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Métabolisme des fructanes au cours du développement et après récolte chez la fléole des prés (Phleum pratense L.) : identification et analyse fonctionnelle de deux gènes codant des fructanes exo-hydrolases (FEHs) à activité invertase

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Ould Ahmed, Marouf (2013). Métabolisme des fructanes au cours du développement et après récolte chez la fléole des prés (Phleum pratense L.) : identification et analyse fonctionnelle de deux gènes codant des fructanes exo-hydrolases (FEHs) à activité invertase. (Thèse de doctorat). Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue. Repéré dans Depositum à https://depositum.uqat.ca/id/eprint/505

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Résumé

La fléole des prés (Phleum pratense L.) est une Poacée fourragère pérenne caractéristique des
régions tempérées et froides, utilisée pour l'alimentation animale en pâturage ou sous forme
de foin ou d'ensilage. Elle accumule ses réserves glucidiques principalement sous forme de
fructanes, polymères solubles de fructose, qui participent à la valeur nutritive du fourrage et
au processus de fermentation lors de l'ensilage. Les objectifs de cette thèse étaient i)
d'étudier le métabolisme des fructanes chez cette espèce pendant la croissance dans le but
d'évaluer le stade de fauche permettant d'obtenir des teneurs maximales en fructanes, en
prenant en compte le niveau de fertilisation azotée, ii) d'étudier le métabolisme des fructanes
après la fauche, pendant le fanage et iii) d'identifier et caractériser les enzymes de
dégradation des fructanes (les fructane exohydrolases, FEHs). Les tissus récoltés lors de la
fauche (sommet des parties aériennes) ont été analysés pour quatre stades de développement
(stade végétatif, montaison, épiaison et anthèse) et deux niveaux de nutrition azotée (0,375 et
3,75 mM de NH4NO3), en conditions hydroponiques. Le métabolisme de ces sucres a
également été suivi après fauche, pendant le fanage, pour les deux derniers stades. Les
résultats montrent que l'accumulation des fructanes est maximale à l'anthèse. La diminution
des teneurs en NILN03 n'a pas d'effet sur l'accumulation des fructanes alors qu'elle
provoque une forte augmentation de la concentration en amidon dans les limbes. Cela
suggère que les mécanismes d'interactions entre le métabolisme de l'amidon et de l'azote
d'une part, et le métabolisme des fructanes et de l'azote d'autre part sont différents. Pendant
le fanage (à la lumière ou à l'obscurité, à 20°C ou l5°C), les teneurs en sucres solubles sont
assez stables pendant les 24 premières heures tandis que les teneurs en protéines et en amidon
diminuent puis se stabilisent dès que la matière sèche dépasse le seuil des 40%. L'activité
d'initiation de la synthèse des fructanes (SST) décroît rapidement après la fauche alors que
les activités FEH et invertase acide soluble restent élevées pendant les premières heures,
indiquant le maintien du métabolisme cellulaire en début de fanage. Par ailleurs, une banque
d'ADNe des tissus aériens de fléole a été réalisée et quatre nouveaux gènes codant
potentiellement des FEHs ont été identifiés. Deux de ces FEHs, ont pu être fonctionnell ement
caractérisées et exprimées dans Pichia pastoris. Ces nouvelles enzymes (Ppl&6FEH1 et
PpFEH-INV) sont capables d'hydrolyser les liens β(2-1) et β(2-6) des fructanes mais
également le saccharose. Ces FEHs non spécifiques, possédant une activité invertase,
pourraient être impliquées dans une régulation fine des teneurs en fructanes et en saccharose
en contribuant à une meilleure balance des flux de carbone entre les tissus aériens
photosynthétiquement actifs et les tissus puits des parties inférieures. Timothy (Phleum pratense L.) is an important grass forage used for pasture, hay, and silage
in regions with cool and humid growth season. One of the factors affecting its nutritive value
and the silage fermentation process is the concentration of nonstructural carbohydrates
(NSC), which are mainly fructans, soluble polymers of fructose. The objectives of this the sis
were i) to study fructan metabolism in timothy during growth to assess the stage of
development with maximal fructan contents, taking into account the level of nitrogen
fertilization, ii) to study the metabolism of fructans during wilting and iii) to identifY and
characterize plants enzymes involved in fructan breakdown (fructan exohydrolases, FEHs).
Harvested tissues (shoot above Sem) were analyzed at four stages of development (vegetative
stage, stem elongation stage, heading and anthesis) and two levels of nitrogen fertilization
(0.375 and 3.75 mm of NH4NO3), in hydroponic conditions. Sugar metabolism was followed
during wilting, in tissues harvested at heading and anthesis. Our results show that the
accumulation of fructans was maximal at anthesis. The decrease of NH4NO3 concentration
had no effect on fructan accumulation while it caused a strong increase of starch ccentration
in leaves. These results suggest that the mechanisms of interaction between starch and
nitrogen metabolisms on one hand, and fructans and nitrogen metabolisms on the other hand
are different. During wilting (under light or darkness, at 20°C or 15°C), the contents in
soluble sugars were rather stable during the first 24 hours whereas protein and starch
concentrations decreased during the first hours and remained stable thereafter until the dry
material content reached 40%. The sucrose:sucrose fructosyltransferase (SST) activity,
which allows the initiation of fructan synthesis, decreased quickly after harvest while FEH
and soluble acid invertase activities remained high during the first hours, indicating the
preservation of cellular metabolism at the beginning of wilting. A cDNA library was built
from mRNA timothy shoot above 10 cm and four new genes coding for putative FEHs were
identified. Two of these genes were expressed in Pichia pastoris and functionally
characterized. These new enzymes (Ppl&6FEH1 and PpFEH-INV) hydrolyze β(2-1) and
β(2-6) linkages in fructans and also sucrose. These non specifie FEHs, possessing an
invertase activity, could be involved in fine regulation of fructan and sucrose contents by
contributing to a better balance of carbon flows between the photosynthetically active shoot
tissues and the sink tissues at the plant base.

Type de document: Thèse ou mémoires (Thèse de doctorat)
Directeur de mémoire/thèse: Drouin, Pascal
Co-directeurs de mémoire/thèse: Prud'Homme, Marie-Pascale et Lafrenière, Carole
Informations complémentaires: Thèse de doctorat en sciences de l'environnement présentée à l'UQAT, en association avec l'UQAM et en cotutelle avec l'Université de Caen Basse-Normandie. Comprend un résumé en français et un en anglais.
Mots-clés libres: Fleole, Phleum pratense L., fructanes, foin, fanage, stade de developpement, fructane exohydrolase (FEH).Timothy, fructans, hay, wilting, stage of development, fructan exohydrolase
Divisions: Forêts > Doctorat en sciences de l'environnement
Date de dépôt: 05 mars 2013 16:25
Dernière modification: 05 mars 2013 16:25
URI: https://depositum.uqat.ca/id/eprint/505

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