La cutine de la peau des tomates pour de nouveaux polymères

La peau des plantes : un composite naturel encore peu expliqué

La cuticule recouvre la surface de tous les végétaux et remplit des fonctions biologiques cruciales pour la plante (résistance à la déshydratation, adaptation aux stress climatiques et biologiques). Ces propriétés sont déterminées par la structuration particulière de la cuticule, un composite naturel comprenant des lipides (cutines) et des parois (polysaccharides). Or cette dernière n’est pas encore élucidée. En particulier, les parois imbriquées dans le polymère lipidique de cutine étaient peu accessibles à l’investigation et leur nature restait inconnue.

En utilisant le fruit de tomate comme modèle, la combinaison de méthodes de prétraitements idoines (chimiques et enzymatiques) couplée à plusieurs méthodes d’investigations complémentaires (spectrales, biochimiques, immunocytochimie, cartographie) a permis d’établir pour la première fois la structure fine des parois enchâssées dans le polymère de cutine (CEP). Les caractéristiques de ces CEP (composition, hydrophobie, cristallinité) sont très différentes de celles des parois végétales non cutinisées, ce qui suppose un rôle particulier dans les fonctions de la cuticule. Par ailleurs, l’équipe de recherche a montré qu’une modification du degré de polymérisation de la cutine engendre des modifications spécifiques des CEP, ce qui montre un dialogue lipide / paroi dans l’assemblage de la cuticule.

Ces résultats ouvrent de nouvelles voies vers la connaissance de la construction de la cuticule dans la plante, ou pour la construction de nouveaux matériaux bio-inspirés.

Partenaires : cette étude a été menée par le l'unité BIA (à Nantes) en collaboration avec l’unité Biologie Pathologie du Fruit (Bordeaux) et la ligne SMIS du synchrotron SOLEIL.

Financement : cette étude a été réalisée dans le cadre de la thèse INRAE-Région Pays de la Loire de Glenn Philippe.

Publication associée : Philippe, G., N. Geneix, J. Petit, F. Guillon, C. Sandt, C. Rothan, M. Lahaye, D. Marion and B. Bakan (2019). "Assembly of tomato fruit cuticles: a cross-talk between the cutin polyester and cell wall polysaccharides." New Phytol. https://doi.org/10.1111/nph.16402

Contact : Benedicte Bakan

Puzzle structural sur la peau des fruits : Détermination du schéma de réticulation de la cutine

La cutine, polyester d’acide gras hydroxylé et de glycérol, a de nombreuses fonctions pour la plante (résistances au stress, développement, conservation, transformation). Toutes ces propriétés sont liées à la structure du polymère. Dans une étude précédente l'unité Biopolymères, Interactions, Assemblages (BIA), à Nantes, a mis en évidence la première cutine-polymérase (GDSL lipase) chez la tomate. Des plantes présentant différents niveaux d’expression de cette protéine ont été générées¹.

A partir de ces plantes dont la cutine est plus ou moins polymérisée, une équipe de BIA a mis au point une méthode originale de marquage in situ des liaisons esters sur des fruits de tomate. L'équipe a pu alors (i) reconstituer le puzzle structural de la cutine et (ii) comprendre l’activité de la cutine-polymérase in planta. La GDSL lipase détermine le schéma de réticulation du polymère en favorisant les liaisons esters de type branchées. Les propriétés de perméabilité à l’eau de ces cutines plus ou moins réticulées ont été comparées. Il apparait que l’épaisseur et non le degré de polymérisation affecte cette perméabilité².

Partenaires : ce travail est le fruit d’une collaboration des unités INRAE BIA (Nantes) et BPF (Bordeaux) et de l’IZMB (Université de Bonn, Allemagne).

Publications associées :

• ¹ Girard AL, Mounet F, Lemaire-Chamley M, Gaillard C, Elmorjani K, Vivancos J, Runavot JL, Quemener B, Petit J, Germain V, Rothan C, Marion D, Bakan B (2012) Tomato GDSL1 Is Required for Cutin Deposition in the Fruit Cuticle. Plant Cell 24: 3119-3134
• ² Philippe G, Gaillard C, Petit J, Geneix N, Dalgalarrondo M, Bres C, Mauxion JP, Franke R, Rothan C, Schreiber L, Marion D, Bakan B (2016) Ester Cross-Link Profiling of the Cutin Polymer of Wild-Type and Cutin Synthase Tomato Mutants Highlights Different Mechanisms of Polymerization. Plant Physiol 170: 807-820

Contact : Benedicte Bakan

L’imagerie Maldi: un outil pour mieux caractériser les polymères de la peau des fruits

L’unité BIA, à Nantes, a développé une méthode d’analyse de la cutine avec notamment une étape de dépolymérisation in situ suivie d’imagerie par spectrométrie de masse. Celle-ci permet non seulement d’analyser la nature des monomères mais aussi d’accéder à leur répartition spatiale (avec une résolution de l’ordre de 50 μm). Cette technique d’imagerie permet ainsi de caractériser chimiquement et spatialement les polymères de cutine (figure ci-dessous).

Publication associée : Velickovic, D., Herdier, H., Philippe, G., Marion, D., Rogniaux, H., and Bakan, B. (2014). Matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry imaging: a powerful tool for probing the molecular topology of plant cutin polymer. Plant J 80, 926-935.

Brevet

• Patent WO/2011/076794. : Bakan B, Rothan C, Lemaire-Chamley M, Marion D, Girard AL, Mounet F. (2010) Isolated plant GDSL lipases.

L’équipe a isolé et identifié une enzyme de tomate appartenant à une famille multigénique particulière d’enzymes lipolytiques ubiquistes des végétaux: les GDSL-acylhydrolase-transférase (GDSL-lipases). Cette enzyme synthétisée dans les cellules épidermiques du fruit est ensuite déposée au sein de la cuticule où elle serait impliquée dans la polymérisation des monomères de cutine.
Le silencing (RNAi) de cette GDSL-lipase induit une diminution d’environ 95% de l’expression de cette enzyme qui se traduit par une diminution de la cutinisation de l’épiderme des tomates ainsi que des modifications structurales de la cutine. Par ailleurs, les fruits ne sont pas affectés dans leur développement et présentent une peau jusqu’à 10 fois plus fine et un aspect brillant.     

Des résultats d'intérêt pour les sélectionneurs ou transformateurs
Ces deux critères - brillance et finesse de la peau - font partie des qualités recherchées par les sélectionneurs pour

1. L’attractivité de la tomate (aspect brillant – attractivité visuelle du fruit sur le présentoir),
2. Dans le cas des tomates type cerise ou cocktail, pour la finesse de la peu (une peau épaisse est rebutante pour le consommateur, notamment les enfants)
3. Dans le cas de tomates d’industrie pour la finesse de la peau également (réduction des résidus de fabrication de concentrés ou ketchup)

Par ailleurs, cette enzyme pourrait avoir une utilisation pour la modification de lipides commerciaux ou issus de la valorisation de produits agricoles.