La diversité des formes alléliques des gènes de biosynthèse des caroténoïdes peut avoir deux implications majeures Les mutations peuvent affecter la régulation de l’expression du gène. Elles peuvent également conduire à la formation d’une enzyme à l’activité spécifique modifiée, voire non fonctionnelle. Nous détaillerons les études ayant isolé diverses formes alléliques impliquées dans de telles modifications en prenant d’abord l’exemple de la tomate, espèce chez laquelle de nombreux mutants sont disponibles. Nous ferons ensuite un bilan sur les travaux effectués sur les agrumes qui apportent des connaissances sur la diversité allélique des gènes de biosynthèse des caroténoïdes.
Chez la tomate, deux gènes codant pour la phytoène synthétase ont été isolés. L’un,
Psy-1, code pour une enzyme spécifique des chromoplastes et est surexprimé au cours de la
maturation des fruits tandis que l’autre code pour une enzyme spécifique des tissus photosynthétiques (BARTLEY et SCOLNIK, 1993). De même, deux gènes codant pour la lycopène β-cyclase (LCY-b ou CRTL-b) ont été isolés chez la tomate grâce à l’étude des mutants Beta (B) et old-gold (og) (RONEN et al., 2000). Un seul gène B est responsable du phénotype du mutant Beta qui accumule du β-carotène à la place du lycopène. B code pour une lycopène β-cyclase dont la séquence d’acides aminés est identique à 53,2% à celle de la lycopène β-cyclase présente chez le type commun et à 86,1% à la séquence de la capsanthine-capsorubine synthétase du poivron. Chez le type commun, B est exprimé uniquement dans les chromoplastes des fleurs et des fruits et son niveau de transcription reste faible dans les fruits alors qu’il augmente fortement dans les fruits du mutant Beta au cours de la maturation. Le mutant old-gold ne synthétise pas de β-carotène et accumule des quantités accrues de lycopène par rapport au type commun. Ce phénotype est dû à une mutation du gène B qui est responsable de la formation d’une lycopène β-cyclase non fonctionnelle. L’étude de ces mutants a permis de mettre en évidence la présence de plusieurs gènes codant pour la lycopène β-cyclase et l’importance des différentes formes alléliques tant pour le niveau de transcription de ces gènes que pour l’activité des enzymes correspondantes. De même, toujours chez la tomate, le phénotype du mutant Delta qui accumule du δ-carotène à la place du lycopène est lié à la présence d’un allèle spécifique du gène Lcy-e (ou Crtl-e). Cet allèle
Figure 17. Mécanismes de déshydrogénation du phytoène et régénération des cofacteurs des enzymes PDS et ZDS dans les chloroplastes chez Lycopersicum esculentum ou Arabidopsis
thaliana. PQH2 H2O O2 PSI PDS ZDS PET PTOX ζ-Carotène Lycopène Membrane du thylakoïde
PDS, phytoène désaturase; ZDS, ζ-carotène désaturase; PQ, plastoquinone; PQH2, plastohydroquinone:
plastiquinone réduite; PTOX, oxydase terminale plastidiale; PET, transporteur d’électron plastidial; PSI, photosystème I. PQH2 H2O O2 PSI PDS ZDS PET PTOX ζ-Carotène Lycopène Membrane du thylakoïde
PDS, phytoène désaturase; ZDS, ζ-carotène désaturase; PQ, plastoquinone; PQH2, plastohydroquinone:
plastiquinone réduite; PTOX, oxydase terminale plastidiale; PET, transporteur d’électron plastidial; PSI, photosystème I.
Introduction, Etat des Lieux des connaissances
57 est responsable de l’augmentation de l’expression du gène Lcy-e et il diffère de l’allèle du type commun au niveau de la séquence du promoteur (RONEN et al., 1999). La diversité allélique peut également affecter la fonctionnalité de l’enzyme par une modification de localisation via la modification de leur séquence d’adressage ou des protéines de transports. En effet, les enzymes de la voie de biosynthèse des caroténoïdes, codées par des gènes nucléaires, sont formées dans le cytoplasme et sont ensuite transportées dans les plastes. Dans les chromoplastes des fleurs de Narcissus pseudonarcissus, deux formes de phytoène désaturase (PDS) ont été isolées. L’une soluble, présente dans le stroma et qui est inactive et l’autre qui est liée à la membrane et qui est active (AL-BABILI et al., 1996). La phytoène désaturase qui catalyse l’introduction de deux doubles liaisons à partir du phytoène pour former le ζ-carotène agit en présence de plastoquinone et d’un accepteur final d’électrons lié aux membranes (Figure 17). D’où l’importance de la localisation de cette enzyme pour que celle-ci soit fonctionnelle. Ceci met en évidence l’importance des différentes formes alléliques des gènes de biosynthèse pour la synthèse d’enzymes fonctionnelles et aussi l’importance des allèles des gènes codant pour des cofacteurs ou des protéines de transports.
Chez les agrumes, RODRIGO et al. (2003) ont étudié la composition en caroténoïdes d’un mutant de l’orange « Navelate » appelé « Pinalate ». Ce mutant accumule des carotènes (phytoène, phytofluène et ζ-carotène) dans le flavédo des fruits à la place des xanthophylles. Ce phénotype semble être associé à la présence d’une ζ-carotène désaturase inactive ou à un défaut d’un cofacteur de cette enzyme. Cependant, les bases moléculaires responsables de ce phénotype n’ont pas été élucidées. La localisation des enzymes de la voie de biosynthèse des caroténoïdes et leur activité chez les agrumes a fait l’objet d’une récente étude (INOUE et al., 2006). Ces informations sont nécessaires pour la compréhension des mécanismes de régulation. Chez les agrumes, la phytoène synthétase est partiellement liée aux membranes des plastes, la phytoène désaturase semble soluble dans le stroma, les deux lycopènes cyclases sont présentent sous deux formes : l’une soluble dans le stroma et l’autre liée aux membranes tandis la β-carotène hydroxylase est une protéine membranaire. Cependant ces études ont été réalisées à partir de la détermination des séquences codant pour PSY, PDS, LCY-b, LCY-e et HY-b grâce à l’extraction des ARNm du flavédo des fruits de l’orange navel et de la mandarine Satsuma. Ainsi, d’autres formes alléliques codant pour des protéines différentes peuvent être présentes dans d’autres tissus ou d’autres espèces d’agrumes. Ainsi la connaissance du nombre de copie des gènes de biosynthèse et de la variabilité allélique chez les différentes espèces d’agrume est importante pour la compréhension des mécanismes de régulation à l’origine des différences phénotypiques au niveau interspécifique. De plus ces informations sur la variabilité allélique sont utiles pour la création de nouvelles variétés.