IJPB-Lignines et Tanins: Structures, assemblages et valorisation

Lignines et tanins: structures, assemblages et valorisation

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Mots-clés :lignines, polyphénols, biocatalyse, oxydation, biomatériaux

Ecole(s) doctorale(s) de rattachement : ABIES et M2RM2 (UVSQ)

disciplines: biochimie, chimie organique, spectroscopie

Contacts :

Institut Jean-Pierre Bourgin, UMR1318 INRA-AgroParisTech

Bâtiment 1
INRA Centre de Versailles-Grignon
Route de St-Cyr (RD10)
78026 Versailles Cedex France

	Responsable Paul-Henri Ducrot Directeur de Recherche
	Catherine Lapierre Professeur AgroParisTech
	Josiane Beauhaire Chargé de Recherche
	Valérie Méchin Chargé de Recherche
	Florent Allais Chargé de Recherche
	Betty Cottyn Chargé de Recherche
	Amandine Flourat Ingénieur d'étude du 01/10/11 au 31/03/12
	Soumya Mikssat Master 2 du 09/01/12 au 26/06/12
	Mika Sipponen Doctorant du 9/01/12 au 31/12/12
	Louis Mouterde Master 2 du 01/02 au 31/07/12
	Alexandre Cukier Ingénieur d'étude du 1/02/12 au 30/09/12

	Stéphanie Baumberger Maître de Conférences AgroParisTech
	Laurent Cézard Technicien
	Amel Majira technicien
	Frédéric Légée Technicien
	Davy Baratiny Doctorant départements INRA BV, CEPIA et fondation Tuck du 01/10/10 au 30/09/13
	Florian Pion Doctorant du 01/10/10 au 31/09/13
	Yu Zhang Doctorant département BV-CEPIA, 1-10-2009, 30-09-2012
	Orianne Broussard Doctorant (contrat CIFRE St Gobain) du 01/01/12 au 31/12/14
	Abdus Samad Jaufurally Master 2 pro du 01/09/11 au 30/09/12
	Armando Reano Master 2 du 1/02/12 au 30/06/12
	Anciens membres de l'équipe

Résumé :

Les travaux de l’équipe relèvent du champ thématique « Structure et propriétés des produits d’origine agricole»
du schéma directeur du département CEPIA . L’équipe appartient au « pôle lignocellulose » du
Département CEPIA, regroupant les équipes de 7 UMR fédérées par l’étude des plantes ligneuses et fibreuses
(http://www.inra.fr/inra_cepia).
Dans ce cadre, les objectifs scientifiques de l’équipe sont d’appréhender la variabilité structurale des lignines en relation avec leur biosynthèse et les propriétés des produits
lignifiés, et de comprendre la formation des lignines à partir des monomères. Dans ce but, nous étudions les lignines
natives, les lignines industrielles issues du fractionnement des parois et les lignines synthétiques obtenues par
modélisation in vitro de la biosynthèse des lignines. En partenariat avec des chercheurs qui produisent les plantes et
avec des industriels qui co-produisent ou valorisent des lignines industrielles, nous explorons la variabilité des lignines
en fonction de critères génétiques, éco-physiologiques ou technologiques afin de mettre en relation leurs structures,
organisations et capacités d’interactions avec les propriétés des produits lignifiés.
Les travaux principaux portent sur (i) la lignification des graminées en
raison de la méconnaissance de leur lignification et des enjeux liés à ces ressources, sur (ii) la modélisation de la
lignification et des interactions lignines-polysaccharides, sur iii) la valorisation des lignines soit comme sources de synthons pour la chimie verte soit comme matière première pour la conception de nouveaux biomatériaux et sur iv) la réactivité chimique et le devenir en conditions oxydantes des polyphénols des végétaux.
Parallèlement, nous étudions plusieurs classes de polyphénols naturels du point de vue de leur synthèse chimiques et de leur activités antioxydantes

Résultats marquants :

Depuis 2004, les principaux résultats concernent la lignification de plantes déficientes en enzymes associées à la voie
des monolignols, la formation des lignines à partir de ces monolignols et l’étude de lignines industrielles en relation
avec les bio-raffineries.

