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Dernière mise à jour : Mai 2018

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SPS - Saclay Plant Sciences

Projet 2: Interactions métaboliques et flux pour une amélioration quantitative et qualitative de la biomasse végétale

Coordination: Guillaume Tcherkez / Michael Hodges

Résumé:

L'agriculture durable et l'utilisation des plantes pour la biomasse et la chimie verte exigeront l'ingénierie des voies biochimiques pour réorienter le métabolisme des plantes. Ces objectifs sont entravés par notre mauvaise compréhension des étapes métaboliques qui contrôlent les réseaux métaboliques complexes et l'absence d'une vision intégrative et dynamique du métabolisme des plantes. Il est donc important d'identifier les goulets d'étranglement métaboliques pour guider la sélection végétale et l'ingénierie génétique. Un objectif majeur de ce projet était de fournir une vue intégrée des interactions entre les fonctions métaboliques des plantes comme la photosynthèse, la photorespiration, le cycle de Krebs, l'assimilation d’azote, le métabolisme des acides aminés et la biosynthèse du NAD, y compris les mécanismes de régulation post-traductionnels et les flux métaboliques. Des approches complémentaires incluant la biochimie, les protéines recombinantes, les échanges gazeuses foliaires, le marquage avec du 13C et du 15N, la métabolomique, la phosphoprotéomique et la génétique inverse ont été utilisés pour y parvenir. Les principaux résultats incluent: L'identification des phosphorylations différentielles lumière/obscurité des enzymes du métabolisme primaire, y compris les protéines photoréspiratoires et les enzymes impliquées dans les voies glycolytiques et alternatives de la biosynthèse de la sérine. L’évidence montrant que la biosynthèse du NAD est un processus qui limite le rendement de la plante. Une interaction coordonnée entre les activités photosynthétique et photorespiratoire est nécessaire pour le bon développement de la plante dans l'air car un cycle photorespiratoire bloqué a une incidence négative sur la photosynthèse, ce qui modifie l'allocation du carbone et le contenu en RuBisCo. La présence d'une voie alternative pour la distribution du carbone respiratoire par la synthèse et le recyclage de la lysine contribue à la flexibilité métabolique. Les perspectives comprennent la réalisation de la biologie translationnelle pour démontrer que l’amélioration du rendement par l'augmentation de la biosynthèse du NAD s'applique aux plantes d’intérêt agronomique et la possibilité d’améliorer l'assimilation de CO2 photosynthétique et le rendement en modifiant la phosphorylation de protéines clés.

Objectifs:

Une compréhension des processus fondamentaux de l'assimilation du carbone et de l'azote et leur rapport avec la biomasse végétale est importante pour guider l’amélioration végétale et pour diriger l'ingénierie génétique. Le but de ce projet était de fournir une vue intégrée des interactions entre la photorespiration, la photosynthèse, le cycle de Krebs, l'assimilation de l’azote, la synthèse de NAD et le métabolisme des acides aminés, y compris les mécanismes de régulation et les flux métaboliques.

Principaux résultats:

Les principaux résultats comprennent:

1. Une phosphorylation différentielle à la lumière / à l’obscurité de nombreuses enzymes principales du métabolisme primaire, y compris les protéines photorespiratoires et les enzymes métabolisant l’acide 3-phosphoglycérique.

2. La biosynthèse du NAD semble limiter le rendement de la plante.

3. L'accumulation de métabolites photorespiratoires inhibe l'assimilation photosynthétique du CO2 et modifie l'allocation en carbone.

4. La synthèse et le recyclage de la lysine peuvent constituer une source alternative de carbone respiratoire et contribuent à la flexibilité métabolique.

Perspectives:

Les perspectives comprennent:

1. L'amélioration du rendement des plantes en améliorant la biosynthèse du NAD.

2. La régulation du flux photorespiratoire par phosphorylation des protéines.

3. L'estimation de l'activité de la phosphoglycérate mutase in planta par la quantification de son état de phosphorylation.

Publications (en septembre 2019):

Abadie C., Boex-Fontvieille E.R., Carroll A.J., Tcherkez G. (2016). In vivo stoichiometry of photorespiratory metabolism. Nature Plants 2: doi:10.1038/nplants.2015.1220.

Abadie C., Mainguet S., Davanture M., Hodges M., Zivy M., Tcherkez G. (2016). Concerted Changes in the Phosphoproteome and Metabolome Under Different CO2/O-2 Gaseous Conditions in Arabidopsis Rosettes. Plant and Cell Physiology 57(7): 1544-1556.

Boex-Fontvieille E., Daventure M., Jossier M., Zivy M., Hodges M., Tcherkez G. (2013). Photosynthetic Control of Arabidopsis Leaf Cytoplasmic Translation Initiation by Protein Phosphorylation. PLOS ONE 8(7): e70692.

