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UMR 1332 - Biologie du Fruit et Pathologie

UMR 1332 Biologie du Fruit et Pathologie

Equipe Métabolisme

Equipe METABOLISME - UMR 1332 BFP
Responsable : Yves Gibon (yves.gibon@inra.fr)

Présentation et objectifs de recherche :

Contexte

Le métabolisme primaire est le moteur de la biomasse, il transforme la matière, fournissant l’énergie et les briques nécessaires à la croissance, au maintien et à l’adaptation à l’environnement. Alors que la topologie du métabolisme primaire est désormais bien connue et que la compréhension des régulations des réactions qui le composent a beaucoup progressé on ne sait toujours pas grand-chose de la manière dont les flux de matière qui le parcourent sont contrôlés. Notre objectif est d’en savoir plus sur ces modalités de contrôle, afin de pouvoir envisager des outils permettant de mieux maitriser la production et la qualité de la biomasse végétale, en particulier chez les fruits.

Stratégie scientifique

Nous utilisons deux approches pour étudier le métabolisme. D’une part la Biologie des Systèmes qui peut être vue comme une approche de type « inverse » (du gène vers le phénotype) où l’on va d’abord rechercher les paramètres métaboliques (et donc les gènes candidats au contrôle de ces paramètres) susceptibles d’influencer la performance de la plante. D’autre part nous recherchons des marqueurs métaboliques associés à la performance de la plante. Cette approche peut être considérée comme « classique » (du phénotype vers le gène).

Biologie des Systèmes : cette approche qui s’appuie sur nos compétences variées (chimie analytique, biologie moléculaire, biochimie, physiologie, statistiques et bioinformatique) alterne expérimentation et modélisation. Nous souhaitons aboutir à des modèles permettant de prédire la composition métabolique des fruits à partir de données génétiques et environnementales. Le projet Eranet Erasysbio+ FRIM (2010-2013) que nous avons coordonné a initié une approche centrée sur le développement et la maturation du fruit. Bien que notre modèle principal soit le fruit de la Tomate nous étudions volontiers d’autres systèmes biologiques (melon, pêche, vigne et raisin, maïs, blé, tournesol et bien d’autres encore), notamment dans le cadre de collaborations. Nous sommes en effet convaincus que la comparaison de ces systèmes nous permettra de mieux comprendre la manière dont la programmation du métabolisme central conditionne la performance des productions végétales. Ainsi avec le projet ANR FRIMOUSS (2015-2019) nous comparons désormais les fruits de 10 espèces, afin de mieux comprendre ce qui les rend plus ou moins sucrés, acides voire insipides, pourquoi certains poussent plus vite que d’autres, pourquoi la crise climactérique ne se produit que chez certains fruits, parfois au sein d’une espèce.

Biomarqueurs associés à la performance de la plante : Partant de l’hypothèse que le métabolisme est associé à la performance de la plante nous recherchons des traits métaboliques (seuls ou en combinaison) associés à des traits comme la vitesse de croissance, le rendement, la qualité, la résistance à des contraintes abiotiques ou biotiques. Ces approches s’appuient notamment sur la Plateforme Métabolome Bordeaux dont nous assurons une grande partie du fonctionnement, tout en y suscitant de nouveaux développements. Elles sont menées principalement sur des plantes d’intérêt agronomique, notamment le maïs et le tournesol, mais nous envisageons d’aborder d’autres questions impliquant métabolisme et biodiversité. L’étape suivante sera, en collaboration avec des généticiens, de mettre à jour les bases génétiques qui sous-tendent le contrôle de ces marqueurs ou de concevoir des stratégies de sélection utilisant ces marqueurs directement.

Fonctionnement de l’équipe

Notre activité est organisée en modules :

Phénotypage des plantes. Afin de collecter les données qui servent au développement, au paramétrage puis à la validation de modèles prédictifs de traits d’intérêt chez les fruits charnus, nous menons chaque année une campagne de phénotypage avec plusieurs centaines de plants en conditions proches de celles de la production ou sous contrainte abiotique, ce qui nous conduit à collaborer avec INVENIO, centre de recherche et d’expérimentation de la filière fruits et légume d’Aquitaine. Des données climatiques et écophysiologiques (nous venons d’acquérir un appareillage dédié à la mesure des échanges gazeux) sont enregistrées et des échantillons de feuilles, de tiges et de fruits sont collectés tout au long de la culture en vue d’étudier le métabolisme.

