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Mots-clés :Arabidopsis thaliana - Brachypodium distachyon - lignines - composés phénoliques solubles - mutant - paroi secondaire - polymerisation

Ecole(s) doctorale(s) de rattachement :ED145 "Sciences du Végétal" Université Paris-Sud

Contacts :

Institut Jean-Pierre Bourgin, UMR1318 INRA-AgroParisTech
Bâtiment 2
INRA Centre de Versailles-Grignon
Route de St-Cyr (RD10)
78026 Versailles Cedex France

tél : +33 (0)1 30 83 30 00 - fax : +33 (0)1 30 83 33 19

 

Responsable

Richard Sibout
Chargé de Recherche

Philippe Le Bris
Technician INRA

 

Anciens membres
de l'équipe 

 

Lise Jouanin
Directeur de recherche émérite-CNRS

Sébastien Antelme
Technicien INRA " Brachypodium "


Résumé :

20081126_Image33_ch00.tif  

La biomasse végétale est principalement constituée de polymères qui représentent le squelette des tissus végétaux. Dans la majeure partie des cas, ces polymères sont des sucres (riches en énergie) qui sont agencés dans les parois végétales. Il existe dans certains tissus très spécialisés d’autres polymères constitués de molécules phénoliques: les lignines. La synthèse, le transport et la polymérisation des lignines se font de façon très controllée dans l’espace (c’est à dire au niveau des tissus) et dans le temps car ces molécules ont des propriétés physicochimiques importantes pour l’intégrité des vaisseaux (figure 1), la rigidité des tissus secondaires (chez les dicotylédones, figure 2) et la résistance aux pathogènes.

Les lignines sont néanmoins des composants de la paroi qui influent sur l’efficacité des procédés industriels ou agroalimentaires utilisant la biomasse pariétale comme matière première.
Le rôle central de ce composant dans le développement des végétaux terrestres et son impact économique en font un sujet d’étude pour de nombreux chercheurs. L’équipe paroi secondaire (PARSE) possède une longue expertise dans l’étude de la voie de biosynthèse des lignines chez Arabidopsis. Notre activité durant plusieurs années s’est focalisée sur l’identification d’étapes majeures de la synthèse et de la polymérisation des monolignols. Dans le contexte du besoin croissant en énergies renouvables et en biomatériaux, l’équipe a développé des ressources génétiques sur Brachypodium distachyon, une espèce modèle pour les graminées.

Figure 1: Faisceau vasculaire chez Brachypodium
 (Photo: JC Palauqui)
   

 

 

Questions scientifiques de l’équipe:

Comment les lignines sont synthétisées et déposées dans les cellules des dicotylédones et des graminées ?
La voie de biosynthèse des monolignols est bien connue chez les dicotylédones mais reste mal définie chez les graminées. Plusieurs questions restent à élucider: stockage des monolignols, transport vers l’apoplasme, polymérisation, signalisation.
Comment des modifications génétiques impactent la voie de biosynthèse, la composition en biomasse et les procédés de  saccharification ? Les lignines sont des obstacles à de nombreuses utilisations de la biomasse (pâte à papier, saccharification…). Selon le mode opératoire et les cibles génétiques, l’engineering de la voie de biosynthèse des lignines permet de moduler la qualité de la biomasse.

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    Figure 2: Représentation schématique des tissus secondaires chez les dicotylédones

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figure 3.tif  

Arabidopsis thaliana (paroi végétale de type I) et Brachypodium distachyon (paroi de type II) sont les deux modèles d’études principaux de l’équipe. Nous travaillons essentiellement avec des mutants T-DNA ou induits chimiquement.
Afin de répondre aux deux questions précédentes nos recherches se concentrent sur trois axes:
1/ Identifier et élucider la fonction des paralogues responsables de la synthèse des monolignols car ces gènes appartiennent souvent à des familles multigeniques.
2/ Caractériser de façon biochimique les mécanismes de polymérisation des monolignols par les laccases et les peroxidases (figure 3).

3/ Cibler des facteurs “trans” contrôlant les mécanismes de dépot de paroi dans les différents tissus de la tige.

  Figure 3 : Les peroxidases et les laccases oxydent les monolignols qui se polymérisent pour former les lignines.     