Boex-Fontvieille E.R.A., Gauthier P.P.G., Gilard F., Hodges M., Tcherkez G.G.B. (2013). A new anaplerotic respiratory pathway involving lysine biosynthesis in isocitrate dehydrogenase-deficient Arabidopsis mutants. New Phytol 199(3): 673-682.

Boex-Fontvieille E., Davanture M., Jossier M., Zivy M., Hodges M., Tcherkez G. (2014). Photosynthetic activity influences cellulose biosynthesis and phosphorylation of proteins involved therein in Arabidopsis leaves. Journal of Experimental Botany 65(17): 4997-5010.

Boex-Fontvieille E., Daventure M., Jossier M., Hodges M., Zivy M., Tcherkez G. (2014). Phosphorylation pattern of Rubisco activase in Arabidopsis leaves. Plant Biology 16(3): 550-557.

Boex-Fontvieille E., Jossier M., Davanture M., Zivy M., Hodges M., Tcherkez G. (2014). Differential Protein Phosphorylation Regulates Chloroplast Movement in Response to Strong Light and Darkness in Arabidopsis thaliana. Plant Molecular Biology Reporter 32(5): 987-1001.

Dellero Y., Lamothe-Sibold M., Jossier M., Hodges M. (2015). Arabidopsis thaliana ggt1 photorespiratory mutants maintain leaf carbon/nitrogen balance by reducing RuBisCO content and plant growth. Plant Journal 83(6): 1005-1018.

Dellero Y., Mauve C., Boex-Fontvieille E., Flesch V., Jossier M., Tcherkez G., Hodges M. (2015). Experimental evidence for a hydride transfer mechanism in plant glycolate oxidase catalysis. Journal of Biological Chemistry 290(3): 1689-1698.

Dellero Y., Jossier M., Glab N., Oury C., Tcherkez G., Hodges M. (2016). Decreased glycolate oxidase activity leads to altered carbon allocation and leaf senescence after a transfer from high CO2 to ambient air in Arabidopsis thaliana. Journal of Experimental Botany 67(10): 3149-3163.

Dellero Y., Jossier M., Schmitz J., Maurino V.G., Hodges M. (2016). Photorespiratory glycolate-glyoxylate metabolism. Journal of Experimental Botany 67(10): 3041-3052.

Ghashghaie J., Tcherkez G. (2013). Chapter Eight - Isotope Ratio Mass Spectrometry Technique to Follow Plant Metabolism: Principles and Applications of 12C/13C Isotopes. In Advances in Botanical Research, R. Dominique, ed (Academic Press), pp. 377-405.

Hao J, Petriacq P, de Bont L, Hodges M, Gakiere B (2018) Characterization of l-aspartate oxidase from Arabidopsis thaliana. Plant Sci 271, 133–142.

Hodges M., Jossier M., Boex-Fontvieille E., Tcherkez G. (2013). Protein phosphorylation and photorespiration. Plant Biology 15(4): 694-706.

Hodges M., Dellero Y., Keech O., Betti M., Raghavendra A.S., Sage R., Zhu X.G., Allen D.K., Weber A.P.M. (2016). Perspectives for a better understanding of the metabolic integration of photorespiration within a complex plant primary metabolism network. Journal of Experimental Botany 67(10): 3015-3026.

Liu Y., Mauve C., Lamothe-Sibold M., Guérard F., Glab N., Hodges M., Jossier M. (2019) Photorespiratory serine hydroxymethyltransferase 1 activity impacts abiotic stress tolerance and stomatal closure. Plant Cell Environ 42, 2567-2583.

Tcherkez G. (2013). Is the recovery of (photo) respiratory CO2 and intermediates minimal? New Phytol 198(2): 334-338.

Communications lors de congrès:

Gordon conference “CO2 assimilation in plants”, Waterville, USA (Juin 2014): “Interactions between day respiration and photorespiration”, Guillaume Tcherkez.

Photorespiration: Key to better crops, Warnemünde, Germany (Juin 2015): “Protein phosphorylation and photorespiration”, Michael Hodges

Journées de la Sociéte Française de Photosynthèse, ENS Paris, France (Juin 2016): “The interaction between photosynthesis and photorespiration in Arabidopsis leaves”, Michael Hodges

Gordon Research Conference : Adapting Plants to Insure Against an Uncertain Future: CO2 Assimilation in Plants from Genome to Biome, Lucca Italy (2017) Phosphoregulation of photorespiratory enzymes. Michael Hodges

Autres productions:

Brevet: De Bont L., Gakière B. French Patent 14 51445 « Plantes à rendement accru et méthode d’obtention de telles plantes » (2014), extension (24 fev 2015) PCT WO2015124799 : EP3110832A1 (Europe), US20160362702 (USA)