En collaboration avec le Centre de Bioinformatique de Bordeaux (Macha Nikolsky et Benjamin Dartigues) se poursuit le développement du logiciel « Xeml Lab » dont la vocation est de permettre la capture de toutes les données et métadonnées décrivant les expériences et les échantillons prélevés (données climatiques, génotypiques, nature des échantillons prélevés, stade de développement de ces échantillons, etc.). Xeml Lab fut initialement développé au Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology (Hannemann et al, 2009).

Nous collectons des données depuis l’expression des gènes jusqu’à la composition de la biomasse. Notre implication forte dans la Plateforme Métabolome Bordeaux nous conduit à doser de nombreux métabolites mais aussi des capacités enzymatiques. Pour cela, nous développons continuellement de nouvelles méthodes ensuite rendues disponibles aux utilisateurs de la plateforme. Ainsi, nous explorons les possibilités de la microfluidique grâce à une collaboration avec Jean-Christophe Baret et son équipe au CRPP à Bordeaux. Nous avons également pris l’habitude d’analyser la composition de la biomasse (contenu en protéines totales, lipides, paroi, etc.). Enfin, en collaboration avec les Plateformes Genotoul (Toulouse) et PAPPSO (Le Moulon) nous avons récemment obtenu des donnéesdu transcriptome et du protéome obtenues tout au long du développement du fruit de tomate. Ces activités impliquent la totalité de l’équipe.

Expérience de paramétrage du modèle intégratif du fruit de tomate réalisée en conditions de production (Invenio, Sainte Livrade)

Expérience de phénotypage. Chaque été nous cultivons des tomates dans des conditions proches de celles de la production sous serre. Les graines sont semées au début du printemps et les échantillons de feuilles et de fruits récoltés à partir du mois de juillet. Les plantes produisent des fruits jusqu’au début de l’automne. Au final, chaque plante aura produit environ 5 kg de tomates, ce qui représente 0,5 à une tonne au total.

Données et métadonnées. Les données décrivant les expériences, une fois combinées aux multiples jeux de données phénotypiques, permettront de faire du « data mining ». Collectées à différents niveaux (physiologiques, transcrits, protéines, enzymes, métabolites) elles sont mises en réseau afin de faciliter leur analyse et leur intégration. Des outils permettant leur analyse et leur intégration sont adaptés ou développés (http://biostatflow.org/). L’intégration des données nous permet d’approfondir la description du système à l’étude (Biais et al. 2014) puis de formuler des hypothèses sous-tendant le développement de modèles prédictifs de ce système. Animé par Daniel Jacob.

Compartimentation subcellulaire. La compartimentation joue un rôle essentiel dans le contrôle des flux métaboliques. Afin de mieux comprendre son rôle dans le contrôle des flux métaboliques il est essentiel de pouvoir quantifier les métabolites et les flux dans les différents compartiments de la cellule. Pour cela, une approche de fractionnement anhydre est développée en collaboration avec Ana Paula Alonso (Ohio State University, USA). Associée à des expériences de marquage au carbone 13, cette approche permettra de quantifier des flux à l'échelle subcellulaire. Animé par Martine Dieuaide-Noubhani.

Expérience de fractionnement subcellulaire non aqueux

Expérience de fractionnement subcellulaire non aqueux. A droite, un gradient de particules de taille subcellulaire de feuille de tomate obtenu par centrifugation. A gauche, la mise en évidence de trois compartiments subcellulaires par une analyse d’environ 40 métabolites mesurés dans 6 fractions de ce gradient.

