DS0501 - Biologie des animaux, des végétaux, des micro-organismes et adaptation aux changements environnementaux

Modélisation intégrative du fruit pour un système de sélection unifié – FRIMOUSS

Pourquoi modéliser le métabolisme des fruits ?

La complexité des réseaux métaboliques est telle qu’il est impossible de prévoir par le raisonnement les effets d’une perturbation. Les tentatives d’amélioration par la manipulation d'enzymes ont rarement été concluantes. C’est la modélisation qui va nous permettre de mieux appréhender cette complexité puis cerner les leviers capables d’influencer la croissance et la mise en place de la qualité, leviers qui pourront alors être utilisés pour améliorer les rendements et la qualité des fruits.

Les objectifs de FRIMOUSS

1. Étendre les modèles déjà développés pour la tomate et les transférer chez les autres espèces puis identifier les paramètres les plus critiques pour la croissance des fruits et leur qualité. 2. Mieux comprendre comment les contraintes biophysiques et la programmation du métabolisme sont intégrées 3. Proposer un prototype de boîte à outils dédiée à l’amélioration des fruits

Trois approches sont utilisées: 1. Un modèle cinétique regroupant un ensemble d'équations différentielles décrivant les voies centrales du métabolisme primaire ; il permettra de rechercher les paramètres métaboliques qui exercent un contrôle significatif sur les flux et les concentrations des métabolites centraux. 2. Un modèle stœchiométrique décrivant un grand nombre de réaction métaboliques ; sa vocation est de prédire les flux de matière dans le réseau métabolique tout au long du développement du fruit. 3. Un modèle écophysiologique décrivant des processus sera construit par l'adaptation et l'intégration de modules existants qui décrivent la division cellulaire, l'expansion cellulaire ainsi que l'allocation des ressources. Les trois modèles sont étendus et optimisés dans la tomate et transférés aux autres espèces. Un effort de normalisation permettra la comparaison et la validation des modèles puis leur intégration via l'implémentation du modèle cinétique en mode dynamique afin de le connecter au modèle écophysiologique. le réseau métabolique sera alors simplifié afin de ne garder que les paramètres influant le plus taille et composition des fruits. Des fruits obtenus à partir de plantes cultivées dans des conditions optimales ont été récoltés tout au long de leur développement. Des données écophysiologiques, biochimiques (composition de la biomasse, concentrations en intermédiaires métaboliques, capacités d'enzymes) et cytologiques (volumes subcellulaires) sont produites « à la carte » pour paramétrer et valider les modèles.

Une collection sans précédent d'échantillons de fruits a été obtenues. Le jeu de données en cours de production à partir de ces échantillons va représenter une ressource majeure pour les biologistes du fruit. La validation du modèle cinétique étendu au métabolisme central carboné du fruit de tomate représente une avancée majeure pour la recherche sur le métabolisme. Une publication est en préparation.

Ce projet de biologie des systèmes devrait aboutir à une meilleure compréhension des compromis qui sous-tendent l’élaboration de la biomasse des fruits, l'identification de paramètres exerçant un fort contrôle sur ces compromis, et finalement une boîte à outils (un modèle SBML pré-paramétré pour permettre une gamme de simulations dans les fruits) pour la manipulation de la qualité des fruits.

1. Review article: Dai ZW et al. (2016) Inter-Species Comparative Analysis of Components of Soluble Sugar Concentration in Fleshy Fruits. Frontiers in Plant Science 7: #649. 2. Poster: Nazaret C et al. (2016) How to optimize metabolites and fluxes in a metabolic pathway? Attempt on tomato sugar metabolism. International Study Group for Systems Biology conference in Jena, D. 3. Poster: Dai Z et al. (2017) Multiscale Fruit Modeling: integrating biophysical fruit growth with biochemical metabolisms in 10 fruits. Crops in Silico, Oxford, UK. 4. Conference: Beauvoit B et al. (2017) System-oriented studies of fruit metabolism. Plamerston North, NZ. 5. Poster/Talk: Roch L et al. (2017) Comparative study of primary metabolite patterns in diverse fleshy fruit species. MetaboMeeting, Birmingham, UK. 6. Poster: Roch L et al. (2017) Integrative and comparative study of primary metabolism of different species during fruit development. Journée Scientifique de l’école doctorale SVS, Université de Bordeaux, F. 7. Poster: Roch L et al. (2017) Integrative and comparative study of primary metabolism of different species during fruit development. Journées des Doctorants INRA-Biologie et Amélioration des Plantes, Bordeaux, F. 8. Conference: Colombié S et al. (2015) Fruit Systems Biology. Tsukuba Global Science Conference, Tsukuba, JP. 9. Conference: Colombié S et al. (2015) Fruit Systems Biology. International Plant Molecular Biology, Foz do Iguaçu, BR.

