Les furocoumarines : Cas d'évolution convergente et d'adaptation des plantes à leurs environnements

Furanocoumarins : A case of parallel evolution and adaptation of plants to their environment

• Auteur / Autrice : Alexandre Bouillé
• Direction : Alain Hehn, Romain Larbat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences agronomiques
• Date : Soutenance le 28/11/2024
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire agronomie et environnement (Vandoeuvre-lès-Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Nathalie Guivarc'h
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Hehn, Romain Larbat, Alain Goossens, Gea Guerriero, Cinzia Comino
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Goossens, Gea Guerriero

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biosynthèse

Coumarines

Cytochrome P450

Plantes -- Métabolites

Ingénierie métabolique

Psoralènes

Mots clés libres

Furocoumarines

Bioingénierie métabolique

Métabolisme spécialisé

Biologie de synthèse

CYP450s

Coumarines

Furanocoumarins

Metabolic bioengineering

Specialised metabolism

Synthetic biology

CYP450s

Coumarins

Résumé

Les plantes régulent leurs ressources pour s'adapter à leur environnement en constante évolution. L'un des moyens de résilience des plantes consiste à produire des molécules actives en réponses à ces fluctuations. Il existe chez les plantes entre 200 000 et 1 000 000 de ces molécules qui sont aussi appelées métabolites spécialisées (Chassagne et al., 2019). Ces derniers sont apparus chez les plantes au cours de l'évolution et ont eu pour conséquence de modifier leur physiologie et leurs interactions avec l'environnement (Durán-Medina et al., 2021; Weng et al., 2021). Parmi la multitude de molécules produites chez les plantes, on trouve les furocoumarines. Ces métabolites spécialisés dérivent des phénylpropanoïdes (aussi appelés polyphénols) et plus spécifiquement des coumarines. Ils ont été identifiés chez une vingtaine de familles de plantes et sont connus pour être fortement produites chez les Apiacées, Rutacées, Moracées et Fabacées (Bourgaud et al., 2014; Sarker & Nahar, 2017). Des travaux antérieurs ont permis de caractériser une vingtaine d'enzymes impliquées dans la production de ces molécules. Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse ont menés à l'identification d'enzymes complémentaires impliquées dans la production de furocoumarines comme la 5-hydroxyxanthotoxine à partir de xanthotoxine, mais également de coumarines comme la daphnétine à partir d'umbelliférone. Les enzymes étudiées appartienent à la famille des cytochromes P450s. Leurs structures a été passée au peigne fin, ce qui a permit de découvrir comment l'évolution a permit de passer d'enzymes qui produisent des coumarines à des enzymes qui produisent des furocoumarines. La production de métabolites spécialisés dans les plantes mobilise un certain nombre de ressources qui ne peuvent pas être utilisées par ailleurs et notamment pour la croissance. Pour étudier ce détournement de ressources j'ai introduit une partie de la voie de biosynthèse des furocoumarines dans le génome de la tomate (qui n'est pas capable de produire ces molécules naturellement) et j'en ait analysé l'impact. Les résultats obtenus indiquent que le psoralène n'est pas produit comme cela était escompté mais que la scopolétine, un produit probablement dérivé d'un des intérmédiaires de synthèse, était détectée en quantité non négligeable. Dans cette thèse est décrit l'impact de ces molécules sur la physiologie de la tomate. L'ensemble des résultats obtenus dans ces travaux pose la question de l'émergence de nouvelles voies de biosynthèse chez les plantes. Cette question est notamment abordée ici par une analyse des processus évolutifs qui ont permis aux Moracées d'acquérir la capacité de produire des furocoumarines il y a plusieurs millions d'années.

Plants regulate their resources to adapt to their constantly changing environment. One of their resilience mechanisms is the production of active molecules in response to these fluctuations. Between 200,000 and 1,000,000 such molecules exist in plants, also known as specialized metabolites (Chassagne et al., 2019). These compounds emerged during plant evolution, altering their physiology and interactions with the environment (Durán-Medina et al., 2021; Weng et al., 2021). Among the diverse molecules produced by plants are furanocoumarins. These specialized metabolites derive from phenylpropanoids (also called polyphenols), specifically coumarins. They have been identified in around twenty plant families and are strongly produced in Apiaceae, Rutaceae, Moraceae, and Fabaceae (Bourgaud et al., 2014; Sarker & Nahar, 2017). Previous research has characterized about twenty enzymes involved in the production of these molecules. In this thesis, additional enzymes involved in furanocoumarin biosynthesis, such as 5-hydroxyxanthotoxin from xanthotoxin, and in coumarin biosynthesis, such as daphnetin from umbelliferone, have been identified. The studied enzymes belong to the cytochrome P450 family. Their structures were thoroughly analyzed, revealing how evolution enabled the transition from enzymes producing coumarins to those producing furanocoumarins. The production of specialized metabolites in plants mobilizes resources that cannot be allocated elsewhere, particularly to growth. To study this resource allocation, I introduced part of the furanocoumarin biosynthetic pathway into the tomato genome (which does not naturally produce these molecules) and analyzed its impact. The results indicate that psoralen was not produced as expected, but scopoletin, likely derived from one of the synthetic intermediates, was detected in significant amounts. This thesis describes the impact of these molecules on tomato physiology. Overall, the findings raise the question of how new biosynthetic pathways emerge in plants. This is addressed here through an analysis of the evolutionary processes that enabled Moraceae to acquire the ability to produce furanocoumarins millions of years ago.