pôle horticole intégré

Pôle Horticole IntégréPôle Horticole Intégré

Centre INRA d’AvignonCentre INRA d’Avignon

Biologie des Systèmes Horticoles Biologie des Systèmes Horticoles (BioSyH)(BioSyH)

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 VirtuelFruit Virtuel

Some good reasons to develop a virtual fruitSome good reasons to develop a virtual fruit

Fruit = complex system difficult to analyse Fruit = complex system difficult to analyse without a theory of how it is workingwithout a theory of how it is working

Quality is described by multiple traitsQuality is described by multiple traits Multiple environmental, agronomical and Multiple environmental, agronomical and

genetic factors interact on the fruit system, genetic factors interact on the fruit system, leading to quality expressionleading to quality expression

Métabolisme sucres & acides

Maturation(C2H4)

Croissance

Division Endoreduplication Grandissement

Flux d’eau et de

carbone

Transpiratio

n CO2

RespirationMétabolisme

IIµnutriments

Quelle qualité et quels processus?Quelle qualité et quels processus?

La qualitéLa qualité

• Taille• Qualité gustative (sucres-acides)•Valeur santé (caroténoïdes, vit. C)•Texture

Cell proliferation and endoréduplicationCell proliferation and endoréduplication

1

i1

i2

i3

i4

i5

N1(i-1)

2

N1(i+1)

(1-i+11)

i+11

N2Gi+1

4N2G

i+1

(1-i+12)

N4Gi+

1

i+1

12i

+1

im

2N12(i+2)

1

N1(i+2)

cycle n° i cycle n° i+1 cycle n° i+2 temps

ti-1 ti ti+1 ti+2

(1-i5)

i

5

N32

Gi

64N32

Gi

(1-i6)

i

6

N64

Gi

128

21-i (1-

i1)

i

1

N2

Gi

4N2

Gi

(1-i2)

i

2

N4

Gi

8N4

Gi

(1-i3)

i

3

N8

Gi

16N8

Gi

(1-i4)

i

4

N16

Gi

32N16

Gi

i

1N1(i)=2i N12(i-1)

Ng(i+1)

2i

i6

i7

1-i

interphases G

mitose

2c

4c

8c

256c

Cell proliferation and endoréduplicationCell proliferation and endoréduplication

Cell number

Days

Cells distribution per ploïdy level

Days Days

2C 4C

8C 16C

32C 64C

128C 256C


Maturation(C2H4)

Croissance


Flux d’eau et de

carbone

Transpiratio

n CO2


IIµnutriments




Transport des sucres dans les cellulesTransport des sucres dans les cellules du fruitdu fruit

Phloème

Apoplasme

Cytoplasme

Vacuole

S = vm Cp / (KM+ Cp)

+ (1-sp) Cm Fp

+ Ap ps (Cp-Cf) ou ps = perméabilité aux sucresFP = Ap Lp [ Pp - Pf - sp (pp - pf)]

Theory of cell expansionTheory of cell expansion

dV/dt = . V . (Pf - Y)

0,000

0,005

0,010

0,015

0,020

250 450 650 850 1050 1250

Degrés Jours Après Floraison

(M

Pa

-1 h

-1)

+ (1 / ). V . (dPf / dt)

Irreversible PLASTIC variations in volume

(Lockart 1965)

Short-term reversible ELASTICVariations

Cell wall extensibility

Yield threshold=ƒ(growth)

Volumetric elastic modulus

Turgor pressure

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108

Heures

0

5

10

15

20

Vo

lum

e f

ruit

(g

)

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108

Heures

-1.50

-0.75

0.00

0.75

1.50

Va

ria

tio

n v

olu

me

(g

h-1)

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108

Heures

-1.50

-0.75

0.00

0.75

1.50

Va

ria

tio

n v

olu

me

(g

h-1)

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108

Heures

0

5

10

15

20

Vo

lum

e f

ruit

(g

)

Thèse M. Léchaudel

Model of cell and fruit expansionModel of cell and fruit expansion


Maturation(C2H4)

Croissance


Flux d’eau et de

carbone

Transpiratio

n CO2


IIµnutriments




Sugar ModelSugar Model

C supply

Sucrose

Sorbitol

ph

1- ph

Othercompounds

synthesisk4(t)

CO2

Glucose Fructose

k2(t)

k1(t)

k3(t)

k1(t)

Sugar metabolismSugar metabolism

30 leaves/fruit18 leaves/fruit 6 leaves/fruit

Days after bloom

Days after bloom

Days after bloom

Days after bloom

Voies des mitochondries Voies des mitochondries et métabolisme de l’acide citrique et métabolisme de l’acide citrique

Passage dans le cytosol et accumulation dans la vacuole

Malate Citrate

Pyruvate

Pyruvate

AOA

Citrate

Acétyl-CoA

Production de citrate = entrée de malate -oxydation en pyruvate

Transports tonoplastiquesTransports tonoplastiques

Compositionvacuolaire

Quinate, Citrate

pH

Cations Mal2- HMal- H2Mal

Mal2-

Transportdu malate

ATP H+ ATPase

(I)(II)

