Biosynthesis of odorant compounds from different Pelargonium used for the essential oil production
Biosynthèse des composés odorants chez différents Pelargonium utilisés pour la production d'huile essentielle
Résumé
Pelargonium sp, also named rose scented « geranium » or « Geranium rosat » is one of the the most cultivated aromatic and medicinal plant worldwide, especially for its essential oil (EO), which is used by cosmetic and perfumery industries. This essence is extracted from leaves by steam distillation and gives an EO containing several hundreds of organic volatile compounds (VOC). This complexity is the result of a long evolutive process and varietal selections. Among these VOC, the monoterpenes like geraniol, citronellol and isomenthone and the sesquiterpenes like 10-γ-epieudesmol and 6,9-guaiadiene, play an important role for the Pelargonium fragrance. The relative proportions of these compounds are used as EO quality markers and determine the different cultivars origins (P. cv. ‘rosat Bourbon’, P. cv. ‘rosat Chine’, P. cv. ‘rosat Egypt’ and P. cv. ‘rosat Grasse’). Despite the important researches on the chemistry of these EO, there is no information on the biosynthesis pathways for these molecules and no genes involved in the pathways have been isolated. During this PhD thesis, we have functionally characterized by recombinant proteins expression and purification in Escherichia coli, four genes, three monoterpene and one sesquiterpene synthases, coding for key enzymes in terpene biosynthesis pathway. The first enzyme is a mono-product geraniol synthase. The second enzyme is a multi-product enzyme with a major peak of myrcene and 3 minor peaks of other monoterpenes. The third enzymes is also a multi-product protein, producing 1,8-cineol as major product and 10 others monoterpenes. The last one is a multi-products sesquiterpene synthase producing mainly the 10-γ-epi-eudesmol and other sesquiterpenes. We have also analyzed the level of expression of the geraniol and 10 γ-epi-eudesmol synthases in several Pelargonium accessions by RT-qPCR and we have demonstrated the relationship between the level of expression of these two terpene synthases and the quantity of the related terpenes produced in leaves. Pelargonium transformation efficiency by Agrobacterium tumefaciens was tested in order to complete the functional characterization of the genes. In a second part, we have analyzed the essence of 64 species and cutivars of Pelargonium having very different fragrances like lemon, mint, rose, apricot, pine, spices… With different statistical tools (PCA, discriminant analysis…), we have highlighted the links between the biochemistry of these species and cultivars, their odors and their phylogenetic relationships. This worked gave us some interesting ideas for some new crossings. Finally, the last chapter concerns the EO production improvements in Egypt. Thanks to these researches, started 3 years ago, we are improving year after year our EO yield and quality in our 10 Ha R&D plantation. An important work was done to optimize the distillation process and improve the agricultural practices which abled us to reach a yield of 60 kg of EO per hectare. Some other experiments show the effect of the environmental factors such as the temperature on the biosynthesis of several important molecules like citronellol and geraniol, 6,9-guaiadiene and 10-γ-epi-eudesmol
Pelargonium sp., appelé aussi « géranium » à odeur de rose ou « Géranium rosat » est l’une des plantes aromatiques et médicinales les plus cultivées au niveau international, essentiellement pour son huile essentielle (HE), utilisée par les industries des cosmétiques et de la parfumerie. Cette essence est extraite des feuilles par distillation vapeur et donne une HE riche de plusieurs centaines de molécules volatiles. Cette complexité est le résultat d’un long processus évolutif et de sélections variétales. Parmi ces composés volatils, les monoterpènes comme le géraniol, le citronellol et l’isomenthone, ou les sesquiterpènes comme le 10- γ-épi-eudesmol et le 6,9-guaiadiène, jouent un rôle prépondérant dans le parfum du Pelargonium. Les proportions relatives de ces différents composés sont d’ailleurs utilisées comme marqueurs de la qualité de l’HE et déterminent la typicité du parfum des différents cultivars et origines (P. cv. ‘rosat Bourbon’, P. cv. ‘rosat Chine’, P. cv. ‘rosat Égypte’ et P. cv. ‘rosat Grasse’). Malgré de très nombreux travaux portant sur la chimie de cette HE, il n’existe aucune information sur les voies de biosynthèse de ces molécules et aucun gène intervenant dans ces voies n’a été isolé. Durant cette thèse, nous avons cloné et caractérisé fonctionnellement par expression et purification des protéines recombinantes chez Escherichia coli des gènes codant les enzymes clés de ces voies de biosynthèse, les terpène synthases. Nous avons ainsi pu caractériser quatre terpène synthases, dont une géraniol synthase mono-produit. Nous avons isolé deux autres monoterpène synthases multi-produits, produisant pour l’une majoritairement du myrcène mais aussi trois autres monoterpènes, et pour l’autre majoritairement du 1,8-cinéole ainsi que 10 autres monoterpènes minoritaires. Enfin, une sesquiterpène multi-produit, la 10-γ-épi-eudesmol synthase, a été caractérisée. Nous avons ensuite analysé l’expression de la géraniol synthase et de la 10-γ-épi-eudesmol synthase dans différentes accessions de Pelargonium par RT-qPCR et nous avons montré la relation entre la capacité de production des différents composés volatils et le niveau d’expression dans les feuilles de ces deux terpène synthases. L’efficacité de la transformation génétique du Pelargonium par Agrobacterium tumefaciens étant élevée, des expériences de transgénèse ont aussi été réalisées afin de compléter la caractérisation fonctionnelle des gènes isolés. Dans une deuxième partie, nous avons réalisé l’analyse des essences produites par 64 espèces et cultivars de Pelargonium d’odeurs très diverses (citron, menthe, rose, abricot, pin, épices…). A l’aide d’analyses statistiques (ACP, analyse discriminante…), nous avons mis en évidence des relations entre la biochimie de ces cultivars, leurs odeurs et leurs proximités génétiques et cela afin de nous donner des pistes sur des croisements potentiellement intéressants. Enfin, un dernier chapitre est consacré à l’amélioration de la production d’HE en Égypte. Grâce à ce programme commencé il y a trois ans, nous améliorons chaque année la qualité et le rendement en HE de plus de 10 Ha de plantation de Pelargonium en Égypte. Un travail d’optimisation de la distillation ainsi que des améliorations des pratiques culturales, nous ont permis de produire une HE de qualité avec un rendement de plus de 60 kg.Ha-1 d’HE. D’autres expériences présentées dans ce chapitre soulignent l’influence de l’environnement et notamment de la température sur le ratio entre le citronellol et le géraniol ainsi que sur la biosynthèse de l’isomenthone, du 10-γ-épi-eudesmol et du 6,9-guaiadiène
Origine : Version validée par le jury (STAR)