Dynamique d’assemblage des protéines de réserve et du remplissage du grain de blé dur

Dynamic of the assembly of storage proteins and grain filling of durum wheat.

• Auteur / Autrice : Mariana Simoes Larraz Ferreira
• Direction : Marie-Hélène Morel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biochimie, chimie et technologie des aliments
• Date : Soutenance le 17/05/2011
• Etablissement(s) : Montpellier, SupAgro
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences des Procédés – Sciences des Aliments (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2014)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ingénierie des Agro-Polymères et Technologies Emergentes (Montpellier)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Hélène Morel, Jean-Claude Davidian, Philippe Grieu, Michel Rossignol, Yves Popineau, Paulo Sobral
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Thierry Aussenac, Christophe Bailly

Mots clés

Mots clés libres

Blé dur

Remplissage du grain

Protéines de réserve

Assemblage de polymères

Etat redox

Vitrosité

Durum Wheat

Grain filling

Storage proteins

Polymers assembly

Redox state

Vitreousness

Résumé

Le blé dur, du fait de sa vitrosité et de sa richesse en protéines est particulièrement adapté àla fabrication des pâtes alimentaires. Cette céréale, largement cultivée dans le bassinméditerranéen, est fréquemment soumise à des stress hydriques et thermiques. Les objectifsde cette thèse ont été d'approfondir les connaissances sur les modalités d'accumulation etd'assemblage des protéines de réserve au cours du développement du grain. Un suivi fin duremplissage du grain, de la morphologie des corps protéiques, des changements d'état redox etde la distribution en taille des polymères de gluténines a été réalisé. L'influence, sur cesdifférents paramètres, de températures élevées appliquées à différents stades dedéveloppement du grain a été étudiée.En privilégiant l'accumulation des protéines au détriment de l'amidon, le stress thermiquejoue un rôle non négligeable dans l'obtention de grains vitreux et à fortes teneurs en protéines.L'arrêt de la croissance du grain, observé à 45% de teneur en eau, est précédé de la mise enplace de la matrice protéique. L'accumulation de la matière sèche apparaît étroitement liée à ladynamique de l'eau, confirmant le lien entre teneur en eau et poids final du grain. Au cours duremplissage du grain, les températures élevées exercent un effet significatif sur la formationdes polymères de gluténines insolubles dans le SDS. Leur formation n'intervient qu'en fin dedessiccation et en deçà de 30% de teneur en eau. La durée de cette phase ultime d'oxydation etd'assemblage des polymères de gluténines a été reliée à la teneur en protéines.L'évolution du statut redox du grain montre qu'une accumulation massive de polymères degluténines intervient juste avant l'entrée en dessiccation du grain qui coïncide avecl'effondrement de l'ascorbate dans le grain. Coïncidant avec cette oxydation manifeste, unphénomène de glutathionylation des protéines a été détecté avec une rupture de l'activité de laCAT. Au cours de la dessiccation, les activités de la SOD et de la GR augmentent de façonsignificative. Cette synthèse tardive pourrait se produire au niveau de la couche à aleurone etdu germe en réponse à l'oxydation massive de l'albumen.Enfin, nous avons analysé le couplage entre oxydation des thiols protéiques et croissance entaille des polymères de gluténines. Très précocement, les sous-unités de gluténiness'assemblent sous forme d'oligomères partiellement réduits. Durant le remplissage du grain,une oxydation massive des thiols intervient avec la formation de polymères majoritairementcomposés de SG-HPM sur lesquels viendraient se fixer les SG-FPM. Au cours de la dessiccation,la taille des polymères augmente. Les structures polymériques formées au cours del'élaboration du grain possèdent un nombre de cystéines réduites élevé et incompatible avecun modèle d'assemblage linéaire. Les résultats obtenus nous permettent de proposer unrepliement tardif des SG-FPM, postérieur à leur insertion dans les assemblages oligomériques.Ils nous amènent à mettre en avant le rôle du glutathion comme co-facteur de la genèse despolymères, à l'opposé des thèses classiques qui en font plutôt un inhibiteur de la croissance entaille des polymères de gluténines.

Durum wheat is particularly recognized as the most suitable raw material for pasta makingdue to its vitreousness and its high protein content. This cereal is commonly grown inMediterranean environment and then frequently submitted to high temperature and waterstress. The aim of this thesis was to better understand the accumulation and assembly ofstorage proteins during the grain development. Evaluation of the grain filling, the morphologyof protein bodies, the redox status and the size distribution of glutenin polymers were carriedout. The effect of high temperatures applied at different stages of the grain development onthese parameters was studied.By favouring protein accumulation at the expense of starch, heat stress appeared essentialto obtain vitreous grains and high protein content. The arrest of grain growth observed at 45%grain water content is preceded by the formation of a continuous protein matrix. The dry massaccumulation is closely related to water dynamics, confirming the link between water contentand final grain weight. During grain filling, high temperatures have a significant effect on theformation of SDS-insoluble glutenin polymers. It occurred when grain water concentrationdropped below 30%. The duration of this final stage of oxidation and assembly of gluteninpolymers was related to protein content.Changes in the grain redox status showed an accumulation of glutenin polymers mainlyoccurring before the onset of grain desiccation phase and coinciding with the ascorbateoxidation. This clear oxidation coincided also with the glutathionylation of proteins and thedrop of the CAT activity. During desiccation, the activities of SOD and GR increased significantly.This late synthesis could occur in the aleurone layer and germ in response to massive oxidationof the endosperm cells.Finally, we evaluated the coupling between protein thiol oxidation and size increase ofglutenin polymers. In the early stages, glutenin subunits assembled as oligomers partiallyreduced. During grain filling, a strong thiol oxidation took place with the formation of polymersmainly composed of HMW-GS associated with LMW-GS branching. The polymer size increasedduring desiccation. The polymeric structures obtained during the grain development presenteda high number of reduced cysteines inconsistent with a linear concatenation model ofassembly. It allowed us to propose that the folding of LMW-GS is a late event, subsequent totheir insertion into oligomeric assemblies. These results highlighted the role of glutathione asco-factor in the polymers formation, contrasting with the common assumption that considers itas an inhibitor of the size increase of glutenin polymers.