Modélisation mathématique. Différentes approches de modélisation, menées en collaboration avec Jean-Pierre Mazat (Université de Bordeaux) et Christine Nazaret (Institut de Mathématiques de Bordeaux) sont utilisées afin de décrire puis prédire des processus clés du développement du fruit :

  • modélisation cinétique du métabolisme des sucres,
  • modélisation par « flux balance analysis » du métabolisme central,
  • modélisation de la synthèse protéique.

La modélisation est un outil de découverte de propriétés émergentes des systèmes à l’étude. Animé par Sophie Colombié et Bertrand Beauvoit.

Cartes de flux métaboliques à 3 stades de développement du fruit de la tomate.

Cartes de flux métaboliques à 3 stades de développement du fruit de la tomate. Les flux métaboliques ont été calculés avec un modèle stœchiométrique (Colombié et al., 2015).

Recherche de biomarqueurs. Par une approche combinant métabolomique, phénotypage métabolique, évaluation de traits agronomiques (métabolites, activités enzymatique, combinaisons de métabolites et/ou d’activités enzymatiques) et analyses statistiques nous recherchons des marqueurs métaboliques associés à la performance de la plante. Ces travaux sont notamment menés dans le cadre des projets ANR AMAIZING sur le Maïs, BREDWHEAT sur le Blé et SUNRISE sur le Tournesol. Animé par Annick Moing.

Principaux projets en cours dans l’équipe

2015-2019. Projet ANR Générique (défi 5) FRIMOUSS (Fruit Integrative Modelling for a Unified Selection System), 2 partenaires (UMR EGFV INRA Bordeaux et UR PSH INRA-Avignon).Coordonné par Yves Gibon.

2012-2019. ANR Investissement d’Avenir Biotechnologie Bioressources BREEDWHEAT (Développer de nouvelles variétés de blé pour une agriculture durable : une approche intégrée de la génomique à la sélection), implique 13 unités INRA, Arvalis et 11 privés, coordonné par J. Le Gouis (INRA Clermont-Ferrand).

2012-2019. ANR Investissement d’Avenir Biotechnologie Bioressources AMAIZING (Développer de nouvelles variétés de maïs pour une agriculture durable : une approche intégrée de la génomique à la sélection), 14 unités INRA, Arvalis et 9 privés, coordonné par A. Charcosset (INRA Le Moulon).33

2012-2019. ANR Investissement d’Avenir Biotechnologie Bioressources SUNRISE (Ressources génétiques de Tournesol pour l’amélioration de la stabilité de production d’huile sous contrainte hydrique), 9 unités INRA, CETIOM and 6 privés, coordonné par N. Langlade (INRA-Toulouse, F).

2012-2019. ANR Investissement d’Avenir Infrastructures PHENOME (Centre français de phénomique, https://www.phenome-fppn.fr), 9 unités INRA et 2 centres techniques impliqués, coordonné par F. Tardieu (LEPSE, INRA-Montpellier, F).

2013-2019. ANR Investissement d’Avenir Infrastructures MetaboHUB (Infrastructure Nationale en métabolomique et fluxomique, www.metabohub.fr/), 4 metabolomics platforms (Bordeaux, Toulouse, Clermont-Ferrand, Saclay-Paris), coordonné par Dominique Rolin.

Plateforme Métabolome Bordeaux

En raison de sa contribution forte à la Plateforme Métabolome du Centre de Génomique Fonctionnelle Bordeaux, notre équipe est impliquée dans de nombreux autres projets régionaux, nationaux et internationaux et participe au Réseau Francophone de Métabolomique et Fluxomique (RFMF] ), et réalise des développements analytiques et bioinformatiques pour l’étude du métabolisme. Deux plateaux sont hébergés par le groupe :

-      Métabolomique et fluxomique (MAHD, animé par Annick Moing)

-      Phénotypage métabolique (HiTMe, animé par Yves Gibon)

Notre équipe est au cœur du projet ANR Investissements d’Avenir Infrastructures MetaboHUB (coordonné par Dominique Rolin) pour la métabolomique et la fluxomique et participe au projet PHENOME (coordonné par François Tardieu, INRA-Montpellier) du même programme ANR.

La plateforme est animée par Annick Moing (direction scientifique) et Catherine Deborde (direction technique).

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