PARTIE I : INTRODUCTION
III. 2.4.1.2. Les étapes clés de la voie de biosynthèse des caroténoïdes
III.2.4.1.2. Les étapes clés de la voie de biosynthèse des caroténoïdes
Plusieurs étapes de la voie de biosynthèse des caroténoïdes sont connues pour être des étapes régulatrices (Figure 18).
La PSY est une enzyme flux-déterminante (Cazzonelli et Pogson, 2010; Romer et al., 2000; Shewmaker et al., 1999; Stalberg et al., 2003) et le principal contrôle de la voie en aval de la GGPP (coefficient de contrôle du flux = 0,36) (Fraser et al., 2002). L’augmentation de l’expression de la Psy chez les bactéries et les plantules transgéniques d’Arabidopsis thaliana a montré une augmentation de la concentration en caroténoïdes (Shewmaker et al., 1999;
Stalberg et al., 2003). De plus elle réagit aux facteurs environnementaux (Cazzonelli et Pogson, 2010).
De même, de nombreuses études indiquent que les étapes de biosynthèse des caroténoïdes catalysées par la PDS (coefficient de contrôle du flux = 0,1), LCY-β ou HY-β peuvent être des étapes limitantes. L’augmentation de l’expression de Pds, par addition de copie du gène chez E. coli induit une augmentation de l’accumulation de caroténoïdes (Kajiwara et al., 1997). L’augmentation de l’expression de la Lcy-β résulte également en une augmentation des niveaux en caroténoïdes totaux (Ronen et al., 2000; Rosati et al., 2000).
L’enzyme HY-β joue également un rôle crucial dans la régulation. Chez Arabidopsis thaliana, trois gènes sont impliqués, Chy1, Chy2 et P450. Un mutant chy1chy2, inhibant l’expression de ces gènes, montre une augmentation en caroténoïdes totaux, en β-carotène, en
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37 violaxanthine et en phytoène mais une diminution en zéaxanthine (Fiore et al., 2006). De la même façon, l’augmentation de l’expression de la Hy-β chez Arabidopsis thaliana résulte en la conversion de β-carotène en xanthophylles (Du et al., 2010). Chez les tubercules de pomme de terre, l’augmentation de l’expression de la Psy, de la Pds, de la Zds, de la Crtiso et de la Lcy- β ou l’étude des mutants chy1, chy2, lut5 (β-HY) et lcy-β amènent à l’accumulation de β-carotène (Diretto et al., 2010; Diretto et al., 2006).
III.2.4.2. Rôle de la lumière
La lumière a un rôle régulateur dans la biosynthèse des caroténoïdes chez les plantes (Giuliano et al., 2003; Von Lintig et al., 1997; Welsch et al., 2000; Welsch et al., 2003;
Woitsch et Romer, 2003). Alba et al. (2000) ont montré que les phytochromes transmettent le signal lumineux requis pour la pigmentation des fruits lors de la maturation. Chez la tomate, les mutants hp1 et hp2 caractérisés par une augmentation de la concentration en caroténoïdes, sont hypersensibles à la lumière (Peters et al., 1989). De même les niveaux d’ARNm du gène Psy sont plus élevés dans les feuilles de tomate (Giuliano et al., 2003) et d’Arabidopsis thaliana (Von Lintig et al., 1997) lorsqu’elles sont exposées à la lumière. Les résultats obtenus par Liu et al. (2004), sur les fruits de tomate, par l’étude mutant hp1 qui présente une mutation au niveau d’un gène codant pour une protéine impliquée dans la transmission du signal lumineux, suggèrent que la lumière est également impliquée dans la synthèse des caroténoïdes au niveau des chromoplastes.
L’expression des gènes de la voie du MEP peut également être régulée par la lumière (Carretero-Paulet et al., 2002; Estevez et al., 2001; Rodriguez-Concepcion et al., 2004). Chez Arabidopsis thaliana, l’étude de mutants hypo-sensibles à la lumière montre que les voies de perception et de transduction du signal lumineux régulent la voie du MEP au niveau de la DXPS et de la DXR (Rodriguez-Concepcion et al., 2004).
