Catabolisme des caroténoïdes

Les caroténoïdes sont dégradés par deux types de réaction : les réactions catalysées par des enzymes (NCED, CCD) et les réactions non enzymatiques (lumière, oxydation). Les teneurs en caroténoïdes déterminées à un temps donné correspondent au bilan entre la synthèse et le catabolisme. Synthèse et dégradation sont contrôlés pour maintenir certaines teneurs en caroténoïdes dans les tissus des plantes. La connaissance des réactions de dégradation des caroténoïdes est nécessaire pour l’étude des mécanismes de régulation des compositions en caroténoïdes des fruits d’agrumes. Les caroténoïdes sont métabolisés en apocaroténoïdes qui jouent un rôle important dans la régulation de l’expression des gènes et l’adaptation des plantes à leur environnement. Les produits de dégradation sont des phytohormones, des composés de défense de la plante et des composés aromatiques. Ces produits sont détaillés ci-dessous.

I.2.3.3.1. Réactions enzymatiques

La 9-cis époxy hydroxy caroténoïde dioxygénase (NCED) catalyse la réaction de clivage des caroténoïdes en position C-11,12. Le gène codant pour cette enzyme a été isolé et séquencé chez plusieurs plantes dont le maïs (Zea mays, SCHWARTZ et al., 1997), la tomate

Figure 16. Utilisation de la violaxanthine pour la synthèse de l’acide abscissique. 1. NCED 9-cis-Violaxanthine Xanthoxime Acide abscissique Epoxy-apocaroténal C₂₅

1. NCED, 9-cis-époxy hydroxy caroténoïde dioxygénase. 1 2 3 ⁴ 5 6 7 ₈ 9 10 11 12 13 14 15 15’ 14’ 13’ 12’ 11’ 10’ 9’ 8’ 7’ 1’ 2’ 3’ 4’ 5’ 6’ 1. NCED 9-cis-Violaxanthine Xanthoxime Acide abscissique Epoxy-apocaroténal C₂₅

1. NCED, 9-cis-époxy hydroxy caroténoïde dioxygénase. 1 2 3 ⁴ 5 6 7 ₈ 9 10 11 12 13 14 15 15’ 14’ 13’ 12’ 11’ 10’ 9’ 8’ 7’ 1’ 2’ 3’ 4’ 5’ 6’

(Lycopersicon esculentum, BURBIDGE et al., 1999), Arabidopsis thaliana (IUCHI et al., 2001 ; TAN et al., 2003) et les agrumes (Citrus, KATO et al., 2006 ; RODRIGO et al., 2006). Neuf gènes codant pour NCED ont été isolés chez Arabidopsis (TAN et al., 2003). Chez les agrumes KATO et al. (2006) et RODRIGO et al. (2006) ont isolé deux séquences codant pour NCED. Les analyses in vitro ont montré que NCED utilise la violaxanthine, la 9-cis-néoxanthine ou la 9-cis-zéaxanthine comme substrat pour former un époxy-apocaroténal en C25 puis la xanthoxine en C15, précurseur de l’acide abscissique (voir Figure 16.). L’enzyme reconnaît les groupes 3-hydroxyles et 5,6-époxyde ; la double liaison cis en position 9 semble nécessaire (SANDMANN et al., 2006). L’acide abscissique est important pour le développement des graines et l’adaptation des végétaux aux conditions environnementales (LEUNG et GIRAUDAT, 1998). D’après KATO et al. (2006), CitNCED2 et CitNCED3 catalysent le clivage de la 9-cis-violaxanthin en position C-11,12 pour former la xanthoxine. Chez la mandarine (C. unshiu) et le citron (C. limon) l’augmentation de l’expression du gène

CitNced2 dans le flavédo et dans les sacs à jus des fruits s’accompagne de l’accumulation de

l’acide abscissique tandis que dans les sacs à jus de l’orange (C. sinensis), il n’y a pas d’augmentation de l’expression du gène CitNced2 et des teneurs en acide abscissique. D’après RODRIGO et al. (2006) CsNced1 est exprimé dans les feuilles et dans les fruits et CsNced2 est plus spécifique des chromoplastes. De plus la 9-cis-violaxanthine semble être le substrat des caroténoïdes dioxygénases dans le flavédo des fruits tandis que dans les feuilles, la 9’-cis-néoxanthine est le substrat utilisé pour former l’acide abscissique.

