La pigmentation des fleurs et des fruits PDF

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Cours Mme Rayon...

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Chapitre 2 : La pigmentation des fleurs et des fruits Partie de Mme Rayon La couleur principale du monde végétal est le vert, mais ce n'est pas cette couleur qui attire les insectes. Les fleurs ont donc des couleurs multiples, autres. Trois familles de pigments : - Les betalaines - Les caroténoïdes : fleur et fruit (exemple : jonquille) - Les anthocyanes : fleur et fruit à bais rouges et noires (exemple : pétunia)

I-Les anthocyanes Anthocyane : mot d'origine grecque, anthos = fleur et kyanos = bleu •

Fleur bleue Molécules non photosynthétiques capables de produire une vaste gamme de couleur (bleu, rouge, mauve ou rose des pétales). Responsables de la pigmentation de la plupart des fleurs mais aussi de certains fruits et feuilles, tiges, graines et racines.

1) Structure des anthocyanes

Les anthocyanes sont issus des flavonoïdes, se sont des métabolites secondaires. Métabolites primaires : acides aminés, sucre, acide gras

Flavonoïdes : composés avec un squelette de base en C15 2 noyaux benzéniques (A et B) reliés par un hétérocycle C3 (cycle C) •

Squelette commun : (C6-C3-C6)

Anthocyanidine (molécule de base, anthocyane aglycone, non glycosylée contrairement aux anthocyanes qui sont glycosylées) structure de base commune à tous les anthocyanes = le chromophore = cation flavylium -

Hydroxylation OH Méthylation OCH3

Grande variété d'anthocyanidine (17 variétés) : 500 - 600 variétés anthocyane dans la nature

R3 et R4 vont stabiliser la molécule, seul le noyau B va subir des modifications et va être déterminant pour la pigmentation. Noyau B important dans la nature des pigments : Anthocyanidines au niveau des fleurs et fruits dépendent du nombre, et de la position des groupements OH, H ou OCH3  carbone 3', 4', 5' sont les carbones importants pour la nature des pigments (ramification sont sur ces carbones).

Les anthocyanidines le plus souvent rencontrées chez les végétaux supérieurs : - Pélargonidine = géranium  1 seul groupement OH (sauvage et originel le géranium était orange). - Cyanidine = donne la couleur rose des roses (ne donne pas du bleu pour les roses !) Et responsable aussi du bleu des bleuets : 2 OH. - Delphinidine (retrouvé chez le delphinium (clochette bleue) : 3 OH Plus on ajoute de groupement OH plus la couleur devient foncée, la pigmentation des fleurs fonce

Chez le chou rouge : 24 anthocyanes différentes 1 seul groupement OH : l'environnement est moins alcalin : donc la couleur est plus orange, rouge Et plus il y a de OH : plus on apporte de batochrome et tire vers des couleurs bleues.

Modifications secondaires : Glycosylation des anthocyanes en position R3 et R4 par de nombreux sucres Acylation des sucres par des acides organiques : ex : acides cinnamique, para-coumarique, caféique, férulique -

Grande variété anthocyanes (500) responsable de la pigmentation des fleurs, fruits Stabilité des molécules d'anthocyanes Solubilité dans le milieu intracellulaire : car noyau aromatique pas très soluble. Le fait des liaisons sucre leur

permet une meilleure diffusion et leur évite d'être dégradé.

2) Biosynthèse des anthocyanes Synthèse cytoplasmique : Elle fait appel à l'acide aminé aromatique : phénylalanine qui est précurseur des flavonoïdes donc des anthocyanes. La naringenine s'appelle aussi Flavanone. Chalcone isomérase et chalcone synthase qui conduit à une molécule de couleur jaune, crème : pigmentation des primevères jaunes. Les flavanones vont être hydroxylé : flavanol en position 3' : Dihydroflavonols. Ces dihydroflavonol vont subir des réductions 3' (par dihydroflavonol réductase). La DFR permet une hydroxylation en position 4' et d'autre vont permettre l’hydroxylation en position 3' et F3'5'H : hydroxylation en 3' et 5'. Cela va générer les Anthocyanidines à partir du noyau B. Ces anthocyanidines sont ensuite hydroxylées ou glycosylées pour former des anthocyanes. (Anthocyane reductase va réduire le groupement O+)

Schéma : les gènes sont importants. Au cours du développement du bouton floral : Quatre stades définis : S1, S2, S3, S4 - S3 / S4 : F3H - F3'H : très peu présente -

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F3'5'H : plus abondant car hydroxyle le plus : permet donc d'avoir une pigmentation plus bleue Glycosyle transférase : abondante pour transférer sucre aux anthocyanidines pour former les anthocyanes. Acide transférase présente aussi

Au S4, à la fin : delphinidine est le plus présent dans la fleur et dans les feuilles : chlorophylle. À retenir : Phénylalanine = précurseur de anthocyane, noyau B, F3’, F3'H, F3'5'H

3) Régulation de la voie de biosynthèse a) Des signaux externes •

La température

Impliqué dans la régulation des gènes de la voie de biosynthèse des anthocyanes

Exemple : Pomme La teneur, concentration d'anthocyane est la plus importante à 17°C : température assez basse. Moins de transcrit à 27°C que 17°C. Exemple : Rose Il y a la rose contrôle et rose à 36°C : 2x voir 3x moins de DFR avant la glycosylation des anthocyanidine  dégradation des pigments et dégradation de l'expression des gènes.

