Augmentation de la teneur en huile par une réorientation des flux de carbone au cours du développement de la graine – SYNERGY (Seeds Yield eNERGY)

Nous allons développer de nouvelles technologies pour augmenter l'efficacité du dépistage de gènes de régulation par l'utilisation d'une combinaison d'un rapporteur fluorescent et un puissant marqueur de sélection métabolique sous le contrôle de gènes liés à la synthèse des réserves de graines. Cette stratégie de sélection permettra de minimiser les efforts et les coûts et nous permettons d'effectuer plusieurs criblages complémentaires. Par exemple, pour les gènes contrôlant la répartition du carbone, pour les criblages qui permettent l'isolement des composants de complexes de régulation via des interactions entre les protéines ou des facteurs régulatrices qui agissent dans les mêmes voies comme certains gènes régulateurs maîtres qui contrôlent de nombreux aspects du développement des graines, y compris la synthèse des réserves de huile et de protéines. Nous allons mener les criblages d'interaction entre protéine et ADN dans la levure pour isoler des gènes de plantes qui contrôlent directement la synthèse de stockage de huile. Le criblage de grandes populations de plantes d'Arabidopsis mutagénisées s'est avéré une approche efficace pour isoler des gènes qui modifient la teneur en huile des graines. Nous allons optimise de ce type criblage pour de nouvelles collections des mutantes. Nous allons étudier la relation entre le métabolisme des glucides, la taille des graines et la teneur en huile des graines en déchiffrant la régulation des gènes qui contrôlent la synthèse des glucides pour fournir une compréhension de la façon dont les gènes exprimés dans le tégument influence de l'accumulation de l'huile dans l'embryon. Cette connaissance du réseau de gènes contrôlant la synthèse des glucides dans les parois cellulaires et les téguments de semences d'Arabidopsis nous permettra de taire des gènes similaires chez Camelina sativa dans l'espoir d'augmenter le rendement en huile dans cette culture non alimentaire.

À la fin du projet, nous nous attendons à avoir développé prototypes lignes de Camelina sativa avec une amélioration du rendement de l'huile pour la production de biodiesel et / ou des applications industrielles comme une preuve de concept du projet SYNERGY. Les résultats scientifiques attendus de ce projet compris l'identification des facteurs protéiques nouvelle qui contrôlent l'accumulation de réserves dans les graines et un aperçu sur la façon dont ces facteurs s'intégrer dans un réseau de régulation qui contrôle la synthèse et l'accumulation de réserves dans les graines. Une meilleure compréhension du mécanisme de la façon dont le carbone assimilé par la plante lors de la photosynthèse est convertie en réserves dans la graine aidera l'ingénierie et de la sélection des plantes cultivées avec des rendements plus élevés de huile ou de protéines dans les graines. Nous attendons donc à ce que les résultats générés par le projet SYNERGY seront utiles pour comprendre les mécanismes de régulation de la répartition du carbone en sucre, amidon, de lipides et de protéines chez les tissus reproducteurs (fruits, tégument, endosperme, embryon) et aussi dans les tissus végétatifs (feuilles tiges, tubercules et racines). Nos premiers résultats incluent l'isolement des régulateurs putatifs des gènes qui sont importants dans le contrôle de la biosynthèse de l'huile et de l'identification d'un grand nombre de graines provenant de lignées d'Arabidopsis mutées qui semblent avoir des quantités élevées ou faibles de l'huile.

La recherche dans le projet SYNERGY jette les bases pour la création d'oléagineux à haut rendement non alimentaires qui sont performant sur des terres marginales. La création de nouvelles cultures oléagineuses augmentera le production d'huiles végétales indépendantes de la chaîne d'approvisionnement alimentaire en facilitant ainsi l'expansion du biodiesel. Nous prévoyons que cela conduira à une utilisation accrue d'huile de l’oléagineux comme carburant de transport lourd renouvelable avec un effet positif sur l'environnement en réduisant les émissions de gaz et l'utilisation de combustibles fossiles. Nous croyons que le projet aura un impact supplémentaire sur le potentiel de densification de l'énergie de la biomasse végétale et la production de bioproduits à forte valeur ajoutée dans les graines. Transfert des connaissances et des gènes issus du projet SYNERGY vers les oléagineux conventionnels permettra d'atténuer le conflit alimentaire et énergétique en augmentant la disponibilité des huiles végétales destinées à l'alimentation humaine et animale. Par isolement des facteurs que le carbone de contrôle de répartition de carbone entre huile et protéines, nous devrions être en mesure d'augmenter un ou autre réserve pour finalement obtenir une haut teneur huile faible teneur en protéines ou de graines de haut teneur en protéines faibles en huile en fonction de l'utilisation prévue de la récolte.