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Résultats marquants :

Depuis plus de cinq ans, l’équipe a isolé ou participé à l’étude de plusieurs mutants de gènes essentiels de la voie de biosynthèse des monolignols chez Arabidopsis et plus récemment chez Brachypodium (par exemple les gènes cinnamyl alcohol dehydrogenase, CAD et caffeoyl acid O-methyl transferase,  COMT). Souvent, la déficience de l’expression de ces gènes impacte non seulement la composition et le contenu en lignine mais aussi les teneurs en phénols solubles, le développement et la résistance aux pathogènes. Un résultat majeur de l’équipe est la démonstration in planta de l’importance des laccases pour la polymérisation des lignines et de l’utilité de surexprimer de petits ARNs ciblant ces laccases pour modifier les quantités de lignines. Récemment, nous avons également isolé des gènes contrôlant les teneurs en monolignols glycosylés chez Arabisodopsis.
Enfin, nous avons créé une collection d’accessions naturelles et une collection de mutants Brachypodium induits chimiquement (NaN3 et EMS) qui permet grâce à la plateforme de TILLING de l’unité d’Evry (http://urgv.evry.inra.fr/UTILLdb) d’isoler des lignées mutées dans des gènes d’intérêts (figure 4). Nous sélectionnons aussi des plantes dont la qualité de la biomasse est modifiée afin d’isoler de nouveaux gènes importants pour des applications en agriculture et l’industrie.
L’aboutissement de ces travaux est possible grâce aux plateformes de l’IJPB mais également grâce à plusieurs collaborations notamment avec les équipes APSYNTH et BCR.

 
    Figure 4: Phénoytpes observés dans la population de mutants à l’IJPB

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Publications représentatives :

 

Sibout R, Proost S, Hansen BO, Vaid N, Giorgi FM, Ho-Yue-Kuang S, Legée F, Cézart L, Bouchabké-Coussa O, Soulhat C, Provart N, Pasha A, Le Bris P, Roujol D, Hofte H, Jamet E, Lapierre C, Persson S, Mutwil M.(2017) Expression atlas and comparative coexpression network analyses reveal important genes involved in the formation of lignified cell wall in Brachypodium distachyon. New Phytol. In press doi: 10.1111/nph.14635.

Sibout R, Le Bris P, Legée F, Cézard L, Renault H, Lapierre C. (2016) Structural Redesigning Arabidopsis Lignins into Alkali-Soluble Lignins through the Expression of p-Coumaroyl-CoA:Monolignol Transferase PMT. Plant Physiol. 170:1358-66.

Dobrovolskaya, O., Pont, C., Sibout, R., Martinek, P., Badaeva, E., Murat, F., Chosson, A., Watanabe, N., Prat, E., Gautier, N., Gautier, V., Poncet, C., Orlov, Y., Krasnikov, A., Berges, H.Salina, E., Laikova, L. and Salse, J. (2014) FRIZZY PANICLE drives supernumerary spikelets in bread wheat (T. aestivum L.). Plant Physiol. Nov 14. pii: pp.114.250043 (PubMed)

Voxeur, A., Wang, Y. and Sibout, R. (2014) Lignification: different mechanisms for a versatile polymer. Curr Opin Plant Biol, 23C, 83-90 (PubMed)

Girin, T., David, L.C., Chardin, C., Sibout, R., Krapp, A., Ferrario-Mery, S. and Daniel-Vedele, F. (2014) Brachypodium: a promising hub between model species and cereals. J Exp Bot, 65:, 5683-5696 (PubMed)

Marriott, P.E., Sibout, R., Lapierre, C., Fangel, J.U., Willats, W.G., Hofte, H., Gomez, L.D. and McQueen-Mason, S.J. (2014) Range of cell-wall alterations enhance saccharification in Brachypodium distachyon mutants. Proc Natl Acad Sci USA: 111, 14601-14606 (abstract)

Timpano, H., Sibout, R., Devaux, M.-F., Alvarado, C., Looten, R., Falourd, X., Pontoire, B., Martin, M., Legée, F., Cézard, L., Lapierre, C., Badel, E., Citerne, S., Vernhettes, S., Höfte, H., Guillon, F. and Gonneau, M. (2014) Brachypodium Cell Wall Mutant with Enhanced Saccharification Potential Despite Increased Lignin Content. BioEnergy Research: 1-15 (pdf)

Catalan, P., Chalhoub, B., Chochois, V., Garvin, D.F., Hasterok, R., Manzaneda, A.J., Mur, L.A., Pecchioni, N., Rasmussen, S.K., Vogel, J.P., and Voxeur, A. (2014). Update on the genomics and basic biology of Brachypodium: International Brachypodium Initiative (IBI). Trends in plant science 19: 414-8 (PubMed)