Lignification de plantes déficientes en enzymes associées à la voie des monolignols

En collaboration avec nos partenaires produisant ces plantes (arabidopsis, tabac, peuplier et maïs), nous avons
étudié l’impact de déficiences en enzymes HCT, C3H, CCR, CCoAOMT et CAD. Ces travaux portent sur la
lignification et, dans une approche élargie du métabolisme phénolique, sur les flavonoïdes et dérivés p-OH
cinnamiques.

Des monolignols synthétisés dans le cytosol à leur polymérisation en lignines dans la paroi.

De la synthèse des monolignols dans le cytosol jusqu’à leur polymérisation dans la paroi (stockage, transport
et polymérisation, peu de choses sont connues. Les mutants peuvent aussi être utilisés pour identifier de
nouveaux gènes impliqués dans ce métabolisme et ainsi mettre à jour de nouvelles régulations ou voie parallèle de
synthèse. Les 4 mutants bm de maïs sont de bons modèles pour les études génétiques et biochimiques liées à la
lignification. Si les gènes affectés par les mutations bm1 et bm3 sont connus (CAD et COMT respectivement), ceux
impliqués dans les phénotypes bm2 et bm4 restent inconnus malgré les travaux de la communauté scientifique.
Dans le cadre d’une ANS et en partenariat avec la plate forme de protéomique de l’INRA du Moulon, nous avons
entrepris une caractérisation protéomique du mutant bm2. Trois spots protéiques affichant des niveaux d’accumulation
différents entre le maïs normal et l’isogénique bm2 ont été identifiés. Ces
deux gènes sont potentiellement impliqués dans la partie terminale de la voie de biosynthèse des lignines.
Une autre approche pour mieux comprendre la mise en place des lignines consiste, plutôt que d’étudier les lignines
synthétisées par les plantes, à les synthétiser in vitro afin de mimer ce que fait la plante et pouvoir ainsi moduler les
conditions de synthèse pour mesurer l’impact de divers facteurs (monomères disponibles, effet de matrice, impact de
la présence d’amorces pariétales…). Dans la majorité des études de modélisation in vitro (Grabber, Crop Sci 2005, 45,
820-831), les lignines synthétiques (ou DHPs) obtenues ne miment pas fidèlement les lignines natives. Dans ce
contexte, nous avons entrepris une mise au point permettant d’arriver à des synthèses plus satisfaisantes. Nous avons
joué sur un paramètre délaissé dans la littérature, la quantité en peroxydase disponible pour polymériser l’alcool
coniférylique.

Lignines industrielles et bio-raffineries

Les lignines industrielles (ou lignines « techniques ») sont les co-produits issus du fractionnement des
ressources végétales, soit par des procédés papetiers de délignification traditionnels, soit par de nouveaux procédés
développés dans le cadre de la bio-raffinerie du végétal. Depuis quelques années, l’équipe met son expertise et
ses stratégies méthodologiques au service de la valorisation de ces co-produits, dans le cadre de projets nationaux
(AGRICE puis ANR) et de réseaux européens.
Nous avons pour la première fois appliqué la thioacidolyse à l’étude de
l’organisation moléculaire de lignines d’eucalyptus, plante d’intérêt industriel destinée à la papeterie et aux bioraffineries. Nous avons également montré pour la première
fois la possibilité d’hydrophobation de la surface de matériaux à base d’amidon par irradiation sous faisceau
d’électrons en présence de lignines, les bases moléculaires de cette hydrophobation ayant été partiellement élucidées à
l’aide de systèmes modèles.

Oxydation enzymatique des polyphénols : entre radicaux et cations

Nous avons, pour la première fois démontré, grâce à l'étude de différents composés modèles la spécificité des mécanismes chimique impliqués dans l'oxydation enzymatique des polyphénols et mis en évidence une dychotomie fondamentale suivant le nombre d'électrons ms en jeu lors de ces oxydations. Ainsi, nous avons mis en évidence l'implication de formes cationiques dans l'oligomérisation des polyphénols

Synthèse de composés modèles

Que ce soit dans le domaines des tanins condensés ou bien des lignines nous avons développé de nouvelles voies de synthèse de composés modèles, monomères, dimères et dérivés afin de pouvoir en étudier les caractéristiques physico-chimique et leur réactivité chimique

Publications représentatives :

Baumberger S., Abaecherli A., Fasching M., Gellerstedt G., Gosselink R., Hortling B., Li J., Saake B., de Jong
E., (2007). Molar mass determination of lignins by size-exclusion chromatography: towards standardisation of the
method. Holzforschung, 61, 459-468.