III.2.4.3. Rôle du statut redox des plastoquinones
Le contrôle redox est connu pour être un mécanisme régulateur majeur de la voie de biosynthèse des caroténoïdes (Pfannschmidt et al., 2001).
38 La désaturation du phytoène par la phytoène désaturase et celle du carotène par la ζ-carotène désaturase, est une réaction complexe nécessitant des co-facteurs et une étape d’oxydation, durant laquelle un électron est transféré du phytoène à la plastoquinone (Voir réaction p.29). Chez le tabac, lorsque le transport d’électrons photosynthétiques et la réduction de la plastoquinone ont été inhibés par le 3-(3,4-dichlorophényle)-1,1 diméthylurée (DCMU), une augmentation des niveaux de transcrits de la β-carotène hydroxylase et de la zéaxanthine époxydase, est observée ainsi qu’une augmentation de la quantité de pigments photosynthétiques. Les niveaux de transcrits des gènes Hy-β et Zep sont également régulés par le statut redox des plastoquinones (Woitsch et Romer, 2003). En effet ils nécessitent, tout comme PDS et ZDS, un rapport PQ/PQH2 élevé (Steinbrenner et Linden, 2003).
III.2.4.4. Rôle des produits finaux
L’expression de la Dxs peut être inhibée par des intermédiaires de la voie du MEP tels que le déoxyxylulose, chez la tomate (Lois et al., 2000; Rodriguez-Concepcion et al., 2001).
Chez des tomates surexprimant de façon constitutive le gène Pds, une diminution de la quantité de caroténoïdes totaux a été observée (Giuliano et al., 2000). La surexpression de la désaturase d’origine bactérienne, qui transforme le phytoène en lycopène, dans des plants de tomates est responsable de l’obtention de fruits présentant des teneurs accrues en β-carotène mais, avec des concentrations en caroténoïdes totaux 2,5 fois plus faibles par rapport aux fruits des plants non transformés. Ce phénotype est dû à l’augmentation de l’expression de la lycopène β-cyclase, à la diminution de l’expression du gène codant pour la phytoène synthase, et à l’augmentation des teneurs en β-carotène (Botella-Pavia et Rodriguez-Concepcion, 2006). Ces études suggèrent un rétrocontrôle négatif sur l’expression des gènes Psy et Pds par le β-carotène ou l’un de ses métabolites.
Cazzonelli et Pogson (2010) soulignent l’existence d’une interaction entre la voie de biosynthèse des caroténoïdes et la voie du méthylérythritol phosphate dans la régulation de DXPS. En effet, la DXPS peut être rétrocontrôlée par une accumulation de caroténoïdes chez la tomate (Lois et al., 2000; Rodriguez-Concepcion et al., 2001). L’augmentation de
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39 l’expression de la Psy chez un transgène d’Arabidopsis thaliana, induit une augmentation des ARNm de la Dxps, ce qui révèle un mécanisme de rétrocontrôle initié par la PSY qui stimule les substrats de le voie du MEP (Rodriguez-Villalon et al., 2009a, b).
III.2.4.5. Rôle du stockage des caroténoïdes
La biogenèse des organites, tels que les chloroplastes, est déterminante dans la taille et le nombre des compartiments de stockage des plastes et peut affecter l’accumulation des caroténoïdes (Cazzonelli et Pogson, 2010).
