Résumé

Le regain d’intérêt pour les protéines végétales stimule les recherches visant à développer des marqueurs d’aide à la sélection de variétés de légumineuses mieux adaptées aux besoins nutritionnels. Parmi les caractères à améliorer et à stabiliser est l’équilibre en acides aminés des graines, les acides aminés essentiels méthionine et tryptophane étant particulièrement sous-représentés dans les graines de légumineuses. Cette thèse est centrée sur la composition protéique des graines, un déterminant majeur de l’équilibre en acides aminés. L’objectif était d’explorer la variabilité génétique et environnementale de ce caractère et d’identifier des gènes potentiellement impliqués dans sa plasticité vis-à-vis de l’environnement. 

Dans le premier volet de la thèse, la composition protéique des graines de 200 génotypes de Medicago truncatula cultivés dans quatre environnements contrastés (apport suffisant en eau, stress hydrique, et deux semis décalés) a été analysée par électrophorèse mono-dimensionnelle. Les indices de plasticité calculés pour chaque bande protéique ont permis d’identifier, par génétique d’association à l’échelle du génome (GWAS), des polymorphismes de séquence associés à des variations de plasticité des protéines de réserve majeures, les globulines 7S et 11S. La liste des gènes candidats est enrichie en gènes liés à la transcription, à la réparation de l'ADN et à la transduction du signal. D’autres gènes sur-représentés sont impliqués dans les métabolismes du soufre et de l'aspartate conduisant à la synthèse de méthionine et de lysine. En exploitant des données d’expression publiquement disponibles chez Medicago truncatula, et en replaçant ces gènes dans les voies métaboliques correspondantes, nous avons découvert l'importance des voies de recyclage de la méthionine dans le contrôle de la plasticité de la composition protéique des graines. Ce recyclage fait intervenir l’enzyme homocystéine S-méthyltransférase 3 impliquée dans la régénération de méthionine à partir de S-méthylméthionine, une forme de transport de méthionine dans le phloème. Cette section de la thèse a fait émerger de nouveaux gènes à cibler pour améliorer et stabiliser le contenu en acides aminés soufrés, ouvrant des perspectives de recherches translationnelles visant à améliorer la qualité des graines de protéagineux comme le pois. 

Le second volet de la thèse avait pour objectifs d’explorer la variabilité de réponse d’une collection d’écotypes de pois à une carence en soufre, aux niveaux des composantes de rendement et de la composition protéique des graines, et d’identifier par GWAS des gènes potentiellement impliqués dans cette variabilité de réponse. Deux expériences ont été conduites deux années successives avec respectivement 304 et 198 génotypes développés dans deux conditions : apport suffisant ou carencé en soufre. L’effet année et l’effet de la carence en soufre étant significatifs sur les variables étudiées, des indices de plasticité reflétant l’amplitude de réponse vis-à-vis d’une carence en soufre ont été calculés pour chaque variable. Les résultats obtenus par GWAS ont mis en évidence des gènes candidats pour contrôler la composition protéique des graines dans les environnements pauvres en soufre. Plusieurs sont associés aux mécanismes de transport (ex. d’acides aminés) et de régulation post-traductionnelle, tandis que d’autres jouent un rôle dans le métabolisme du soufre ou sont au carrefour entre les métabolismes azotés et soufrés. Ce travail a permis de mettre en lumière des gènes de pois susceptibles de contrôler le statut azoté et soufré des graines, et ainsi de moduler l’équilibre entre les globulines 7S et 11S. La même approche GWAS menée au niveau des composantes de rendement a conduit à proposer des gènes candidats pertinents en particulier pour le contrôle du poids d’une graine.  L’ensemble des résultats obtenus offrent des perspectives d’amélioration variétale pour stabiliser le rendement et la composition protéique des graines de légumineuses dans des environnements fluctuants, notamment pour la disponibilité en soufre.

Composition du jury :

M. Olivier Loudet, Directeur de Recherche INRAE, Rapporteur

M. Olivier Leprince, Professeur AgroCampus Ouest, Rapporteur

Mme Julia Buitink, Directrice de Recherche INRAE, Examinatrice

M. Jacques Le Gouis, Directeur de Recherche INRAE, Examinateur

Mme Christine Le Signor, Ingénieure de Recherche INRAE, Co-directrice de thèse

Mme Karine Gallardo, Directrice de Recherche INRAE, Co-directrice de thèse