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Les lignines et leur organisation au sein des parois végétales Apports de la plante modèle Maïs Valérie Méchin – INRA Grignon

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Les lignines et leur organisation au sein des parois végétalesApports de la plante modèle Maïs

Valérie Méchin – INRA Grignon

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Etude des lignines et de la lignification

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CELLULOSE

HEMICELLULOSES

LIGNINES

Acide p-coumarique

O

O

Acide férulique

O

OO

Les constituants d’une paroi végétale

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Précurseurs de la lignine

CH

OH

CH

CH2OH

OCH3

CH

OH

CH

CH2OH

OCH3H3CO

CH

OH

CH

CH2OH

Unités en C6C3

p-Hydroxyphenyl Guaiacyl Syringyl

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Boerjan et al., 2003

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Liaison labile b-O-4(ou 8-O-4)

α

HO

HOO

O

OM eR

OMe

R

β

γ

4

α

HO

HOO

O

OM eR

OMe

R

β

γ

4

α

HO

HOO

O

OM eR

OMe

R

β

γ

4

OMeO

OOMe

OH

OOMe

R

55

OMe O

OMe4 O

R

5'

R

O

O

O

OMe

R

O

eOM

ββ

O

OMe

R O OMe

OH

β5

Liaisons résistantes(condensées)

O

R

O

R OH

β1

OMe

OH

HO

OMe

H + aβ

a

OMeR

OOHO

OH

Ar

O

R

1g bg

OMe

5-5’ et 4-O-5’ = point de branchement

Y

+ L. riches en H et G plus condensées

+ L. riches en S peu condensées

Liaisons interunités

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Structure des lignines : vue simplifiée

* Deux paramètres structuraux clés :

* Les unités liées en b-O-4 ( avec teneur en unités S)* Les unités terminales à fonction phénolique libre (unités G et H surtout)

O M e

RH O

H O

O

O

O M eMe O

1 2345

6

+ Point de croissance du polymère

+ Rapport unités T/I : mode d’organisation des lignines dans les parois

+ Facteur solubilisation en milieu alcalin

MO eR

O H

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Lignines de graminées

Deux spécificités structurales:

* Esters p-coumariques Pc sur unités S

* Ethers féruliques Fe : pontages unités G/ Xylanes

O XylanesG

Fe

CH2OH

O

OMe

OHO

MeO

CO

Lignines

Ralph et al., 1994, RMN-2DGrabber et al., 1996Thioacidolyse + CPG-SM

O

OMeMeO

OHO

OC

OH

O

S

Lignines

Pc

Jacquet et al., 1995Hydrolyse alcaline + CPG-SM

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1] Structure des lignines+ unités+ liaisons interunités+ arrimage pariétal

2] Stratégie d’étude+ RMN+ dégradation analytique : thioacidolyse

3] Ce que nous apprend l’analyse des lignines…+ décryptage de la voie de biosynthèse, + relations structure/propriété+ résultats moins attendus…

Terashima et al.Modèle lignine de conifère, 2001données de RMN (Nagoya) + thio (Grignon)

Etude des lignines

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Les lignines et leur organisation au sein des parois végétalesApports de la plante modèle Maïs

Valérie Méchin – INRA Grignon

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Les lignines et leur organisation au sein des parois végétalesApports de la plante modèle Maïs

Lignification graminées

* arrimage via Fe* gpes phénoliques libres* acylation par PC

Génétique du maïs

* var. génét. naturelle lignées* mutants naturels * transformants* population LR

Mode association L/sucre

* via Fe connues* autres inconnues malgré

impact fort

Pourquoi le maïs ?

Génétique du maïs

* var. génét. naturelle lignées* mutants naturels * transformants* population LR

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Les lignines et leur organisation au sein des parois végétalesApports de la plante modèle Maïs

La génétique du maïs : utilisation de lignées et de leur variabilité génétique

lignée 1

lignée 2

… lignée 2 mutante

Variabilité génétique naturelle

Utilisation des mutants naturels

Variabilité génétique naturelle

Utilisation des mutants naturels

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1er axe fort du projet de recherche : utilisation des mutants naturels de maïs

Mutants Brown Midrib :* bm1 : gène de la CAD* bm3 : gène de la cOMT* bm2 et bm4 : ???