Chez le chou-fleur, le mutant or, dont le niveau de transcrit des gènes impliqués dans la biosynthèse des caroténoïdes est identique à celui des plantes témoins, présente une augmentation de la concentration en β-carotène. Cette accumulation de β-carotène dans les chromoplastes révèle que la différenciation des plastes est un mécanisme important dans le contrôle de l’accumulation des caroténoïdes dans les plantes (Li et al., 2001). Chez la tomate, le mutant hp1 montre une augmentation des niveaux en caroténoïdes dus à l’augmentation du nombre et de la taille des plastes (Cookson et al., 2003). Chez la tomate, des mutants hp2dg ont montré une augmentation, au stade mature, des métabolites ayant une activité antioxydante : caroténoïdes, tocophérols et acide ascorbique, en même temps qu’une augmentation du nombre de cellules dans le fruit, une augmentation du nombre de chloroplastes par cellule, et une augmentation du volume des chloroplastes (Bino et al., 2005). Cette étude a été complétée par une étude des gènes impliqués (Kolotilin et al., 2007). L’expression des gènes impliqués dans la voie du méthylérythritol phosphate synthétisant les précurseurs nécessaires à la biosynthèse des caroténoïdes, ceux impliqués dans la biogénèse des chlorophylles, ainsi que ceux impliqués dans la photosynthèse est augmentée (Kolotilin et al., 2007). Il y a apparemment une coordination entre les mécanismes moléculaires dirigeant la biogénèse des plastes et ceux impliqués la biogénèse des métabolites secondaires (Kolotilin et al., 2007).
Dans les fruits mûrs de tomate, le mutant hp3 est caractérisé par un déficit de 75%
d’acide abscissique, une augmentation de 60% des niveaux de transcrits du gène FtsZ codant pour une protéine de tubuline impliquée dans la division des plastes et une concentration en
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Tableau 2: Effets positifs des facteurs de l’environnement, la lumière, la température, l’approvisionnement en carbone, la sécheresse, la salinité et la fertilisation azotée, sur la concentration en caroténoïdes par rapport à la matière fraîche dans différents fruits d’après Poiroux-Gonord et al. (2010).
Facteurs environnementaux Espèces Composés Effets Références
Faible température moyenne journalière Solanum lycopersicum L. β-carotène ++ (Koskitalo et Ormrod, 1972)
Forte exposition à la lumière Malus domestica Borkh. cv. Gala caroténoïdes totaux + (Li et Cheng, 2008)
Spectre de lumière (lumière bleue) Solanum lycopersicum L. lycopène et β-carotène + (Gautier et al., 2005b)
Forte radiation UV-B Malus domestica Borkh. β-carotène + (Rudell et al., 2002)
Rapport feuilles sur fruit élevé Mangifera indica L. caroténoïdes totaux ++ (Joas, 2008)
Citrus unshiu [Mak.] Marc. caroténoïdes totaux ++ (Iglesias et al., 2001)
Fortunella crassifolia Swingle β-cryptoxanthine +++ (Kondo et al., 2005)
Sécheresse Solanum lycopersicum L. cv. Mini Carol, cv.
Cherry Pink, cv. Yellow Carol
caroténoïdes totaux + (Matsuzoe et al., 1998) Spinacia oleracea L. β-carotène, lutéine, néoxanthine et
violaxanthine
+ (Leskovar et al., 2007)
Salinité élevée Lactuca sativa L. caroténoïdes totaux ++/+++ (Kim et al., 2008)
Capsicum annuum L. lycopène + (Navarro et al., 2006)
Solanum lycopersicum L. lycopène et β-carotène ++ (De Pascale et al., 2001)
Solanum lycopersicum L. lycopène et β-carotène +/++ (Krauss et al., 2006)
Conductance électrique élevée Solanum lycopersicum L. carotènes ++ (Wu et al., 2004)
Teneur en azote élevée Capsicum annuum L. lycopène et β-carotène +/++ (Flores et al., 2004)
Solanum lycopersicum L. lycopène +/++ (Aziz, 1968)
Citrus, Solanum tuberosum L., Solanum lycopersicum L.
carotènes + (Mozafar, 1993)
+, jusqu’à + 30% ; ++, de +30% à +100% ; +++, supérieur à +100% .
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