Biologie intégrative du métabolisme de la baie du raisin

Integrative biology of grape berry metabolism

• Auteur / Autrice : Christian Kappel
• Direction : Serge Delrot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences, technologie, santé. Bioinformatique
• Date : Soutenance le 16/12/2010
• Etablissement(s) : Bordeaux 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Talence, Gironde ; 1993-....)
• Jury : Président / Présidente : Patrice This
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yves Gibon, Antoine De Daruvar
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mondher Bouzayen, Mario Pezzotti

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vigne

métabolisme

Développement

Raisin

Fruits -- Maturation

Mots clés libres

Vigne

Maturité du raisin

Microenvironnement

Transcriptomique

Métabolomique

Biologie systémique

Grapevine

Grape maturity

Microenvironment

Transcriptomics

Metabolomics

System biology

Résumé

La surface des vignobles mondiaux représente environ 7,9 millions ha, ce qui correspond à une production annuelle de 67 millions de tonnes de baies. La production mondiale annuelle de vins est de l’ordre de 300 millions hl/an. La surface du vignoble français est de 843 000 ha. La viticulture moderne doit affronter trois défis majeurs interdépendants : réduire l’utilisation des produits phytosanitaires, s'adapter au changement climatique, maîtriser la qualité et la typicité pour garder ou conquérir de nouveaux marchés.En 2007, la vigne est devenue la première espèce fruitière pérenne dont le génome a été séquencé. Cette avancée scientifique ouvre de nombreuses perspectives en termes de génomique fonctionnelle (ensemble de méthodes permettant de caractériser la fonction des gènes) et de biologie intégrative (ensemble de méthodes visant à appréhender le fonctionnement global de la plante et ses réponses à l’environnement). Ces perspectives dépendent pour une bonne part de la maîtrise de quantités importantes de données qu’il convient d’organiser et de corréler grâce à des outils informatiques adaptés.Des approches fonctionnelles concernant des gènes candidats et des approches transcriptomiques à haut débit ont permis d’identifier certains gènes ou certaines familles de gènes impliqués dans le développement et la maturation de la baie de raisin, mais au moment où cette thèse a débuté, aucun travail de biologie intégrative n’avait été entrepris.Le travail présenté ici, qui décrit l’obtention et l’analyse de métadonnées transcriptomiques et biochimiques portant sur la réponse de la baie à l’environnement radiatif, s’inscrit dans ce contexte. En procédant à un effeuillage partiel après la véraison, nous avons modulé l’exposition des baies au rayonnement solaire. Ceci a permis d’étudier l’influence du rayonnement (baie exposée, non exposée), de la position de la grappe (est, ouest) et de la position de la baie (à l’extérieur ou à l’intérieur de la grappe). Des baies ont été récoltées à 5 moments différents après l’effeuillage et utilisées pour des analyses métabolomiques et transcriptomiques. Leur contenu en sucres, acides organiques, acides aminés, anthocyanes et flavonols a été analysé par des dosages enzymatiques et par chromatographie liquide à haute performance). L’expression des gènes a été étudiée avec des microarrays représentatifs de l’ensemble du génome de la vigne (29600 gènes) pour les conditions présentant les différences métaboliques les plus marquées (baies exposées, situées à l’ouest et à l’extérieur de la grappe vs baies non exposées, situées à l’est et à l’intérieur de la grappe). Des analyses statistiques et corrélatives ont été conduites pour (a) déterminer les métabolites qui répondent au traitement et les facteurs qui les influencent (b) déterminer les gènes qui répondent aux traitements et ceux qui semblent co-régulés (c) préciser les réseaux de gènes et de métabolites qui semblent reliés. L’effeuillage n’affecte pas la teneur en sucres ou en acide tartrique des baies, il affecte peu les acides aminés, mais il augmente la teneur en flavonols et diminue la teneur en acide malique. Il affecte plus particulièrement les gènes associés au stress abiotique, au métabolisme secondaire, au transport et au métabolisme hormonal. Des expériences complémentaires ont permis d’identifier divers gènes spécifiquement associés à la composante thermique de l’exposition au soleil, parmi lequels des gènes codant pour des HSP, des transporteurs ABC, et des enzymes du métabolisme flavonoïdique. Des réseaux reliant des gènes et des métabolites ont pu être construits, qui associent des métabolites secondaires à des gènes de fonctions connues, ou à de nouveaux gènes candidats dont il conviendra d’étudier la fonction précise.

The total surface of vineyards worldwide is about 7.9 millions ha, which corresponds to an annual production of 67 millions tons berries. The annual world production of wines is about 300 millions hl/year. The French wineyard occupies 843 000 ha, among which 481 000 ha are dedicated to high quality wines (VQPRD) and 362 000 ha to table wines. Modern viticulture must deal with three major and related challenges : reduce the use of organic and inorganic phytochemicals, adapt the vineyard to climatic change and control the quality and the typicity in order to keep or gain new markets.In 2007, the grapevine became the first perennial fruit species whose genome was sequenced. This scientific breakthrough opens new pespectives in terms of functional genomics (set of methods allowing to characterize the function of genes) and integrative biology (set of methods allowing to study the global functioning of the plant and its response to the environment). These perspectives mainly depend on our ability to analyze large sets of data with adequate informatic tools.Functional approaches on candidate genes, and high throughput transcriptomic approaches have allowed to identify some genes or some gene families involved in the development and ripening of the grape berry, but when this Ph. D work started, no paper based on integrative biology was published on grapevine. The present work, which describes the collection and analysis of transcriptomic and metabolomic metadata related to the response of the berry to sun exposure. The exposure of the berries to the sun was controlled through a partial defoliation after veraison. This allowed to study the effects of sun exposure (exposed or shaded berries), of the position of the cluster (east, west) and of the anatomical position of the berry (outside or inside the berry). Berries were collected at 5 different time points after defoliation and used for metabolomic and transcriptomic analysis. Their content in sugars, amino acids, organic acids, anthocyanins and flavonols was analyzed by enzymatic assays and high performance liquid chromatography. For the berries whose metabolic content differed the most (exposed, west and outside berries vs shaded, east and inside berries), gene expression was studied with microarrays bearing a set of probes covering the whole genome of grapevine (29600 genes). Correlative and statistical analysis were conducted in order to (a) determine the metabolites that are the most responsive to the treatment, and the most important factors that control them (b) determine the genes that respond to the treatment and seem to be co-regulated (c) to precise the networks of genes and metabolites which seem related. Defoliation does not affect the sugar and tartaric acid contents, hardly affects amino acids, but it increases flavonol content and decreases malic acid content. It affects more specifically genes associated with abiotic stress, secondary metabolism, transport and hormonal metabolism. Additional experiments allowed us to identify genes that are specifically associated with the thermal component of sun exposure, among which genes encoding HSP, ABC transporters, and enzymes of flavonoid metabolism. Networks relating genes and metabolites could be constructed. These networks associate secondary metabolites with genes of known function and new candidate genes for which the function will have to be precised.