Ple Horticole Intgr Centre INRA dAvignon Biologie des
Pôle Horticole Intégré Centre INRA d’Avignon
Biologie des Systèmes Horticoles (Bio. Sy. H) 3 approches possibles: • Bottom-up du gène à la cellule • Top-down relie les performances aux contrôles • Middle-out combine les deux approches précédentes
Fruit Virtuel
Some good reasons to develop a virtual fruit n n n Fruit = complex system difficult to analyse without a theory of how it is working Quality is described by multiple traits Multiple environmental, agronomical and genetic factors interact on the fruit system, leading to quality expression
Quelle qualité et quels processus? Flux d’eau et de carbone La qualité • Taille • Qualité gustative (sucres-acides) • Valeur santé (caroténoïdes, vit. C) • Texture Croissance Métabolisme sucres & acides Division Endoreduplication Grandissement Transpiration CO 2 Respiration Métabolisme II µnutriments Maturation (C 2 H 4)
Quelle qualité et quels processus? Flux d’eau et de carbone La qualité • Taille • Qualité gustative (sucres-acides) • Valeur santé (caroténoïdes, vit. C) • Texture Croissance Métabolisme sucres & acides Division Endoreduplication Grandissement Transpiration CO 2 Respiration Métabolisme II µnutriments Maturation (C 2 H 4)
Cell proliferation and endoréduplication ti-1 ti ti+1 cycle n° i t 2 c 4 c 8 c 1 N 1(i 1) 1 ri cycle n° i+1 t 2 bi N 1(i)=2 b i N 12(i-1) 2 bi 1 +1 Ng(i+ 1) temp s cycle n° i+2 t 1 N 1(i+ 1) 1 N 1(i+ 2) ri 2 ti 1 interphases G 1 -bi si 1 ri+1 (1 si 1) N 2 Gi 4 si tim ti 2 N 4 Gi (1 si+11) N 2 Gi+1 2 (1 si 2) N 4 Gi 2 mitose 256 c ti+2 si+11 N 2 G 8 si (1 si 3) N 8 Gi ti 4 2 4 (1 si+12) N 4 Gi+ i+1 3 ti 3 N 12(i +2) 1 16 si (1 si 4) N 16 Gi 4 N 16 ti 5 Gi 32 si (1 si 5) N 32 Gi 5 N 32 ti 6 Gi 64 si 6 (1 si 6) N 64 Gi ti 7 12 8
Cell proliferation and endoréduplication Cells distribution per ploïdy level Cell number Days 2 C 4 C 8 C 16 C 32 C 64 C 128 C 256 C Days
Quelle qualité et quels processus? Flux d’eau et de carbone La qualité • Taille • Qualité gustative (sucres-acides) • Valeur santé (caroténoïdes, vit. C) • Texture Croissance Métabolisme sucres & acides Division Endoreduplication Grandissement Transpiration CO 2 Respiration Métabolisme II µnutriments Maturation (C 2 H 4)
Transport des sucres dans les cellules du fruit S = vm Cp / (KM+ Cp) + (1 -sp) Cm Fp + Ap ps (Cp-Cf) ou ps = perméabilité aux sucres FP = Ap Lp [ Pp - Pf - sp (pp - pf)]
Theory of cell expansion Short-term reversible ELASTIC Variations Irreversible PLASTIC variations in volume (Lockart 1965) d. V/dt = . V. (Pf - Y) Cell wall extensibility + (1 / e). V. (d. Pf / dt) Volumetric elastic modulus Yield threshold =ƒ(growth) Turgor pressure
Model of cell and fruit expansion Thèse M. Léchaudel
Quelle qualité et quels processus? Flux d’eau et de carbone La qualité • Taille • Qualité gustative (sucres-acides) • Valeur santé (caroténoïdes, vit. C) • Texture Croissance Métabolisme sucres & acides Division Endoreduplication Grandissement Transpiration CO 2 Respiration Métabolisme II µnutriments Maturation (C 2 H 4)
Sugar Model Sucrose k 1(t) ph Glucose C supply 1 - ph Fructose k 2(t) Sorbitol k 3(t) synthesis Other compounds k 4(t) CO 2
Sugar metabolism 30 leaves/fruit 18 leaves/fruit 6 leaves/fruit Days after bloom
Voies des mitochondries et métabolisme de l’acide citrique Pyruvate Acétyl-Co. A AOA Malate Citrate Passage dans le cytosol et accumulation dans la vacuole Production de citrate = entrée de malate -oxydation en pyruvate
