Imagerie multimodale du grain de blé : une corrélation spatiale inédite entre l’eau et la structure des polysaccharides des parois cellulaires

Le grain de blé occupe une place centrale dans la nutrition humaine et l'alimentation animale. Les parois cellulaires, qui représentent 10 à 15 % du poids du grain, sont la principale source de fibres alimentaires avec des bénéfices majeurs pour la santé, et ont par ailleurs des impacts significatifs sur divers processus de transformation du grain. Le grain est constitué de plusieurs tissus dont les fonctions physiologiques diffèrent et dont les parois cellulaires ont des compositions, des structures et des organisations spécifiques. Dans l’albumen, une caractéristique distinctive est la présence de xylanes, plus particulièrement d’arabinoxylanes (AX), comme polysaccharide dominant.

Les AX sont formés d'un squelette de résidus xylose (Xyl) pouvant être substitués par des résidus arabinose (Ara) et plus rarement, par des groupements acétyles. Le schéma de substitution est considéré comme une caractéristique structurale déterminante de ces polymères et a été largement étudié en relation avec le type de paroi cellulaire, le tissu et le stade de développement. Plusieurs résultats suggèrent ainsi que le degré de substitution des AX module les propriétés d'hydratation des parois cellulaires et contribue à réguler la teneur en eau dans le grain, avec des conséquences sur les propriétés mécaniques et la qualité du grain.

Une vision inédite et complémentaire de l'interaction entre l’eau et les structures des xylanes dans les parois cellulaires du grain de blé grâce à une imagerie multimodale

Il a été supposé que la micro-imagerie par résonance magnétique (µIRM) et l'imagerie par spectrométrie de masse (MSI) permettraient, en les combinant, de donner une vision inédite et complémentaire de l'interaction entre l’eau et les structures des xylanes dans les parois cellulaires du grain de blé. En effet, la µIRM est une méthode non invasive qui permet de visualiser en 3D la distribution de l'eau tandis que la MSI fournit une image moléculaire de la surface des tissus et peut cartographier, en particulier, les variations structurelles des polymères d’AX.

Les deux techniques d'imagerie ont été combinées sur le même grain à plusieurs hauteurs et stades de développement. Outre l’acquisition des images dans les deux modalités, le travail a porté sur le développement d’outils pour l’analyse informatique conjointe des images obtenues.

Les images µIRM ont mis en évidence trois régions particulières du grain, qui diffèrent dans leur histologie et leur fonction et qui, toutes, sont enrichies en eau : les faisceaux vasculaires, la cavité de l'albumen et les tissus autour de la cavité (Figure 1). Ces régions sont impliquées dans le transfert d'eau et de nutriments pendant la croissance et le remplissage du grain. Dans ces mêmes tissus, les images MS montrent que les AX sont hautement substitués (Figure 2A). Une autre zone intéressante est la périphérie du grain. Dans ces tissus, l’étude montre la colocalisation d’eau fortement mobile et de parois cellulaires enrichies en AX fortement acétylés (Figure 2B). Le rôle biologique de l'acétylation des xylanes n'est pas connu mais plusieurs études indiquent que cette modification chimique des xylanes diminue leurs interactions avec les autres polymères et augmente ainsi la flexibilité de la paroi cellulaire dans certaines phases du développement de la plante.

Figure 1 : images de µIRM correspondant à la densité de l'eau à l’intérieur du grain. Les images sont présentées de gauche à droite, de la brosse vers le germe. Six stades de développement sont présentés (exprimés en °J). Une vue agrandie d'une des tranches est présentée à droite. Les tissus et organes visibles sont annotés sur la droite. Figure adaptée de Fanuel et al. Spatial Correlation of Water Distribution and Fine Structure of Arabinoxylans in the Developing Wheat Grain. Carbohydrate Polymers 2022, 294, 119738

Figure 2 : Images MS correspondant (A) aux AX hautement substitués (B) aux AX fortement acétylés. La coupe a été prise à mi-hauteur et est issue d’un grain de blé à 250°J. Figure adaptée de Fanuel et al. Spatial Correlation of Water Distribution and Fine Structure of Arabinoxylans in the Developing Wheat Grain. Carbohydrate Polymers 2022, 294, 119738

Les données physicochimiques existantes suggèrent, bien que cela n’ait jamais été formellement démontré in planta, que l'acétylation et la substitution des chaînes de xylane conduisent à un réseau de parois plus poreux, compatible avec la présence d'eau. Les distributions observées par µMRI et MSI le confirment pour la première fois, en démontrant que les structures des xylanes hautement substitués et acétylés et la teneur en eau des parois cellulaires de l'albumen sont fortement interconnectées dans certains tissus. Cette interaction est probablement liée à des fonctions spécifiques de ces tissus qui restent à établir.

PARTENAIRES SCIENTIFIQUES : INRAE Unité BIA, Nantes (Mathieu Fanuel, Florent Grélard, Loïc Foucat, Bastien Arnaud, Anne-Laure Chateigner-Boutin, Luc Saulnier, David Legland, Hélène Rogniaux)

FINANCEMENT : travail soutenu par la Région Pays-de-la-Loire dans le cadre de l'appel à projets annuel Biogenouest (bourse postdoctorale FG, numéro de subvention 1753-34000779).

PUBLICATIONS ASSOCIEES : Fanuel, M.; Grélard, F.; Foucat, L.; Alvarado, C.; Arnaud, B.; Chateigner-Boutin, A.-L.; Saulnier, L.; Legland, D.; Rogniaux, H. Spatial Correlation of Water Distribution and Fine Structure of Arabinoxylans in the Developing Wheat Grain. Carbohydrate Polymers 2022, 294, 119738. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2022.119738.