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Un talon d’Achille au sein des lignines de maïs

Chez un mutant naturel de maïs, la présence d’un constituant inhabituel, l’acide férulique, au sein du polymère de lignine, crée un point de fragilité susceptible de faciliter le processus de délignification.

Structure de la paroi chez le maïs
Maïs témoin, à droite et maïs mutants à nervures brunes, en anglais brown midrib ou bm, à gauche, étudiés dans le cadre de travaux sur les lignindes des parois végétales.
Les lignines sont des éléments constitutifs des parois végétales dont elles renforcent les propriétés mécaniques mais compliquent l’accès des enzymes aux polysaccharides, notamment lors de la production de biocarburants.. © © INRA, Inra
Mis à jour le 25/06/2015
Publié le 27/04/2015

Les lignines contenues dans les parois lignocellulosiques des végétaux limitent considérablement l’accessibilité aux sucres en vue d’une valorisation par les ruminants ou par fermentation pour produire du bioéthanol de deuxième génération (2G).

La sélection de plantes à teneur très faible en lignine n’est pas une solution puisque celles-ci présentent alors de mauvaises performances agronomiques (verse, sensibilité aux maladies, faible rendement…). La valorisation de la biomasse végétale, notamment pour produire du bioéthanol 2G, nécessite une étape de pré-traitement pour faciliter la libération des sucres qui pourront ensuite être fermentés.

Une biomasse plus facile à dégrader peut permettre de réduire l’énergie nécessaire à la transformation industrielle. Beaucoup de travaux à l’heure actuelle sont axés sur la recherche de facteurs susceptibles de fragiliser la biomasse pour la rendre plus facile à valoriser.

Les mutants à nervures brunes, en anglais brown midrib ou bm,1 à 4 de maïs sont connus depuis les années 1930 pour leurs bonnes dégradabilités de paroi et leurs organisations pariétales originales. Ils sont communément utilisés comme modèles dans les études biochimiques et génétiques de la qualité de la biomasse. Ces mutants sont tous appauvris en lignine. Les mutants bm1 et bm3 ont permis d’illustrer la haute plasticité de la lignification. Le mutant bm1 incorpore ainsi des aldéhydes dans ses lignines et le mutant bm3 une unité très atypique (alcool 5-hydroxyconiferyl ou 5OH-G).

Un nouveau mutant spontané…

Des chercheurs de l’Inra Versailles-Grignon se sont intéressés à un nouveau mutantbrown midribspontané chez le maïs, le mutant bm5, mis à jour en 2010 par une équipe scientifique américaine. Ils ont conduit une étude biochimique approfondie pour comprendre l’implication de la mutation sur le phénotype pariétal et mettre en relation les propriétés structurales de la paroi avec son aptitude à la déconstruction.

…qui présente une faiblesse intéressante au sein des polymères de lignines

Le mutant bm5 présente une dégradabilité de paroi très élevée en comparaison avec le témoin normal et comme ses comparses brown midrib, il affiche une teneur réduite en lignine et en acide p-coumarique, un autre constituant de la paroi qui joue un rôle important dans la dégradabilité des parois. Il présente la particularité d’incorporer de l’acide férulique dans ses lignines. Ceci induit au sein du polymère une liaison chimique de type acétal qui fragilise le polymère et constitue un véritable talon d’Achille pour des dégradations enzymatiques.

Aux Etats-Unis, Wilkerson et al. (2014) ont ainsi montré l’intérêt d’incorporer de l’acide férulique dans les lignines de peuplier, pour fragiliser ces composés en vue de leur utilisation.

S’il ne présente pas des propriétés agronomiques remarquables, ce mutant bm5 spontané, pourrait être utilisé dans des programmes de sélection pour créer des variétés de maïs portant cette fragilité au sein de leurs lignines et donc permettant une meilleure utilisation pour la production de bioéthanol par exemple sans avoir recourt à des process de transgénèse encore mal acceptés dans certains pays d’Europe.

Dans le cadre du programme Bioraffinerie des lignocelluloses (Inra, Département scientifique Caractérisation et élaboration des produits issus de l’agriculture) qui a pour objectif d’intégrer connaissance de la biomasse et développement de procédés pour l’obtention raisonnée de molécules et assemblages fonctionnels destinés à la chimie, aux matériaux et à l’énergie, ce mutant est un bel outil pour étudier les mécanismes de déconstruction de la biomasse ainsi que la réactivité des structures identifiées vis-à-vis d’oxydases sélectionnées ou de prétraitements physicochimiques.

 

Ce travail a été réalisé dans le cadre des projets de recherche MAGIC (ANR 2008-2012, Coordination : Valérie Méchin) et Biomasse pour le futur (Investissement d'avenir, 2012-2019). Il est l'un des faits marquants de l'Inra Versailles-Grignon au titre de l'année 2014.

En savoir plus

V. Méchin, A. Laluc, F. Legée, L. Cézard, D. Denoue, Y. Barrière, C. Lapierre. 2014. Impact of the Brown-Midrib bm5 Mutation on Maize Lignins. Journal of Agricultural and Food Chemistry 62: 5102.