Besseau S., Hoffmann L., Geoffroy P., Lapierre C., Pollet B., Legrand M., (2007). Flavonoid accumulation in
Arabidopsis repressed in lignin synthesis affects auxin transport and plant growth. Plant Cell, 19, 148-162.

Do C-T., Pollet B., Thévenin J., Sibout R., Denoue D., Barrière Y., Lapierre C., Jouanin L., (2007). Both
caffeoyl Coenzyme A 3- O -methyltransferase 1 and caffeic acid O -methyltransferase 1 are involved in redundant
functions for lignin, flavonoids and sinapoyl malate biosynthesis in Arabidopsis. Planta, 226, 1117-1129.

Guillaumie S., San-Clemente H., Deswarte C., Martinez Y., Lapierre C., Murigneux A., Barriere Y., Pichon
M., Goffner D., (2007). MAIZEWALL. Database and developmental gene expression profiling of cell wall
biosynthesis and assembly in maize. Plant Physiol., 143, 339-363.

Halpin C., Thain S.C., Tilston E.L., Guiney E., Lapierre C., Hopkins D.W., (2007). Ecological impacts of
trees with modified lignin. Tree Genet. Genomes, 3, 101-110.

Leplé J-C., Dauwe R., Morreel K., Storme V., Lapierre C., Pollet B., Naumann A., Kang K.Y., Kim H., Ruel
K., Lefebvre A., Joseleau J-P., Grima-Pettenati J., De Rycke R., Andersson-Gunneras S., Erban A., Fehrle I., Petit-
Conil M., Kopka J., Polle A., Messens E., Sundberg B., Mansfield S.D., Ralph J., Pilate G., Boerjan W., (2007).
Downregulation of cinnamoyl-coenzyme a reductase in poplar: Multiple-level phenotyping reveals effects on cell wall
polymer metabolism and structure. Plant Cell, 19, 3669-3691.

Méchin V., Baumberger S., Pollet B., Lapierre C., (2007). Peroxidase activity can dictate the in vitro lignin
dehydrogenative polymer structure. Phytochemistry, 68, 571-579.

Méchin V., Thevenot C., Le Guilloux M., Prioul J-L., Damerval C., (2007). Developmental analysis of maize
endosperm proteome suggests a pivotal role for pyruvate orthophosphate dikinase. Plant Physiol., 143, 1203-1219.

Pitre F.E., Pollet B., Lafarguette F., Cooke J.E.K., MacKay J.J., Lapierre C., (2007). Effects of increased
nitrogen supply on the lignification of poplar wood. J Agr. Food Chem., 55, 10306-10314.

Globularia alypum L. structure-activity relationship. LWT - Food Science and Technology 40: 1246-1252
Es-Safi NE, Ghidouche S, Ducrot PH (2007) Flavonoids: Hemisynthesis, reactivity, characterization and free
radical scavenging activity. Molecules 12: 2228-2258

Es-Safi NE, Kerhoas L, Ducrot PH (2007) Fragmentation study of iridoid glucosides through positive and
negative electrospray ionization, collision-induced dissociation and tandem mass spectrometry. Rapid
Communications in Mass Spectrometry 21: 1165-1175

Es-Safi NE, Kerhoas L, Ducrot PH (2007) Fragmentation study of globularin through positive and negative
ESI/MS, CID/MS, and tandem MS/MS. Spectroscopy Letters 40: 695-714

Es-Safi NE, Beauhaire J, Le Guernevé C, Ducrot PH (2007) Synthesis and antioxidant activity of modified
(+)-catechin derivatives. Structure-activity relationships. American Journal Food Technology 2 : 618-629.

