Étude biochimique et immunocytochimique de l’impact de mutations génétiques sur la lignification et l’assemblage des parois d’Arabidopsis thaliana

Biochemical and immunocytochemical study of the impact of genetic mutations on the lignification and on the assembly of the cell walls of Arabidopsis thaliana

• Auteur / Autrice : Jimmy Berrio-Sierra
• Direction : Katia Ruel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie - Biologie
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Université Joseph Fourier (Grenoble ; 1971-2015)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Arabidopsis thaliana

Résumé

La biomasse végétale suscite un intérêt accru en raison de son potentiel pour les énergies de remplacement du pétrole. Dans toutes ces formes d’utilisation et de valorisation, la paroi cellulaire lignocellulosique occupe un rôle central. C’est dans ce contexte d’une meilleure connaissance de la structure fine de la paroi secondaire lignifiée et de la fonction des polymères constitutifs dans l’élaboration du biocomposite qu’est la paroi que se situent les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse. Plusieurs mutants nuls de la plante modèle Arabidopsis thaliana, dont un ou plusieurs gènes (cinnamoyl-CoA-réductase, mutant ccr1 ; cinnamyl alcohol deshydrogénase, mutants cad-c et cad-d ; aldéhyde déshydrogénase, mutant ref1 ; férulate 5-hydroxylase, mutant f5h) impliqués dans la synthèse des alcools coniférylique et sinapylique, précurseurs des unités G et S des lignines, ont été totalement réprimés, ont constitué les modèles utilisés pour étudier les effets de la mutation sur la composition et la structure des parois. L’analyse biochimique des lignines des plantes mutantes par thioacidolyse, d’une part, et l’étude à l’échelle ultrastructurale par immunomarquage en microscopie électronique, d’autre part, ont constitué les deux principales approches complémentaires privilégiées par lesquelles il a été possible de décrire les impacts des mutations sur la structure des lignines et par là sur l’assemblage macromoléculaire des parois. Les conséquences des mutations se sont avérées tissu-spécifiques et suggèrent une régulation spatio-temporelle de la lignification accompagnant la différenciation. La comparaison des altérations induites dans l’assemblage des parois par les différentes mutations a permis de déduire que les structures non-condensées des lignines assuraient un rôle important dans la cohésion du composite cellulose-hémicelluloses-lignines. L’analyse des impacts des mutations simples ou multiples des différents gènes montre que les effets sur les lignines et les parois ne correspondent pas à la simple sommation des effets de chacune des mutations des gènes, suggérant des régulations croisées. Le développement d’une nouvelle approche de microanalyse impliquant la microdissection à capture laser a permis de préciser pour la première fois les différences analytiques des lignines des fibres par rapport aux vaisseaux, et a montré tout son potentiel pour l’analyse de l’impact des mutations à l’échelle tissulaire.

In recent years plant biomass has become the subject of a large interest for the industrial uses of wood and agricultural residues and for its potential use for new energy sources. For all these utilisations the lignocellulosic cell wall plays a central role. The work of this thesis was undertaken to gain an improved knowledge of the detailed structure and organisation of the lignified secondary wall and of the function of the polymer constituents in the edification of the plant cell wall biocomposite. Several knock-out mutants of the model plant Arabidopsis thaliana deficient for one or more genes involved in lignin monomers biosynthesis (cinnamoyl-CoA-reductase, ccr1; cinnamyl alcohol dehydrogenase, cad-c and cad-d; aldehyde dehydrogenase, ref1 ; ferulate 5-hydroxylase, f5h) were investigated for the analysis of the consequences of the mutation on the composition and the structure of the cell walls. Biochemical analysis of the mutant lines by thioacidolysis, and immuno-topochemistry in electron microscopy, respectively, constituted the two main approaches implemented to characterise the impacts of the mutations on the structure of lignins and on the macromolecular assembly of the cell walls. Our results revealed that the consequences of the mutations were tissue-specific, suggesting that lignification is spatio-temporally regulated during differentiation. The analysis of the alterations induced by the different mutations in the assembly of the cell walls suggested that the non-condensed structures of lignin had an important role in the cohesion of the cell wall composite. The comparison of the impacts of the different genes and gene combinations showed that the effects on the lignins and on the walls are not the simple summation of the effect of each individual gene. The development of a new approach of microanalysis involving the technique of laser capture microdissection allowed to precise for the first time the analytical differences of the lignins from fibres and vessels, and showed a great potential for the characterisation of the effects of mutations at the tissue scale.