Tableau 9: Indice de maturité des fruits de clémentine en fonction des charges en fruits et des dates considérées ... 89 Tableau 10: Pourcentages des différentes formes de caroténoïdes, de sucres et d’acides
organiques, en fonction de la charge en fruits, à la date III... 96 Tableau 11: Diamètre, poids du fruit frais et indice de maturité, en fonction de la charge en
fruits (élevée, moyenne), du stade de développement auquel la charge a été appliquée (précoce, intermédiaire et tardif) et la méthode utilisée (défoliation ou ombrage) par rapport au témoin (charge en fruits faible) ... 99 Tableau 12: Concentrations en sucres totaux et en acides organiques totaux, en fonction de
la charge en fruits (élevée, moyenne), du stade de développement auquel la charge a été appliquée (précoce, intermédiaire et tardif) et la méthode utilisée (défoliation ou ombrage) par rapport au témoin (charge en fruits faible). ... 101 Tableau 13: Pourcentages des différentes molécules de caroténoïdes, de sucres et d’acides
organiques, respectivement, en fonction de la méthode utilisée (défoliation ou ombrage) pour une charge en fruits élevée appliquée précocement, après la chute physiologique du fruit. ... 107 Tableau 14: Concentrations en peroxyde d’hydrogène, dans la pulpe des fruits, en fonction
de l’intensité du stress photooxydatif ... 116 Tableau 15 : Concentrations en ascorbate réduit, en déshydroascorbate, et en ascorbate
total, dans la pulpe du fruit, en fonction de l’intensité du stress photooxydatif. ... 117
A
E
Fv/Fo : Réactions lumineuses pour laphotochimie primaire
Fv/Fm Rendement quantique
maximal du photosystème II
G
GDBH Théorie de l’équilibre entre la différenciation et la
LOD Limite de détection
MnSOD Superoxyde dismutase à manganèse NCED Dioxygénase clivant les
9-cis-apocaroténoïdes
R
SAA Acclimatation de systémique acquise
Ce travail a été réalisé au sein de l’unité GEQA « Génétique et Ecophysiologie de la Qualité des Agrumes » à l’INRA de Corse. Une partie de ce travail a fait l’objet d’une valorisation sous forme d’articles, de communications orales, et de posters.
ARTICLE PUBLIE :
Poiroux-Gonord F., Bidel L.P.R., Fanciullino A.L., Gautier H., Lauri-Lopez F., Urban L.
2010. Health benefits of vitamins and secondary metabolites of fruits and vegetables and prospects to increase their concentrations by agronomic approaches. Journal of Agricultural and Food Chemistry 58, 12065-12082.
ARTICLE SOUMIS :
Poiroux-Gonord F., Fanciullino A.L., Berti L., Urban L. Effect of fruit load on maturity and the concentration in carotenoids of Clementine fruits (Citrus clementina Hort. Ex Tan.).
Soumis à Journal of the Science of Food and Agriculture.
COMMUNICATION ORALE :
Gonord F., Fanciullino A.L., Berti L., Urban L. 2009. It is possible to increase the carotenoid concentrations of Citrus fruits by acting on environment factors. 3rd International Symposium on Human Health Effects of Fruits and Vegetables. Avignon, France.
POSTERS:
Gonord F., Berti L., Urban L. 2008. Effet des facteurs de l’environnement sur la teneur en caroténoïdes dans la pulpe de clémentine. Journée de l’école doctorale. Corte, France.
Urban L., Gonord F., Berti L., Sallanon H., Lauri F. 2008. Effet de l’agriculture biologique sur la valeur santé des fruits et légumes: réflexions et études en cours sur la clémentine et la tomate. DINABIO. Montpellier, France.
Gonord F., Fanciullino A.L., Berti L., Urban L. 2009. Sugars influence the biosynthesis of carotenoids in the pulp of clementine fruits (Citrus clementina). Les réserves végétales et leurs importances agronomiques et sylvicoles. Caen, France.
Gonord F., Fanciullino A.L., Berti L., Urban L. 2011. Effet de la charge en fruits sur la maturité et la concentration en caroténoïdes dans les fruits de la clémentine (Citrus clementina Hort. Ex Tan.). Journée de l’école doctorale. Corte, France.
