Le remplissage du grain

Durant la phase de remplissage, le poids de la graine augmente et des macromolécules de réserve (protéines, lipides et carbohydrates) s'accumulent. Dans notre étude, nous avons mis en évidence deux groupes distincts de gènes préférentiellement exprimés durant cette période : le cluster II constitué de gènes avec un maximum d’expression à 16 JAP, au début de la phase de remplissage, et le cluster III composé de gènes exprimés plus tardivement à 20-24 JAP. Même si ces deux groupes correspondent au même processus développemental, nous pouvons constater des différences dans les processus métaboliques les caractérisant. Pour analyser quels sont les processus clefs durant ces étapes de remplissage, nous avons utilisé l’outil PathExpress (disponible sur internet :

http://bioinfoserver.rsbs.anu.edu.au/utils/PathExpress/) qui permet de mettre en évidence les voies métaboliques qui sont les plus soumises à régulation à partir de données d’expression (Goffard et al. 2007). Le résultat de cette analyse nous indique que cinq voies métaboliques (p-value <0,1 ajustée avec le facteur correctif False Discovery Rate, FDR) sont préférentiellement associées au cluster II (16 JAP). Ce sont les voies métaboliques des carbohydrates, des acides aminés, des lipides, et des métabolites secondaires.

Le métabolisme des carbohydrates représente dans notre étude le processus métabolique le plus fortement régulé à ce stade de développement. Ce sont en particulier les voies de la glycolyse/néoglucogenèse et celles associées à la biosynthèse/dégradation de l’amidon et du saccharose. Ce résultat est cohérent avec le rôle central du métabolisme du sucre durant le développement de la graine, principalement au début du remplissage. En effet, même si le contenu de la graine mature de M. truncatula n'est composé que respectivement de 6-10 % de sucres solubles et moins de 1 % d'amidon (Djemel et al. 2005), ces molécules permettent le maintien d’une source importante de carbone durant le développement. De plus, le saccharose possède un double rôle : il est à la fois une molécule centrale dans le métabolisme du sucre et une molécule « signal ». En effet, ce rôle de signalisation est joué par la balance saccharose/hexose qui représente un complexe de régulation de la synthèse des molécules de réserve par l’intermédiaire des saccharoses synthases et des invertases (pour revue Koch 2004 ; Weber et al. 1997 ; Smeekens et al. 2000).

La forte régulation des ARNm de gènes impliqués dans le métabolisme des acides aminés, est cohérente avec une forte synthèse d’acides aminés à ce stade, essentiels pour assurer la synthèse de protéines de stockage. En effet, ces protéines, essentiellement accumulées dans l’embryon, représentent 32-34% du poids sec de la graine de M. truncatula (Djemel et al. 2005). Elles appartiennent majoritairement à la famille des globulines et sont de trois types : les légumines, les vicilines et les convicilines. Ces protéines ont la particularité de s'accumuler de façon séquentielle, contrairement à A. thaliana, avec dans un premier temps la synthèse des vicilines puis plus

tardivement la synthèse des convicilines et légumines (Gatehouse et al. 1982 ; Gatehouse et al. 1986 ; Gallardo

et al. 2003 ; Verdier et al. 2008).

Dans ce même cluster, on constate que les gènes du métabolisme des lipides sont sur-représentés, en particulier ceux associés à la biosynthèse des acides gras. Comme pour le métabolisme des acides aminés, cette observation est cohérente avec le début de la phase de remplissage où la graine synthétise des acides gras qui seront incorporés dans des triacylglycérides, principalement sous forme C16 :0, C18 :1, C18 :2 et C18 :3 qui représenteront 95% des acides gras totaux de la graine de M. truncatula (Djemel et al. 2005). A maturité, 8 à 10% de son poids sec est composé d’acides gras de réserve.

Enfin, la dernière voie métabolique très représentée à ce stade est celle du métabolisme secondaire. La forte implication du métabolisme secondaire au début du remplissage avec en particulier la voie de biosynthèse des flavonoïdes, nous indique que c’est également durant ce stade que la graine met en place des mécanismes de pigmentation. De nombreuses enzymes associées à la biosynthèse des flavonoïdes peuvent être identifiées. Ces enzymes de biosynthèse permettent l’accumulation d’isoflavones dans l’embryon (Dhaubhadel et al. 2003) ou d’anthocyanes et de flavonols nécessaires à la pigmentation des téguments (Lepiniec et al. 2006).

Le second groupe de gènes associé au remplissage de la graine est le cluster III (20-24 JAP). Les gènes de ce cluster sont globalement plus associés à diverses voies métaboliques. De plus, on constate également qu’un certain nombre de gènes impliqués dans le traitement de l’information environnementale sont fortement représentés dans ce cluster. Ces gènes sont souvent associés à des transporteurs et à des kinases indiquant une intense signalisation cellulaire. Cette importante communication cellulaire pourrait intervenir dans les processus de fin de remplissage et de préparation à la dessication.

Notons qu'en considérant la période complète de remplissage (clusters II et III), le traitement de l’information génétique est la classe fonctionnelle la plus sous représentée. Cette faible représentativité des mécanismes de réplication, transcription et traduction durant la phase de remplissage peut indiquer que le déclenchement du programme génétique aboutissant au remplissage est principalement régulé lors du stade de transition entre embryogenèse et remplissage, et que par conséquent c'est un stade clef dans la régulation de cette phase. Ce résultat est en accord avec l'identification d'un pool important de protéines ribosomales à 12 JAP dans les noyaux de graines de M. truncatula (Repetto et al. 2008)

3.3.3 La dessication

La dernière phase de développement de la graine, avant la germination, est la préparation à la dessication. Cette étape est caractérisée par une forte et rapide perte d’eau. Le cluster IV, qui est composé de gènes dont le pic d’expression à 36 JAP est associé avec cette étape de dessication. Nos résultats suggèrent que ce stade présente une activité métabolique réduite : en effet, peu d’ARNm codants pour les enzymes du métabolisme sont représentés.

Ce résultat est en accord avec l’entrée de la graine en quiescence métabolique. En effet, on considère qu’à 36 JAP la graine atteint un stade de maturité physiologique. Par ailleurs, notre analyse révèle que les transcrits associés aux processus transcriptionnels s’accumulent, incluant les ARN polymérases et les facteurs de transcription. Cette intense activité transcriptionnelle reflète la préparation d'un pool d'ARNm au stade 36 JAP. En effet, des travaux ont montré qu’un pool d’ARNm était stocké durant le développement de la graine chez A.

4. CONCLUSION DU CHAPITRE