(III)

K+

Démarche de modélisation :

- équilibres thermodynamiques

- succession d'états d'équilibres

0

1

2

3

4

15-mai 30-mai 14-juin 29-juin 14-juil 29-juil

Te

neu

r en

citr

ate

(mm

ol.1

00

g-1

)

0

2

4

6

15-mai 30-mai 14-juin 29-juin 14-juil 29-juil

Ten

eur

en m

alat

e

(mm

ol.1

00g

-1)

Metabolisme des acidesMetabolisme des acides

Acide Citrique

Acide Malique


Maturation(C2H4)

Croissance


Flux d’eau et de

carbone

Transpiratio

n CO2


IIµnutriments




Emission

EthylèneEthylène

ATP

C2H4

Yang Cycle

MTAATP

MET

ACC MACC

SAM

Respiration

Croissance

Temp

MET=MethionineSAM=S-adenosylmethionineMTA=5’-methylthioadenosineACC=1-amino-cyclopropane-1-carboxylic acidMACC= Malonyl-ACC

EthylèneEthylène

Faible croissance

Forte croissance

Lien Ecophysio-Omics Lien Ecophysio-Omics

Approches cibléesApproches ciblées

Approches d’exploration globaleApproches d’exploration globale

Approches cibléesApproches ciblées

Voie de biosynthèse connueVoie de biosynthèse connue MutantsMutants Expression de gènes, protéïnes, métabolites Expression de gènes, protéïnes, métabolites

ciblésciblés Activités enzymatiquesActivités enzymatiques

Barley morphology, genetics and hormonal Barley morphology, genetics and hormonal regulation of internode elongation modelled regulation of internode elongation modelled by a relational growth grammarby a relational growth grammar

Gerhard H. Buck-SorlinOle Kniemeyerand Winfried Kurth

Ascorbate réduitAscorbate oxydé

D-glucose

D-mannose-1-P

GDP-D-mannose

L-Galactono-1,4-lactone

GMP

GLD

Voie de synthèse

Recyclage

MDHAR

AO

APX

Dégradation

Transport

DHAR

Mécanismes de régulation Mécanismes de régulation des teneurs en vitamine Cdes teneurs en vitamine C

Approches globalesApproches globales

Expression de gènes, protéïnes, métabolites Expression de gènes, protéïnes, métabolites Au cours du tempsAu cours du temps MutantsMutants EnvironnementEnvironnement

Transcriptomique

Protéomique

Métabolomique

Vers la biologie intégrativeVers la biologie intégrativeMapmanMapman

Croissance



Flux d’eau et de

carbone

Transpiratio

n CO2

Métabolisme II

µnutriments

Maturation(C2H4)

Respiration

Shoot bearing fruitsShoot bearing fruits

=

stem

+

Leafy shoots

+

fruits

With possible supply of assimilate from the tree to the shoot

Virtual fruit SystemVirtual fruit System

Fresh fruit mass% flesh

Dry matter content of the fleshSweetness indexCrack density

Final outputs of agronomical interest

Tree

Leaf water potential

RadiationNo. of fruits

No. of leafy shoots

Stem water potential

Relative humidityTemperature

C flowAmounts of sugars

Carbon assimilation

and allocation

Carbon partitioning in the flesh

Water fluxes in and out going from the fruit

Conductance

C flow

Virtual FruitVirtual Fruit

NormalNormal

MutantMutant

Normal/MutantNormal/Mutant

Différence Normal-MutantDifférence Normal-Mutant

2*(mut-norm)/(|norm+mut|+0.00001)

MapmanMapman

MapfruitMapfruit

Approche QTLApproche QTL

QTLs de métabolome, protéome, …

QTLs de variables écophysiologiques,paramètres de modèles, variables de modèles

4141

Croissance



Flux d’eau et de

carbone

Transpiratio

n CO2

Métabolisme II

µnutriments

Maturation(C2H4)

Respiration

QTLs de paramètresQTLs de paramètres

PSH-GAFL

GL1

AG102

AG109

PC78

PC102

PC30

AG29

PC35

AG44 FG79

CFF9

CFF5

CFF14

CFF2

CFF19

CFM12

CFF18

CFF17

AC18

CFM6

CFF7

CFM7

0

6

35

58

75

67

8084

96

11

20

26

40

47

100

104

116 119

128

22

68

GL7

CFF8

CFM3

CFF11

CC63b

mp6

AG104

mp22CFF10CC132

0

5

23

14

28 31

434648

Masse

Fruit virtuel

Que fait-on concrètement?Que fait-on concrètement?

Réfléchir à la démarche: quelle approche stat?...Réfléchir à la démarche: quelle approche stat?... Se lancer dans des projets concretsSe lancer dans des projets concrets

À partir de données existantes (exple protéome?)À partir de données existantes (exple protéome?) Sur la prise en compte dans les modèles des gènes à Sur la prise en compte dans les modèles des gènes à

action connue (exple de Buck-Sorlin). Ok sur la action connue (exple de Buck-Sorlin). Ok sur la tomate? Sur Ethylène…tomate? Sur Ethylène…

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