Partie I : Introduction
Partie I : Introduction bibliographique
1 I. Les caroténoïdes et la santé humaine
Les plantes produisent une large diversité de molécules organiques. On appelle métabolites secondaires, celles qui ne sont pas impliquées directement dans les processus majeurs que sont la croissance et le développement. En accord avec la nomenclature adoptée par la Fondation Anglaise de Nutrition, les métabolites secondaires des plantes peuvent être divisés en trois groupes majeurs : les terpénoïdes (environ 25000 composés actuellement recensés), les alcaloïdes (environ 1200 composés) et les composés phénoliques (environ 8000 composés) (Goldberg, 2003). Contrairement aux métabolites primaires, les métabolites secondaires sont souvent inégalement répartis à travers les groupes taxonomiques du règne végétal. Parmi les métabolites secondaires, certains sont essentiels à la vie, les vitamines comme, par exemple les tocophérols. Cependant toutes les vitamines ne sont pas considérées comme des métabolites secondaires. C’est le cas de l’ascorbate, l’antioxydant principal chez les plantes et pour l’Homme. D’autres métabolites secondaires sont des provitamines. Ils sont convertis en vitamines dans l’intestin des animaux. Ainsi, la β-cryptoxanthine et le β-carotène, présents chez plusieurs fruits et légumes, sont des précurseurs de la vitamine A (Fraser et Bramley, 2004; Fraser et al., 2007; Krinsky, 1989).
Les fruits et légumes représentent la principale source de vitamines, et de métabolites secondaires (Kaur et Kapoor, 2001). Les bénéfices nutritionnels des fruits et des légumes sont partiellement attribuables à leurs fortes teneurs en vitamines et en composés secondaires (UNESCO, 2008). En 2008, l’Organisation Mondiale pour la Santé (OMS) a estimé que 63% des décès dans le monde sont dus aux maladies non transmissibles. Parmi ces maladies non transmissibles, 80% des décès sont dus aux maladies cardiovasculaires, aux cancers, aux maladies respiratoires et au diabète. Dans un rapport publié conjointement par l’Organisation Mondiale pour la Santé (OMS) et la FAO en 2003, il est recommandé de consommer au moins 400g, de fruits et légumes journellement (FAO, 2003). Bien que les bénéfices nutritionnels des fruits et des légumes frais aient été établis depuis longtemps, leur consommation demeure insuffisante. Dans certains pays, comme la France, malgré le nombre de campagnes d’informations organisées par le ministère de la santé et les associations, les quantités de fruits et légumes frais consommées restent inférieures aux recommandations de la FAO. Dans les pays développés, il peut être intéressant pour les
2 filières de proposer des fruits et des légumes avec des quantités augmentées ou garanties en micronutriments pour que les consommateurs n’aient pas besoin d’augmenter leur consommation journalière de fruits et de légumes. De même, les fruits et légumes enrichis en micronutriments permettraient aux populations des pays en voie de développement d’avoir une alimentation de meilleure qualité.
Contrairement aux glucides, aux lipides et aux protéines, qui sont hydrolysés en petites molécules assimilables lors de l’ingestion par l’Homme, les caroténoïdes précurseurs de la vitamine A (β-carotène, α-carotène et β-cryptoxanthine) sont convertis dans l’intestin en vitamine A. Les caroténoïdes précurseurs de la vitamine A (carotène, α-carotène et β-cryptoxanthine) sont des composants essentiels au régime alimentaire humain (Fraser et Bramley, 2004; Fraser et al., 2007; Krinsky, 1989). La vitamine A est impliquée dans la synthèse d’hormones, les réponses immunitaires, la régulation de la croissance et la différenciation cellulaire (Bender, 2003; Combs, 1995). La consommation accrue de fruits et légumes et un apport supplémentaire en caroténoïdes joueraient un rôle important dans la prévention de certaines formes de cancers, des maladies cardiovasculaires et de la dégénérescence maculaire. Par exemple, Miller et al. (2004) ont montré une association inverse entre la consommation de fruits et le risque de cancer du poumon chez les sujets non-fumeurs. Un effet protecteur des fruits et légumes sur les cancers des voies aéro-digestives supérieures (pharynx, larynx, œsophage,…) a également été observé par Boeing et al. (2006). De même, les teneurs en lycopène et en caroténoïdes totaux présentes dans le plasma et le risque de cancer de la prostate ont été corrélés négativement (Key et al., 2004).
