Faire la lumière sur le métabolisme des peupliers
Le peuplier est un arbre très populaire. Il s’agit d’un arbre essentiel pour la production de bois, d’un système modèle pour la recherche moléculaire et même d’une culture de biomasse prometteuse pour les futures bioraffineries (comme l’a exploré le projet PHYSIO-POP). «De nombreux chercheurs étudient le peuplier pour comprendre des processus bien développés dans les arbres, tels que la formation du bois», explique Wout Boerjan(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), professeur titulaire à l’université de Gand(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) et chercheur principal au Centre VIB de biologie des systèmes végétaux(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre). «Plus nous disposons d’informations sur un système modèle donné, plus rapidement nous pouvons recueillir de nouvelles informations. Cela accélère les nouvelles découvertes», confie-t-il. Or, même si nous connaissons déjà de nombreux métabolites du peuplier, beaucoup restent encore à découvrir. L’identification des structures métaboliques et la découverte de leurs voies de biosynthèse et de leurs gènes peuvent potentiellement être exploitées pour créer de meilleurs arbres. «Des arbres de meilleure qualité sont des arbres dont le bois est plus facile à transformer en pâte à papier ou en sucres fermentescibles, en utilisant moins de produits chimiques ou moins d’énergie, par exemple», explique Wout Boerjan. «Nous avons déjà démontré que la régulation négative des gènes impliqués dans la biosynthèse de la lignine peut considérablement améliorer l’efficacité de transformation du bois de peuplier.» Dans le cadre du projet POPMET(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), financé par le Conseil européen de la recherche(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), Wout Boerjan et son équipe se sont appuyés sur diverses techniques pour étudier les métabolites et leurs voies métaboliques dans le bois, l’écorce et les feuilles du peuplier. Les recherches ont déjà porté leurs fruits. «Nous avons séquencé le génome de 750 peupliers noirs et nous avons répertorié les profils métaboliques de tous ces arbres. Nous disposons donc d’une base de données énorme sur les composés et les gènes potentiellement impliqués dans leur biosynthèse», ajoute Wout Boerjan. «Cette base de données est le point de départ de nombreuses découvertes et demandes de subventions.»
Extraire et analyser les métabolites
L’équipe du projet a d’abord extrait des métabolites de feuilles de peuplier. Elle a ensuite fait appel à la chromatographie liquide à ultra-haute performance couplée à la spectrométrie de masse (UHPLC-MS) pour séparer les milliers de composés présents et identifier ceux qui sont structurellement similaires. Les chercheurs ont ensuite établi des réseaux de métabolites structurellement apparentés, qui représentent des voies de biosynthèse provisoires. Pour identifier les gènes codant les enzymes dans ces voies métaboliques présumées, l’équipe a comparé la variation naturelle de l’abondance d’un métabolite donné avec la variation de la séquence d’ADN dans une population de 750 peupliers génétiquement différents. Elle a ainsi pu identifier des gènes biosynthétiques importants. Enfin, pour prouver que ces gènes codent des enzymes impliquées dans la production de composés clés, les chercheurs ont produit les enzymes correspondantes dans Escherichia coli pour des tests enzymatiques, et utilisent également l’édition génique CRISPR-Cas dans des peupliers afin d’inactiver le gène. Ils vérifient ensuite si le composé produit escompté est toujours formé.
Au-delà des voies métaboliques
«Le peuplier est une espèce productrice de bois qui se prête facilement au croisement sexuel pour créer des hybrides à croissance rapide entre différentes espèces de peupliers, il se prête également au génie génétique et à la réécriture génomique», explique Wout Boerjan. «L’équipe espère désormais identifier des gènes supplémentaires afin de concevoir de nouvelles méthodes qui amélioreront le rendement et la qualité de la biomasse. La population d’arbres séquencée peut également être utilisée pour récupérer des gènes impliqués dans la croissance en hauteur et en diamètre, ou la tolérance aux maladies et aux ravageurs, par exemple». Les chercheurs continueront à travailler avec les données de POPMET grâce à de nouvelles subventions, afin d’approfondir l’étude des centaines de gènes liés aux voies métaboliques identifiés dans le cadre du projet. «Si quelqu’un est veut en savoir plus sur la biosynthèse d’un métabolite particulier du peuplier, ou tester l’activité biologique d’un métabolite du peuplier, il peut me contacter», ajoute Wout Boerjan.