Transports tonoplastiques Quinate, Citrate K+ Composition vacuolaire Mal 2(I) Transport du malate (II) Cations Mal 2 - HMal- H 2 Mal p. H (III) DY ATP Démarche de modélisation : - équilibres thermodynamiques - succession d'états d'équilibres H+ ATPase
Metabolisme des acides Acide Citrique 3 2 1 0 14 -juin 29 -juin 14 -juil Acide Malique 29 -juil 6 -1 30 -mai (mmol. 100 g ) 15 -mai Teneur en malate -1 (mmol. 100 g ) Teneur en citrate 4 4 2 0 15 -mai 30 -mai 14 -juin 29 -juin 14 -juil 29 -juil
Quelle qualité et quels processus? Flux d’eau et de carbone La qualité • Taille • Qualité gustative (sucres-acides) • Valeur santé (caroténoïdes, vit. C) • Texture Croissance Métabolisme sucres & acides Division Endoreduplication Grandissement Transpiration CO 2 Respiration Métabolisme II µnutriments Maturation (C 2 H 4)
Ethylène Temp Respiration Croissance ATP Yang Cycle MET ATP MTA SAM ACC Emission C 2 H 4 MACC MET=Methionine SAM=S-adenosylmethionine MTA=5’-methylthioadenosine ACC=1 -amino-cyclopropane-1 -carboxylic acid MACC= Malonyl-ACC
Ethylène Forte croissance Faible croissance
Lien Ecophysio-Omics n Approches ciblées n Approches d’exploration globale
Approches ciblées n n Voie de biosynthèse connue Mutants Expression de gènes, protéïnes, métabolites ciblés Activités enzymatiques
Barley morphology, genetics and hormonal regulation of internode elongation modelled by a relational growth grammar Gerhard H. Buck-Sorlin n. Ole Kniemeyer nand Winfried Kurth n
Mécanismes de régulation des teneurs en vitamine C Voie de synthèse D-glucose Recyclage MDHAR Transport D-mannose-1 -P GMP GDP-D-mannose AO Ascorbate réduit Ascorbate oxydé APX DHAR Dégradation GLD L-Galactono-1, 4 -lactone
Approches globales n n Expression de gènes, protéïnes, métabolites Au cours du temps Mutants Environnement
Vers la biologie intégrative Mapman Transcriptomique Protéomique Flux d’eau et de carbone Croissance Métabolisme sucres & acides Division Endoreduplication Grandissement Respiration Métabolomique Transpiration CO 2 Métabolisme II µnutriments Maturation (C 2 H 4)
Virtual fruit System Shoot bearing fruits Leafy shoots stem = + fruits + With possible supply of assimilate from the tree to the shoot
Virtual Fruit No. of fruits No. of leafy shoots Radiation Temperature Relative Stem water humidity potential Leaf water potential Carbon assimilation and allocation C flow Carbon partitioning in the flesh Amounts of sugars Water fluxes in and out going from the fruit C flow Conductance Tree Final outputs of agronomical interest Fresh fruit mass % flesh Dry matter content of the flesh Sweetness index Crack density
Omics
Normal
Normal
Mutant
Normal/Mutant
Différence Normal-Mutant
Mapman
Mapfruit
Approche QTLs de métabolome, protéome, … QTLs de variables écophysiologiques, paramètres de modèles, variables de modèles
QTLs de paramètres Fruit virtuel Flux d’eau et de carbone PSH-GAFL GL 1 Croissance Métabolisme sucres & acides Division Endoreduplication Grandissement Respiration Métabolisme II µnutriments Maturation (C 2 H 4) Transpiration CO 2 0 AG 109 6 CFF 5 11 AG 102 20 22 26 CFF 14 CFF 7 CFF 2 35 40 PC 78 CFF 19 47 PC 102 58 PC 30 67 68 AG 29 CFM 7 75 80 84 PC 35 CFM 12 CFF 18 96 100 104 CFF 17 AG 44 FG 79 116 119 CFF 9 CFM 6 128 AC 18 GL 7 0 5 Masse CFF 8 CFM 3 14 mp 6 23 CC 63 b 28 31 CFF 11 AG 104 43 46 48 mp 22 CFF 10 CC 132 41
Que fait-on concrètement? n n Réfléchir à la démarche: quelle approche stat? . . . Se lancer dans des projets concrets n n À partir de données existantes (exple protéome? ) Sur la prise en compte dans les modèles des gènes à action connue (exple de Buck-Sorlin). Ok sur la tomate? Sur Ethylène…
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