La β-cryptoxanthine et la zéaxanthine seraient impliquées en association avec la vitamine C, le rétinol et l’α-tocophérol, dans la prévention des cancers gastriques et du cancer colorectal (Jenab et al., 2006). Des études récentes ont montré que le lycopène pourrait avoir des effets bénéfiques sur certaines lésions malignes dans la cavité buccale et pourrait donc contribuer à la prévention et au traitement des cancers (Lu et al., 2011). Des études épidémiologiques ont mis en évidence l’existence d’une corrélation négative entre le taux de caroténoïdes et l’augmentation du risque de maladies cardiovasculaires (Gaziano et al., 1995). Une forte concentration en caroténoïdes, et en particulier en zéaxanthine et en lutéine, est corrélée avec un moindre risque de dégénérescence sénile maculaire (Tavani et al., 1996).
3
Figure 1: Production d'agrumes (Source FAO).
A : Principales cultures fruitières mondiales ; B : Principales zones de productions des agrumes dans le monde ; C : Principaux pays producteurs d’agrumes dans le Bassin Méditerranéen.
4 Du fait de leur concentration et de leur composition en caroténoïdes, les agrumes sont un modèle d’étude idéal. En effet, les agrumes contiennent de forte concentrations en caroténoïdes et une grande diversité de caroténoïdes (Gross et al., 1987), dont la β-cryptoxanthine qui est une provitamine A. La β-β-cryptoxanthine et la violaxanthine sont les principaux caroténoïdes respectivement chez la clémentine et chez l’orange.
II. Le modèle d’étude : les agrumes
II.1. Importance économique
En 2009, la production mondiale a été de 124,4 millions de tonnes (Mt). La production d’agrumes est au 1er rang des productions fruitières devant la banane (95.6 Mt), la pomme (71,7 Mt), et le raisin (66,9 Mt) (Figure 1A). Cette production est composée à 60% d’oranges, à 22% de petits agrumes (clémentines et mandarines), à 12% de citrons et à 4% de pomelos.
Le reste de la production correspond à des cultures marginales comme le cédrat et le kumquat. Plus de la moitié de la production mondiale est destinée à la consommation de fruits frais, le reste étant transformé (Source FAO).
Les principales zones de production d’agrumes sont la Chine (25 Mt), le Brésil (20,5 Mt), le Bassin Méditerranéen (20 Mt) et les Etats-Unis (10,7 Mt), suivis par le Mexique (7,5 Mt) et l’Inde (7,2 Mt) (Figure 1B). Les productions issues du Brésil et des Etats-Unis sont principalement destinées à la transformation, tandis que les productions issues de la Chine et du Bassin Méditerranéen sont avant tout destinées à la consommation de fruits frais.
Au sein du Bassin Méditerranéen, les principaux pays producteurs sont l’Espagne (5,5 Mt), l’Italie (3,6 Mt), la Turquie (2,8 Mt), l’Egypte (2,6 Mt) et le Maroc (1,3 Mt) (Figure 1C) (Source FAO).
Partie I : Introduction bibliographique
5 II.2. Origine des agrumes
Les agrumes ont une origine asiatique. Ils sont issus des régions tropicales et subtropicales du nord-est asiatique, du nord-est de l’Inde, de la péninsule indochinoise et de l’archipel malais (Nicolosi, 2007). La diffusion des agrumes a eu lieu à travers le monde. Les conquêtes grecques et romaines en Asie Mineure et au Moyen-Orient ont permis la dispersion du cédrat. Les croisades et l’expansion de la civilisation islamique, quant à eux, ont permis de propager les agrumes acides, les échanges commerciaux et la découverte des nouveaux mondes ont permis l’introduction des orangers (Figure 2). La seule espèce non originaire d’Asie est le pomelo (Citrus paradisi Macf.) découvert par C. Colomb lorsqu’il est arrivé dans les Caraïbes. De nos jours, les agrumes sont cultivés dans le monde entier entre le 40ème parallèle nord et le 40ème parallèle sud.