Mutants bm3 les plus étudiés

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Lignification des mutants naturels de maïs bm

2000 : 1ére campagne sur 2 familles complètes : F2 et F292

2004 : 2éme campagne sur 2 familles: 3 dates, 2 « organes », 10 ge, 3 rt180 éch. …Analyses lancées sur 30 éch.

Caractérisations « classiques »:- RP- LK- thio- ac. hydrox.- dP

Caractérisation plus « spécifiques »- LK sur résidu saponifié (solubilisation par H alc.douce)- perméthylation (OH libres)- nichel de raney (dimères)

Etude de l’organisation des lignines et associations polysaccharides- lignines in situ- isolement de lignines ou de LCC

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CELLULOSE

HEMICELLULOSES

LIGNINES

Acide p-coumarique

O

O

Acide férulique

O

OO

2ème axe fort du projet de recherche : utilisation de la variabilité naturelle – rôle amorces féruliques

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Exploitation de la variabilité génétique naturelle des lignées de maïs

Choix des lignées:- gamme large de LK et dP- 3 stades de dévelopement

Les esters féruliques: sîtes d’initiation de la lignification- 12 lignées - 3 dates de prélèvement, 2 organes- étude de la mise en place de ces liaisons- étude mécanique- FTIR

O X y la n e sG

F e

C H 2 O H

O

O M e

OH O

M e O

CO

L ig n in e s

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xlignée 1 lignée 2

F1

F2

Population de lignéesrecombinantes

autofécondation

autofécondations

LR

Population de lignéesrecombinantes

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dP=f(LN)

202224262830

3234363840

11 12 13 14 15 16 17 18

3ème axe fort du projet de recherche : utilisation d’individus choisis au sein de populations de LR

s’affranchir de l’effet « teneur en lignine » pour focaliser sur les autres…

F838*F286

r = -0.81

Etude du rôle des autres facteurs biochimiques:- structure des lignines - organisation des lignines dans la paroi

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4ème axe fort du projet de recherche : Etude de lignines artificielles modèles synthétisées in vitro

CELLULOSE

HEMICELLULOSES

LIGNINES

Acide p-coumarique

O

O

Acide férulique

O

OO

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O

OMeMeO

OHO

OC

OH

O

S

Lignines

Pc

Synthèse des précurseurs:- précurseurs conventionnels- précurseurs p-coumaroylés- autres (5OH-G, Fe estérifié par un sucre…)

Etude des premières étapes de l’oligomérisation:- LC-MS - RMN- modélisation moléculaire

4ème axe fort du projet de recherche : Etude de lignines artificielles modèles synthétisées in vitro

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Les lignines et leur organisation au sein des parois végétalesApports de la plante modèle Maïs

∑ L artificielles (S-PC)

* acylation S-PC* oligomerisation

(LC-MS): impact ∑et organisation* arrangement

(RMN) + ou – PC

Affranchissement teneur en lignine

Structure, ac. p-hydr., …

Feest initiation de la lignification

* Étude cinétique sur gamme large* Propriétés

mécaniques* FTIR (+banques

spectres)

Etude approfondie lignification bm1-4

* L in situ: chimie et spectrométrie* L isolées (LCC

ou L): moléculaire, Mmoléculaire, sucres

dP=f(LN)

2022242628303234363840

11 12 13 14 15 16 17 18

4 axes de recherchescomplémentaires

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Frédéric Légée, Laurent Cézard,Valérie Méchin, Stéphane Lepifre, Stéphanie

Baumberger, Brigitte Pollet, Catherine Lapierre

Yves Barrière

Anouck Habrant, Brigitte Chabbert et Bernard Cathala

Karim Mazeau

Domenica Manicacciet Laurence Moreau

Josiane Beauhaire

Patrick Perré

Grégory Mouille et Lise Jouanin