Rôle de la signalisation redox par l’ascorbate dans la performance du fruit de tomate

Role of redox signaling by ascorbate in the performance of tomato fruit

• Auteur / Autrice : Guillaume Decros
• Direction : Pierre Pétriacq
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences agronomiques
• Date : Soutenance le 08/04/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Bordeaux)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biologie du fruit et pathologie
• Jury : Président / Présidente : Eric Gomes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Pétriacq, Eric Gomes, Christine H. Foyer, Emmanuelle Issakidis-Bourguet, Christophe Salon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christine H. Foyer, Emmanuelle Issakidis-Bourguet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Antioxydants

Acide ascorbique

Tomates

Oxydoréduction

Mots clés libres

Redox

Modèles de flux

Système antioxydant

Tomate

Ascorbate

Redox

Ascorbic acid

Antioxidant system

Tomato

Flux models

Résumé

Le changement de paradigme dans la biologie de l'oxydoréduction (redox), considérant les expèces réactives de l’oxygène (EROs) comme des signaux ajustés avec précision modulant le métabolisme des plantes, a mis en exergue les réseaux d'oxydoréduction, en particulier chez les plantes où de multiples sources d’EROs sont présentes et associées à de nombreux " systèmes de traitement des EROs " (Noctor et al., 2018). De plus, les principaux tampons redox (par exemple, l’acide ascorbique, le glutathion et les nucléotides à pyridine) apparaissent clairement au premier plan des régulations redox. La production d’EROs et les signaux redox qui en découlent sont cruciaux pour préserver l'harmonie du métabolisme du fait de leur participation aux voies de signalisation adaptatives tout au long du développement et en réponse à l'environnement. En parallèle, le développement de la modélisation mathématique intégrative a permis de nouvelles approches qui fournissent une description quantitative des flux métaboliques et de leur régulations.Les progrès dans la compréhension des signatures moléculaires impliquées dans les régulations redox, contrôlant le compromis entre le développement des fruits et les voies de stress, permettront de définir de nouvelles stratégies pour une production et un stockage optimal des fruits (Beauvoit et al., 2018). Cependant, les connaissances sur la biologie de l'oxydoréduction dans les fruits sont peu documentées. Bien que les principes provenant des tissus foliaires apportent une première compréhension du métabolisme redox, des études complètes fournissant des connaissances plus étendues sur les fruits restent manquantes.A cet égard, mon projet de thèse vise à fournir la première description quantitative du métabolisme redox principal du fruit de tomate dans un contexte de développement, tout en développant et en mettant en œuvre des protocoles permettant la quantification rapide des principaux composés redox. En outre, l'utilisation d'une approche de modélisation cinétique permettra de déchiffrer l'implication des flux redox dans le contrôle de l'équilibre oxydoréducteur au cours du développement du fruit.A cette fin :1. Une étude omique multi-échelle axée sur le métabolisme du NAD au cours du développement du fruit de la tomate a permis de fournir une meilleure vue de l'implication du métabolisme du NAD dans les métabolismes redox et central,2. Les principaux tampons redox et la capacité antioxydante totale ont été évalués à l'aide d'analyses biochimiques ciblées du cycle ascorbate-glutathion, tandis que l'analyse LC-MS non ciblée a permis une comparaison globale des stades de développement, en particulier vis à vis des composés redox secondaires. D’autre part, des plantes mutantes enrichies en ascorbate ont été analysées pour étudier l'impact d'une augmentation de l'ASC sur le métabolisme et le développement du fruit de tomate,3. Les ensembles de données obtenus ont finalement été utilisées pour développer un modèle cinétique du cycle ASC-GSH, permettant l'étude des flux redox et de leur régulation au cours du développement du fruit de la tomate.D'autre part, j’ai participé au développement d'un plateau d'analyses redox mis en place au sein de la plateforme Bordeaux Metabolome, ce qui m’a permis de participer à d'autres projets, tels que la caractérisation d'une nouvelle NAD kinase (Dell'Aglio et al., 2019) et la caractérisation de mutants enrichis en ASC (Deslous et al., 2021). J'ai également eu l'occasion de participer à la rédaction de revues visant à rassembler les connaissances éparses disponibles sur le métabolisme redox dans les fruits et en réponse aux environnements extrêmes (Decros et al., 2019 ; Dussarrat et al., 2021). Par ailleurs, les données préliminaires obtenues au cours de ce projet ont permis de concevoir de nouveaux projets plus ciblés sur l'implication du métabolisme redox pendant la phase de mise à fruit.

The change of paradigm in redox biology, considering ROS as finely-tuned signals modulating plant metabolism, shed new light on redox networks, especially in plants where multiple sources of ROS are possible and associated with many “ROS processing systems” (Noctor et al., 2018), while major redox buffers (e.g. ASC, GSH and NAD) clearly appear at the forefront of oxidative regulations. ROS production and redox signals arising from are crucial to harmonious metabolism and participate in adaptive signalling pathways throughout development and in response to the environment. In parallel, the development of mathematical integrative modelling permitted by new approaches providing quantitative description through metabolic fluxes.Progress in understanding the molecular signatures involved in the redox regulations controlling the trade-off between fruit development and stress pathways will help to define novel strategies for optimal fruit production and storage (Beauvoit et al., 2018). However, knowledge on redox biology in fruit is sparsely documented, although principles originating from leaves tissues are valuable while waiting for comprehensive studies that provide more extensive knowledge on fruits.In this regard, my PhD project aims to provide the first quantitative description of core redox metabolism in a developmental context while developing and implementing protocols allowing the rapid quantification of major redox compounds. In addition, the use of an integrative modelling approach will allow deciphering the implication of redox flux in the control of redox balance during fruit development.For this purpose:1. A multiscale omics study focusing on NAD metabolism during tomato fruit development provides a better view of the implication of NAD metabolism in redox and central metabolism,2. Major redox buffers and total antioxidant capacity are assessed using targeted biochemical analyses of the ascorbate-glutathione cycle, while untargeted LC-MS analysis provides a global comparison of developmental stages, in particular for secondary redox compounds. Furthermore, mutant plants enriched in ascorbate have been analysed to study the impact of an increase in ASC on tomato fruit,3. The data sets obtained are finally used to develop a kinetic-based model of the ASC-GSH cycle, allowing the investigation of redox fluxes and their regulation during tomato fruit development.Besides, I participate in developing a redox platform to implement at the Bordeaux Metabolome Facility, allowing me to participate in some other projects, such as the characterisation of new NAD kinase (Dell’Aglio et al., 2019) and the characterisation of ASC-enriched mutants (Deslous et al., 2021). I also had the opportunity to participate in the writing of reviews aiming to bring together the scattered knowledge available on redox metabolism in fruits and in response to extreme environments (Decros et al., 2019 ; Dussarrat et al., 2021). Furthermore, the preliminary data obtained allowed the designing of new projects more focused on the involvement of redox metabolism during the fruit setting phase. To this end, different ASC mutant fruits have been analysed at several flower and young fruit stages.