La première espèce d’agrumes introduite et cultivée dans le Bassin Méditerranéen en 300 av. J.C. est le cédratier (C. medica L.). Le bigaradier (C. aurantium L.) a été introduit par les Arabes en Afrique depuis l’Inde puis diffusé en Méditerranée. La clémentine est une espèce récente, caractérisée au XXème siècle, originaire d’Afrique du Nord et issue d’un
Figure 2: Origine et dispersion des agrumes d'après Ollitrault et al. (2003).
6 croisement entre l’oranger doux et le mandarinier. Le bassin méditerranéen est une zone importante de diversification secondaire pour les orangers (C. sinensis (L.) Osbeck), les petits fruits d’agrumes: mandariniers et clémentiniers (C. reticulata Blanco et C. clementina Hort.
Ex Tan.), et les citronniers (C. Limon (L.) Burm.).
II.3. Classification des agrumes
Les agrumes appartiennent à la famille des Rutaceae, l’une des 21 familles composant l’ordre des Géréniales. Les Rutaceae comprennent 1600 espèces et 150 groupes regroupés en 7 sous-familles et 12 tribus. Les « agrumes vrais » regroupent 6 genres sexuellement compatibles de la famille des Rutaceae, de la sous-famille des Aurantioideae, et de la tribu des Citreae (Figure 3) (Swingle et Reece, 1967).
La majorité des espèces dont les fruits sont consommés appartiennent au genre Citrus.
Le genre Fortunella rassemble deux à sept espèces communément appelées kumquat. Le genre Poncirus, mono-spécifique, est utilisé comme porte-greffe du fait de ses résistances aux contraintes biotiques (Praloran, 1971). La classification des agrumes diverge selon les taxonomistes. Swingle et Reece (1967) ont identifié 16 espèces dont 8 comestibles alors que Tanaka (1961) a décrit 162 espèces.
Figure 3: Classification des Aurantioideae d’après Swingle et Reece (1967).
Partie I : Introduction bibliographique
7 II.4. Le fruit
Le fruit d’agrumes est un type spécial de baie appelé « hespéridium ». C’est un fruit
« vrai » né de la croissance et du développement d’un ovaire, composé d’un nombre variable d’unités, arrangées radialement en carpelles. Un petit fruit secondaire, appelé
« navel », est présent chez certaines espèces (Spiegel-Roy et Goldschmidt, 1996).
II.4.1. Structure du fruit
Les fruits d’agrumes sont composés de deux régions morphologiques distinctes, le péricarpe communément appelé la peau, et l’endocarpe, qui est la partie comestible du fruit connue sous le nom de pulpe (Figure 4).
La peau est composée de l’épicarpe ou flavedo qui est la couche externe colorée, et du mésocarpe ou albédo qui est la couche interne blanche riche en glandes à huiles essentielles.
Durant les premiers stades du développement du fruit, le flavedo est un tissu vert photosynthétique (Spiegel-Roy et Goldschmidt, 1996). Au cours de la maturation, la chlorophylle est dégradée et les chloroplastes sont transformés en chromoplastes riches en caroténoïdes. La pulpe qui est la partie comestible du fruit, est composée de segments qui sont entourés d’une membrane et remplis de sacs à jus (Spiegel-Roy et Goldschmidt, 1996).
Figure 4: Structure du fruit d'agrumes d'après Praloran (1971).
8
Figure 5: Croissance et développement du fruit d'après Spiegel-Roy et Goldschmidt (1996) et Tadeo et al. (2008).
Partie I : Introduction bibliographique
9 II.4.2. Développement du fruit
La croissance et le développement des fruits suivent une courbe de croissance sigmoïde typique, divisée en trois phases : la division cellulaire (phase I), le grossissement cellulaire (phase II) et la maturation des fruits (phase III) (Figure 5A) (Bain, 1958).