Les caroténoïdes dioxygénases (CCD) catalysent le clivage de nombreux caroténoïdes en position C-9,10 (C-9’,10’) pour former un dihaldéhyde en C14 et deux produits en C13

(SCHWARTZ et al., 2001). Les produits formés dépendent du substrat. Ainsi, la coupure du

β-carotène catalysée par CCD1 conduit à la formation de l’apocaroténoïde volatil, β-ionone,

arôme important chez les fleurs et les fruits (SCHWARTZ et al., 2001). Ce gène a été séquencé chez Arabidopsis thaliana (SCHWARTZ et al., 2001), la tomate (Lycopersicon

esculentum, SIMKIN et al., 2004) et Crocus sativus (BOUVIER et al., 2003a). Chez Crocus sativus, un gène similaire (Zcd) codant pour une CCD catalysant le clivage en position C-7,8

(C-7’-8’) a été isolé (BOUVIER et al., 2003a). La zéaxanthine dioxygénase (ZCD) utilise la zéaxanthine comme substrat pour former un précurseur de la crocétine. Chez Crocus sativus, ZCD est localisée dans les plastes et le gène codant pour cette enzyme est uniquement exprimé dans les tissus du style tandis que CCD se trouve dans le cytoplasme et le gène correspondant est exprimé dans les fleurs et les feuilles. De plus, toujours chez cette espèce, CCD catalyse les réactions conduisant à la synthèse de l’arôme de safran (BOUVIER et al., 2003a). Les travaux sur la tomate ont permis d’isoler deux gènes codant pour une caroténoïde

Introduction, Etat des Lieux des connaissances

50 dioxygénase (CCD) dont l’un est fortement exprimé dans les fruits au cours de la maturation (SIMKIN et al., 2004). Récemment, le gène codant pour une lycopène dioxygénase (LCD), clivant le lycopène en position C-5,6 (C-5’,6’), a été isolé chez Bixia orellana. Cette enzyme est impliquée dans la synthèse de la bixine (BOUVIER et al., 2003b). L’enzyme CitCCD1, isolée chez les agrumes, peut utiliser la β-cryptoxanthine, la zéaxanthine, la trans ou cis-violaxanthine comme substrat (KATO et al., 2006). L’expression du gène codant pour CitCCD1 augmente dans le flavédo et les sacs à jus de la mandarine (C. ushiu), de l’orange (C. sinensis) et du citron (C. limon) au cours de la maturation des fruits.

I.2.3.3.2. Autres dégradations

La principale dégradation a lieu dans les feuilles par un phénomène de photooxidation. Le

β-carotène présent au niveau des photosystèmes est transformé en β-carotène-5,6-époxyde. La

quantité de caroténoïdes dégradés dans les feuilles du poivron soumises à une forte lumière est estimée à 1 mg par jour. Ces pertes sont supérieures aux quantités synthétisées ce qui entraîne une diminution des caroténoïdes sous ces conditions (SIMKIN et al., 2003a). D’autres produits d’oxydation peuvent être formés. Des analyses in vitro ont montré que l’oxydation du β-carotène par l’action de l’oxygène singulet conduit principalement à la formation du β-carotène-5,6-époxyde et du β-carotène-5,8-endopéroxyde (YAMAUCHI et

al., 1998). Les autres produits d’oxydation sont des composés à 4 ou 6 atomes d’oxygènes.

Des oxydations plus poussées entraînent la coupure de la structure à 40 atomes de carbone pour donner des produits difficiles à analyser. D’autres analyses in vitro ont montré que le β-carotène pouvait être oxydé en apo-carotenals (β-apo-14’-caroténal et β-apo-13-caroténone) (HENRY et al., 2000). Les mécanismes d’oxydation in vivo sont encore mal compris.

I.2.4. Mécanismes de régulation de l’accumulation des caroténoïdes dans les fruits et en