Poster:
Dean G, Shi L, Roscoe T, Devic M, Smith M, Haughn G, Kunst L. (2013) Investigating the links between oil accumulation and seed coat development in Arabidopsis and Camelina. Gordon Research Conference, Plant Lipids: Structure, Metabolism & Function Galveston, USA January 26-27, 2013.
Cette affiche explique comment les mutations dans les gènes qui contrôlent la synthèse de mucilage dans le tégument conduisent à une augmentation de la teneur en huile de la graine d'Arabidopsis, une plante modèle. La connaissance de ces gènes nous permet de réduire la production de mucilage dans l'enveloppe de la graine de Camelina sativa, une plante oléagineuse non alimentaire émergents, afin d'accroître le rendement en huile dans la graine. Nous décrivons aussi la façon dont nous sélectionnons les graines de la teneur en huile élevée ou faible.

Il y a des demandes environnementales et économiques pressantes à développer des sources d’énergies renouvelables pour le chauffage, l’électricité et les transports. Les bioénergies sous forme de biomasse et biofuels vont constituer un composant de plus en plus important de l’énergie renouvelable si leur production ne compromet pas les surfaces utilisées pour la production alimentaire et que la balance du carbone est assurée. Pour les fuels de transport, le biodiesel dérivé des triacylglycérols (TAG) des graines oléagineuses est supérieur à l’éthanol produit à partir d’amidon ou de sucres de part sa plus grande densité énergétique par volume et son efficacité de conversion en énergie. Une barrière à l’utilisation à grande échelle du biodiesel est associée à son cout et à l’approvisionnement limité en huiles végétales. Ainsi, afin d’éviter le problème de la demande croissante en huiles pour la nutrition, l’industrie et le biodiesel, il est essentiel d’améliorer les rendements des graines oléagineuses. Une approche serait de modifier la répartition de carbone pour favoriser la synthèse des TAG par rapport à celles des protéines et autres réserves de la graine. Une telle approche nécessite une connaissance approfondie des déterminants génétiques gouvernant le développement de la graine et l’accumulation des réserves.
Le but du projet est d’évaluer comment le carbone peut être redirigé des composés structuraux et autres réserves de la graine vers les TAG pour augmenter le rendement en huile chez une plante modèle, avec la perspective de transférer ce savoir vers les espèces non alimentaires performantes sur des terres à faible rendement. Les objectifs de SYNERGY sont (1) d’identifier et de caractériser de nouveaux régulateurs de la synthèse des huiles de la graine et de tester leur impact sur la répartition du carbone entre l’huile et les protéines, (2) d’élucider les réseaux de régulation contrôlant les voies métaboliques spécifiques des téguments de la graine et de déterminer si les modifications du métabolisme des téguments influencent le métabolisme des assimilats carbonés de l’embryon.
En caractérisant des facteurs de transcription qui contrôlent l’expression d’acyltransférases essentielles à la synthèse des TAG dans les graines, le projet SYNERGY apportera des connaissances sur la régulation des gènes qui contrôlent l’assemblage des TAG. Les cribles génétiques conduiront à l’identification de facteurs incluant de nouveaux régulateurs, co-régulateurs et répresseurs qui contrôlent à la fois la production des acides gras destinés à l’assemblage des TAG et ceux qui contrôlent la synthèse des protéines de réserves. La dissection génétique du réseau de gènes contrôlant la teneur en huile des graines du mutant glabra 2 nous apportera une meilleure compréhension du contrôle transcriptionnel de la biosynthèse du mucilage dans les téguments et de la signalisation de la répartition du carbone vers la biosynthèse des lipides dans l’embryon. Grâce à ces connaissances, nous serons dans une position unique pour manipuler le contenu en huile des graines par le contrôle de la direction des flux de carbone entre les métabolites et composants de la graine. Les gènes candidats d’intérêt pour l’augmentation de la teneur en huile seront transférés chez Camelina sativa. Ce transfert, de la plante modèle à la plante d’intérêt industriel apporte une valeur ajoutée essentielle à la partie de recherche fondamentale du projet SYNERGY.
En conclusion, le projet va conduire à l’identification de nouveaux régulateurs de la modification des acides gras, de l’assemblage des TAG et de la synthèse des protéines de réserves. Il apportera des informations quant à l’impact des facteurs AP2, TTG1, TTG2 et GL2 et leur relation avec FUS3 sur la synthèse des lipides dans l’embryon. Nous anticipons que les connaissances acquises au cours du projet contriburont au développement de nouvelles variétés de plantes oléagineuses non alimentaires à forte teneur en huile.