La phase initiale, ou phase I, est caractérisée par la division cellulaire et un faible grossissement cellulaire. Cette phase dure entre cinq et dix semaines après la floraison (Spiegel-Roy et Goldschmidt, 1996). Par la suite, pendant la période de croissance rapide (phase II), les fruits subissent une très forte augmentation de la taille par grossissement cellulaire et accumulent des réserves et de l’eau. Cette période dure de 4 à 6 mois (Mehouachi et al., 1995). La phase III, également définie comme la période de maturation, où la croissance ralentit très fortement. L’accumulation des sucres dans les fruits commence lors de la phase II pour atteindre un maximum au stade de maturité tandis que l’accumulation des acides organiques atteint son maximum au milieu de la phase II (Figure 5B). Ensuite, une diminution de la quantité d’acide est observée. Les fruits mûrs, sont caractérisés par une faible acidité (Iglesias et al., 2007). L’accumulation massive de caroténoïdes est concomitante à la dégradation de la chlorophylle (Figure 5C) (Kato et al., 2004).
La quantité de caroténoïdes est faible au début du développement des fruits. Au cours du changement de couleur des fruits (passage de la couleur verte à la couleur orange), on observe une diminution en carotènes (β-, α-, δ-, et ζ-carotènes) et en β,ε-xanthophylles (lutéine) et une augmentation de β,β-xanthophylles (β-cryptoxanthine, zéaxanthine et violaxanthine) (Kato et al., 2004; Rodrigo et al., 2004). A maturité, les petits fruits tels que la mandarine accumulent préférentiellement de la β-cryptoxanthine (Goodner et al., 2001;
Ikoma et al., 2001) tandis que les oranges accumulent de la violaxanthine (Lee, 2001).
II.5. Valeur nutritionnelle des fruits
La pulpe des fruits d’agrumes est composée à 85-90% d’eau (Erickson, 1968). A côté des sucres solubles, des acides organiques dont la vitamine C, des acides aminés, et de la
10 pectine, on trouve des composés secondaires (flavonoïdes, anthocyanes, et caroténoïdes) et des minéraux (Spiegel-Roy et Goldschmidt, 1996).
Il existe une grande diversité de caroténoïdes chez les agrumes. Leurs concentrations sont spécifiques des espèces (Tableau 1).
cis-violaxanthine 0,670 10,581 3,261
zéaxanthine 0,682 0,853 0,830
phytoène 2,130 1,126 0,758 0,946
β-cryptoxanthine 0,165 10,287 2,694 9,087
phytofluène 1,711 1,267 0,703 1,265
La pulpe des agrumes a une composition complexe en caroténoïdes, elle peut contenir jusqu’à 40 molécules différentes (Rouseff et al., 1996). Les agrumes peuvent être classés en trois groupes. Le groupe des mandarines, clémentines et oranges, est caractérisé par une forte concentration en caroténoïdes totaux et notamment en xanthophylles. La β-cryptoxanthine est le composant majeur des clémentines et des mandarines tandis que la cis-violaxanthine s’accumule préférentiellement chez l’orange. Le groupe des citrons et des limes est caractérisé par une faible concentration en caroténoïdes, tandis que le groupe des pomelos est riche en lycopène (Fanciullino et al., 2006).
11
Figure 6: Métabolisme des sucres et des acides organiques d’après Buchanan et Balmer (2005) et Taiz et Zieger (2006).
ALD : aldolase ; ATP-PFK: phosphofructokinase dépendante de l’ATP; CoA-SH : coenzyme A ; CS : citrate synthase ; HK : hexokinase ; IDH : isocitrate déshydrogénase ; INV : invertase ; PPi : pyrophosphate ; PPi-PFK: phosphofructokinase dépendante du PPi ; PDH : pyruvate déshydrogénase ; PK : pyruvate kinase ; SS : saccharose synthase.