Petrik, D.L., Karlen, S.D., Cass, C.L., Padmakshan, D., Lu, F., Liu, S., Le Bris, P., Antelme, S., Santoro, N., Wilkerson, C.G., Sibout, R., Lapierre, C., Ralph, J., and Sedbrook, J.C. (2014). p-Coumaroyl-CoA:monolignol transferase (PMT) acts specifically in the lignin biosynthetic pathway in Brachypodium distachyon. Plant J 77, 713-726 (pubMed)

Dalmais M, Antelme S, Ho-Yue-Kuang S, Wang Y, Darracq O, Bouvier d’Yvoire M, Cézard L, Légée F, Blondet E, Oria N, Troadec C, Brunaud V, Jouanin L, Höfte H, Bendahmane A, Lapierre C, Sibout R (2013). A TILLING Platform for Functional Genomics in Brachypodium distachyon. Plos One. 8: e65503.

Wang Y, Chantreau M, Sibout R, Hawkins S (2013). Plant cell wall lignification and monolignol metabolism. Front Plant Sci. 4 : 220.

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Bouvier d'Yvoire, M., Bouchabke-Coussa, O., Voorend, W., Antelme, S., Cezard, L., Legee, F., Lebris, P., Legay, S., Whitehead, C., McQueen-Mason, S.J., Gomez, L.D., Jouanin, L., Lapierre, C., and Sibout, R. (2012). Disrupting the cinnamyl alcohol dehydrogenase 1 gene (BdCAD1) leads to altered lignification and improved saccharification in Brachypodium distachyon. Plant J. DOI: 10.1111/tpj.12053

Chapelle, A., Morreel, K., Vanholme, R., Le-Bris, P., Morin, H., Lapierre, C., Boerjan, W., Jouanin, L., and Demont-Caulet, N. (2012). Impact of the Absence of Stem-Specific beta-Glucosidases on Lignin and Monolignols. Plant physiology 160, 1204-1217.

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Denancé, N., Ranocha, P., Oria, N., Barlet, X., Rivière, M.-P., Yadeta, K.-A., Hoffmann, L., Perreau, F., Clément, .G, Maia-Grondard, A., van der Berg G.C.M., Savetti, B., Fournier, S., Aubert, Y., Pelletier, S., Thomma, B., Molina, A., Jouanin, L., Marco, Y., Goffner, D. (2012) Arabidopsis wat1 (wall are thin-1)-mediated resistance to the bacterial vascular pathogen, Ralstonia solanacearum, is accompagnied by cross-regulation of salicylic and tryptophan metabolism. Plant J, DOI: 10.1111/tpj.12027

Harrington, M.J., Mutwil, M., Barrière, Y., and Sibout, R. (2012). Chapter 3 - Molecular Biology of Lignification in Grasses. In Advances in Botanical Research, Jouanin  and Lapierre, eds (Academic Press), pp. 77-112.

Berthet, S., Demont-Caulet, N., Pollet, B., Bidzinski, P., Cezard, L., Le Bris, P., Borrega, N., Herve, J., Blondet, E., Balzergue, S., Lapierre, C., and Jouanin, L. (2011b). Disruption of LACCASE4 and 17 results in tissue-specific alterations to lignification of Arabidopsis thaliana stems. The Plant Cell 23, 1124-1137.

Berthet, S., Demont-Caulet, N., Le-Bris, P., Hervé, J., Cézard, L., Pollet, B., Jouanin, L., Lapierre, C. (2011) Lignin-specific laccases, new targets for the engineering of lignification. Proceedings of the 16th ISWFPC, June 8-10. Tianjin, China. Beijing, China: China Light Industry Press: 1096-1101.

Thévenin, J., Pollet, B., Letarnec, B., Saulnier, L., Gissot, L., Maia-Grondard, A., Lapierre, C., and Jouanin, L. (2011). The simultaneous repression of CCR and CAD, two enzymes of the lignin biosynthetic pathway, results in sterility and dwarfism in Arabidopsis thaliana. Molecular Plant 4, 70-82.

Lebrun, J.D., Demont-Caulet, N., Cheviron, N., Laval, K., Trinsoutrot-Gattin, I., and Mougin, C. (2011). Secretion profiles of fungi as potential tools for metal ecotoxicity assessment: a study of enzymatic system in Trametes versicolor. Chemosphere 82, 340-345.

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Sanchez-Rodriguez C, Rubio-Somoza I, Sibout R, Persson S (2010) Phytohormones and the cell wall in Arabidopsis during seedling growth. . Trends Plant Sci. 2010 May;15(5):291-301.

I nternational Brachypodium Initiative. (2010) Genome sequencing and analysis of the model grass Brachypodium distachyon. Nature. 2010 Feb 11;463(7282):763-8.

 

Pour en savoir plus :
 


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