosyltransférase) est responsable de la synthèse de 1-kestotriose à partir de saccharose,
- La 1-FFT (1-fructane:fructane fructosyltransférase) catalyse la formation des liaisons b (2-1),
- Grâce à la 6-GFT (6-glucose fructosyltransférase), le résidu glucose est en position interne,
- La 6-SFT (6-saccharose:fructane fructosyltransférase) ou la 6-FFT (6-fructane:fructane fructosyltransférase) catalyse la formation des liaisons b (2-6), prédominantes chez Lolium perenne.

Les fructanes sont dégradés grâce à la FEH (fructane exohydrolase) lorsque la plante se trouve dans une situation où la photosynthèse ne suffit pas à fournir suffisamment de substrats carbonés pour couvrir ses besoins, notamment à l’issue d’une défoliation. La dégradation des fructanes s’accompagne d’une augmentation de l’activité FEH. La nature du ou des signaux qui déclenchent l’augmentation de l’activité FEH après la coupe de façon à rendre le C de réserve disponible pour la repousse foliaire fait l’objet des recherches de l’équipe :

Signal GA - Nous avons identifié que les gibbérellines pouvaient constituer un élément de signal de l’hydrolyse des fructanes chez le ray-grass et montré que la défoliation avait pour effet d’agir négativement sur les activités C20 oxydases. Les teneurs en gibbérellines actives diminuent donc en réponse à la défoliation. Si les gibbérellines contribuent au signal inducteur, elles agiraient donc par diminution de leur concentration.

Signal sucres - Le fait qu’un apport exogène de saccharose, de glucose et de fructose au moment de la défoliation inhibe l’augmentation de l’activité FEH suggère que la diminution des teneurs en sucres solubles provoquée par la coupe est impliquée dans l’induction de la FEH (il est connu que le saccharose inhibe l’activité FEH in vitro). La diminution de la teneur en saccharose pourrait alors provoquer la transcription du gène de la FEH.
La même hypothèse peut être formulée pour le glucose et le fructose. Ainsi, le 3-O-méthylglucose (absorbé par la plante, mais non phosphorylé par l’hexokinase) provoque une répression partielle de l’augmentation de l’activité FEH à la base des feuilles en croissance, suggérant que le glucose agit en qualité de molécule signal dans ce type tissulaire.

Le clonage des gènes codant les nymes de synthèse et de dégradation des fructanes est en cours.

Le rôle trophique des réserves carbonées en conditions de repousse après défoliation a clairement été établi à l'aide d'un marquage de chasse 13C de l'ensemble du carbone endogène. Après 48h de repousse, 91% du carbone rencontré dans la biomasse aérienne néoformée provient des réserves carbonées. Au cours de la même période, les fructanes initialement présents dans la base des feuilles en croissance sont massivement hydrolysés et mobilisés vers la zone d'élongation. La mesure de l'activité FEH (enzyme responsable de cette hydrolyse) et la recherche de ses diverses modalités de régulation, notamment par les gibbérellines, ont été entrepris.

Compte tenu du caractère acaule du ray-grass, la méthode de prélèvement de sève phloémique par stylets de pucerons a été utilisée préférentiellement à la technique d’exsudation, chez des plantes défoliées ou non.
Au cours des premières heures qui suivent la défoliation, la proportion relative des sucres solubles dans le phloème diminue fortement comparativement à celle des acides aminés. Ce résultat majeur démontre que la suppression partielle de l’appareil photosynthétique (défoliation) entraîne une limitation de la disponibilité en sucres solubles qui n’est pas compensée par la ressource C de réserve.

La caractérisation des systèmes de transport de C et de N au sein de la plante est en cours.