Ghidouche S, Es-Safi NE, Ducrot PH (2007) Trametes versicolor laccase mediated oxidation of flavonoids.
Influence of the hydroxylation pattern of ring B of flavanols. American Journal Food Technology 2 : 630-640

Betz G.A., Knappe C., Lapierre C., Olbrich M., Welzl G., Langebartels C., Heller W., Sandermann H., Ernst
D., (2008). Ozone affects shikimate pathway transcripts and monomeric lignin composition in European beech (Fagus
sylvatica L.). Eur. J. Forest Res., DOI 10.1007/s10342-008-0216-8.

Eglin T., Maunoury-Danger F., Fresneau C., Lelarge C., Pollet B., Lapierre C., Francois C., Damesin C.,
(2008). Biochemical composition is not the main factor influencing variability in carbon isotope composition of tree
rings. Tree Physiol., 28, 1619-28.

Fardet A., Llorach R., Orsoni A., Martin C.F., Pujos-Guillot E., Lapierre C., Scalbert A., (2008).
Metabolomics provide new insight on the metabolism of dietary phytochemicals in rats. J. Nutr., 138, 1282-1287.

Mir Derikvand M., Berrio Sierra J., Ruel K., Pollet B., Do C-T., Thévenin J., Buffard D., Jouanin L., Lapierre
C., (2008). Redirection of the phenylpropanoid pathway to feruloyl malate in Arabidopsis mutants deficient for
cinnamoyl-CoA reductase 1. Planta, 227, 943-956.

Ralph J., Kim H., Lu F., Grabber J.H., Leple J-C., Berrio-Sierra J., Mir Derikvand M., Jouanin L., Boerjan W.,
Lapierre C, (2008). Identification of the structure and origin of a thioacidolysis marker compound for ferulic acid
incorporation into angiosperm lignins (and an indicator for cinnamoyl CoA reductase deficiency). Plant J., 53, 368-
379.

Ravalason H., Jan G., Mollé D., Pasco M., Coutinho P.M., Lapierre C., Pollet B., Bertaud F., Petit-Conil M.,
Grisel S., Sigoillot J-C., Asther M., Herpoël-Gimbert I., (2008). Secretome analysis of Phanerochaete chrysosporium
strain CIRM-BRFM41 grown on softwood. Appl. Microbiol. Biot., DOI 10.1007/s00253-008-1596-x.

Riboulet C., Guillaumie S., Méchin V., Bosio M., Pichon M., Goffner D., Lapierre C., Martinant J-P., Barrière
Y., (2008). Kinetic of cell wall gene expression in maize ear growing internodes, relationships with cell wall
deposition. Crop Sci., accepté pour publication.

Ruggeberg M., Speck T., Paris O., Lapierre C., Pollet B., Koch G., Burgert I., (2008). Stiffness gradients in
vascular bundles of the palm Washingtonia robusta. Proc. Royal Soc. B-Biol. Sci., 275, 2221-2229.

Ghidouche S, Es-Safi NE, Ducrot PH (2008) Mechanistic study on the enzymatic oxidation of flavonols.
Tetrahedron Letters 49: 619-623

Es-Safi NE, Le Guerneve C, Ducrot PH (2008) Application of NMR spectroscopy and mass spectrometry to
the structural elucidation of modified flavan-3-ols and their coupling reaction products. Spectroscopy Letters 41: 41-
56

Es-Safi NE, Meudec E, Bouchut C, Fulcrand H, Ducrot PH, Herbette G, Cheynier V (2008) New compounds
obtained by evolution and oxidation of malvidin 3-O-glucoside in ethanolic medium. Journal of Agricultural and Food
Chemistry 56: 4584-4591

Tellier F, Fritz R, Kerhoas L, Ducrot PH, Einhorn J, Carlin-Sinclair A, Leroux P (2008) Characterization of
Metabolites of Fungicidal Cymoxanil in a Sensitive Strain of Botrytis cinerea. Journal of Agricultural and Food
Chemistry 56: 8050-8057

Pour en savoir plus : liens d'intérêt
http://www.inra.fr/inra_cepia/ressources_renouvelables
http://www.agroparistech.fr/recherche/index.php?nav=dpt&menu=dpt&dpt_id=2