La production commerciale de fruits et de vin subit des aléas environnementaux mais aussi une évolution de la demande des consommateurs en termes de goût ou de valeur nutritionnelle, entraînant un besoin de faire évoluer les variétés. L'un des objectifs clés de la biologie du fruit est donc de comprendre les facteurs qui influencent la croissance et la qualité des fruits, en vue de pouvoir les manipuler pour améliorer les traits visés. La mise en place de stratégies unifiées permettrait l'amélioration des plantes cultivées économiquement majeures mais aussi mineures. Le métabolisme est une cible évidente pour l'amélioration des plantes cultivées, en particulier les fruits. Comprendre les mécanismes reliant le métabolisme à des phénotypes aiderait à mieux cibler les stratégies d’amélioration. FRIMOUSS fait le pari que la comparaison d’espèces aidera à mieux comprendre le lien entre la programmation du métabolisme, la croissance et la qualité des fruits, ce qui permettra d’identifier des points de régulation essentiels, notamment en termes de compromis à trouver entre les composantes métaboliques et biophysiques qui conditionnent la qualité des fruits. Pour cela, trois approches de modélisation seront développées et combinées afin de comparer 10 espèces de fruits contrastées (tomate, vigne, pêche, poivron, aubergine, pomme, fraise, clémentine, kiwi et de concombre). Un modèle cinétique existant regroupant un ensemble d'équations différentielles décrivant chaque étape du métabolisme du saccharose sera étendu pour permettre la recherche de paramètres métaboliques exerçant un contrôle significatif sur les flux et concentrations métaboliques. Un modèle stœchiométrique existant qui décrit le métabolisme primaire dans la tomate sera également étendu à un plus large éventail de voies pour permettre des prévisions de flux robustes tout au long du développement du fruit. Un modèle écophysiologique décrivant des processus sera construit par l'adaptation et l'intégration de modules existants qui décrivent la division cellulaire, l'expansion cellulaire ainsi que l'allocation des ressources. Les trois modèles seront étendus et optimisés dans la tomate et transférés aux autres espèces. Un effort de normalisation sera entrepris via la mise en place de solutions informatiques reliant les données expérimentales avec les entrées et les sorties des modèles. Il permettra la comparaison et la validation croisée des variables communes des modèles puis leur intégration. Ce dernier défi sera effectué en implémentant le modèle cinétique en mode dynamique afin de le connecter au modèle écophysiologique tandis que des flux clés (redox et énergie) seront calculés par le modèle stœchiométrique. Enfin, les réactions enzymatiques les moins influentes seront enlevées et remplacées par des équations simplifiées, afin de ne garder que les paramètres exerçant la plus forte influence sur la taille et la composition des fruits. Le paramétrage de tous les modèles sera rendu possible par une interaction étroite avec les biologistes expérimentateurs. Ainsi, les plantes seront cultivées dans des conditions optimales et les fruits récoltés tout au long de leur développement. Des données écophysiologiques, biochimiques (composition de la biomasse, concentrations en intermédiaires métaboliques, capacités d'enzymes) et cytologiques (volumes subcellulaires) seront produites « à la carte », permettant ainsi d’itérer expériences virtuelles et réelles. Ce projet de biologie des systèmes devrait conduire à des avancées majeures incluant une meilleure compréhension des compromis qui sous-tendent l’élaboration de la biomasse des fruits, l'identification de paramètres exerçant un fort contrôle sur ces compromis, et finalement une boîte à outils (un modèle SBML pré-paramétré pour permettre une gamme de simulations dans les fruits) pour la manipulation de la qualité des fruits.

Coordinateur du projet

Monsieur Yves Gibon (Biologie du Fruit et Pathologie)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

INRA - EGFV Ecophysiologie et Génomique Fonctionnelle de la Vigne
INRA - PSH Unité de recherche Plantes et Systèmes de Culture Horticoles
INRA - BFP Biologie du Fruit et Pathologie

Aide de l'ANR 501 702 euros
Début et durée du projet scientifique : novembre 2015 - 42 Mois

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