12 III. La qualité des fruits
Chez les agrumes, la qualité des fruits est liée à plusieurs propriétés physiques incluant la taille, la forme, la couleur, la texture, le nombre de graines, la facilité d’épluchage,… et à des composés chimiques : sucres, acides, composés aromatiques volatils, vitamine C et caroténoïdes (Iglesias et al., 2007). Même si l'aspect extérieur des fruits n'est pas déterminant dans la qualité du fruit, une belle couleur orange est habituellement exigée sauf chez le pomelo et le citron. Les caroténoïdes, intervenant dans la coloration des fruits, et le rapport sucres/acidité, essentiel pour le goût représentent les plus importants indicateurs de la qualité des agrumes. La teneur de ces composés est variable d’une variété à une autre et selon le stade de développement du fruit (Iglesias et al., 2007). La qualité du fruit est déterminée pour une grande partie par leur croissance et la charge en fruits, mais également par les conditions environnementales, l’intensité lumineuse, la température, l’humidité du sol et les conditions biotiques et abiotiques (Davies et Albrigo, 1994; Iglesias et al., 2008;
Spiegel-Roy et Goldschmidt, 1996). Les caractéristiques les plus appréciées des agrumes destinés à la transformation sont liés à la qualité interne du fruit qui est une fonction de la saveur et du goût (Tadeo et al., 2008). La qualité des fruits est propre aux préférences des consommateurs qui varient considérablement selon les pays.
III.1. Le métabolisme des sucres et des acides organiques
Les sucres et les acides sont les principaux facteurs déterminants du goût des fruits.
Ainsi, le rapport sucres/acidité est généralement utilisé pour la détermination du stade optimal de récolte de la plupart des fruits d’agrumes (Loussert, 1989).
La variation des concentrations en sucres et en acides organiques dépend de l’équilibre entre la synthèse, la dégradation et le stockage des métabolites (Figure 6) (Ruffner, 1982; Tucker et al., 1993).
Le métabolisme des sucres débute par la formation du saccharose. Le saccharose est produit dans les cellules du mésophylle des feuilles et exporté vers le phloème pour être
Partie I : Introduction bibliographique
13 transporté dans les organes non photosynthétiques, tels que les sacs à jus présents dans les fruits d’agrumes (Taiz et Zeiger, 2006).
Dans le cytoplasme des cellules des sacs à jus, le saccharose est hydrolysé en glucose et fructose via l’action de l’invertase et/ou de la saccharose synthase (une réaction réversible qui permet également la synthèse dans le cytoplasme du saccharose à partir du fructose et du glucose). L’hexokinase phosphoryle le glucose et le fructose en glucose-6-phosphate et fructose-6-glucose-6-phosphate. Le fructose-6-glucose-6-phosphate sert de substrat aux phosphofructokinases (ATP et PPi dépendantes) pour former le fructose-1,6-bisphosphate.
Ce dernier est converti en dihydroxyacétone phosphate et en glyceraldehyde-3-phosphate, le précurseur du phosphoénolpyruvate et du pyruvate. Au niveau du cytoplasme, le saccharose peut également être re-synthétisé à partir du glucose et du fructose via la saccharose phosphate synthase, la saccharose phosphatase ou la saccharose synthase (Kubo et al., 2001; Richardson et al., 1997). Les acides organiques sont synthétisés directement dans les mitochondries des cellules des sacs à jus (Tucker et al., 1993; Varma et Ramakrishnan, 1956), dans le cycle de Krebs (acide citrique, malique et succinique) ou directement dans le cytoplasme (acide ascorbique) (Bogin et Wallace, 1966; Sinclair, 1984;
Tucker et al., 1993).
Le pyruvate et le phosphoénolpyruvate servent de précurseurs à la synthèse des acides organiques. L’acétyl-CoA est produit à partir du pyruvate via la pyruvate déshydrogénase. La condensation de l’acétyl-CoA avec l’oxaloacétate permet la formation du citrate. Cette réaction de condensation est catalysée par la citrate synthase. En fonction des besoins énergétique de la cellule, le citrate est soit converti dans la mitochondrie en isocitrate, soit exporté vers le cytoplasme puis, éventuellement vers la vacuole pour y être stocké (Chen et Gadal, 1990).
III.2. Le métabolisme des caroténoïdes
Les caroténoïdes forment l’une des plus importantes classe de pigments des plantes et jouent un rôle crucial dans la définition des paramètres de la qualité des fruits et des légumes (Van den Berg et al., 2000).
14 III.2.1. Structure des caroténoïdes
La structure basique des caroténoïdes est un squelette terpénique symétrique formé par la conjugaison de deux unités composées de 20 atomes de carbone (Van den Berg et al.,
La structure basique des caroténoïdes est un squelette terpénique symétrique formé par la conjugaison de deux unités composées de 20 atomes de carbone (Van den Berg et al.,