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La lumière

Stimule la synthèse des anthocyanes : gènes photo régulés Photorécepteurs (cryptochromes, phytochromes, UV-B) dans les cellules de feuilles et tiges et transduction du signal vers la corolle des fleurs. La plupart des photorécepteurs chez les végétaux vont induire l'expression des gènes de la voie de biosynthèse des anthocyanes. Plus les plantes sont exposées à la lumière plus les gènes sont induits. B. La teneur en anthocyane est maximum à 4jours après exposition à la lumière, puis après diminue. C. Ces gènes sont exprimés en amont du pic de la teneur en anthocyane Favorise la photosynthèse  synthèse de sucres

b) Des signaux internes

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Les phytohormones

Gibbérellines GAs (anthères) indispensables pour la croissance et la pigmentation des fleurs. Biosynthèse des GAs dans les anthères et transport vers les cellules de la corolle pour induire la pigmentation. Expérience : excision des anthères de pétunia  plus de pigmentation des pétales Régulation par GAs de facteurs TRANS= facteurs de transcription Protéines bHLH (an1…) ou Protéines MYB (an2) Cependant résultats controversés

L'acide abscissique ABA et éthylène : Chez Arabidopsis (fleur blanche) : L'ABA en synergie avec le saccharose (sucre soluble de la plante), les effets seraient meilleur qu'avec ABA (hypothèse) et surtout saccharose mais les fleurs n'ont pas de pigments (blanche).

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Les sucres

Indispensables à la biosynthèse des anthocyanes Saccharose (glucose et fructose) intervention d’un signal calcique/transporteur de saccharose (SUC1)

Lorsque l'on applique des chélateurs de calcium : diminue de la biosynthèse des anthocyanes : plus de prise en charge du saccharose par le transporteur et donc plus d'anthocyane. Ca2+ est un signal permettant donc cette prise en charge de saccharose par SUC1. Action conjuguée des sucres et des phytohormones (JA, ABA) sur la régulation des gènes. Schéma : l'action la plus efficace est le saccharose et ABA (chez Arabidopsis).

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Les facteurs de transcriptions

MYB : spécifique de la voie des phénylpropanoides. Ex : ANTA1 Protéines bHLH (hélice-boucle-Hélice)

WDR : protéines à motif riches en tryptophane (W) et acide aspartique (D)

Exemple : tomate (le lycoprène, donne le pigment rouge) est dans l'expérience enrichie en anthocyanes (sont des antioxydants) : surexpression de 2FT du muflier avec un promoteur fruit : Del (bHLH type) et Ros (facteur MYB)  anthocyane 23 augmente. Donc les gènes de voie de biosynthèse d'anthocyane sont présents dans la plante mais non stimulés, or avec la fixation sur le promoteur Del et Ros (facteurs de transcription) la voie de biosynthèse d'anthocyane est activée.

Schéma bilan (pas à connaitre par cœur) : lumière, température, régulation du développement (phytohormones). Signal lié à la lumière régule les facteurs de transcription de même que la température qui quand fait trop chaud bloque la transcription de ces gènes. Les facteurs de régulation comme phytohormone et sucre (saccharose) jouent un rôle dans la régulation des anthocyanes : régule expression des gènes de la voie de biosynthèse des anthocyanes.

Schéma hypothétique du mode d'action des signaux externes et internes dans la voie de biosynthèse des anthocyanes : lumière perçue par photorécepteur ......

4) Transport des anthocyanes Caractérisation de mutants entrainant la décoloration : - Chez le maïs (grain) le mutant bronze (bz2) - Chez le pétunia (fleur), mutant an9 Pas d'anthocyane dans les vacuoles BZ2 et AN9 : protéines homologues aux glutathion-S-transférases. •

Transfert des anthocyanes à l'intérieur de la vacuole par une pompe à glytathion GS= transporteur ABC (ATP binding cassette) tonoplastique Schéma •

Transport unidirectionnel

Schéma : complexe BZ2 (cela pourrait être aussi AN9) - glutathion-anthocyane. La molécule de glutathion va être transférer par une glutathion GS transférase (GST) (de type BZ2 ou AN9) et va transférer l'anthocyane vers l'intérieur de la vacuole : les anthocyanes vont être transférer par la GST et la molécule de glutathion va être transférer vers la pompe à glutathion (pompe GS). Les anthocyanes sont retenus dans la vacuole par d’autres protéines vacuolaires (VP24).

Chez médicago : les mutants : Jem et JRC1 plus d'expression de l'enzyme glutathion GS transférase. Le fait de ne pas faire complexe les anthocyanes, va induire mutation (anthocyane ne sont pas transporter dans la vacuole.

5) Stockage des anthocyanes La couleur des fleurs nait de la stabilisation et l'accumulation des anthocyanes dans les vacuoles des cellules épidermiques des pétales de fleurs. Accumulation des anthocyanes dans des inclusions vacuolaires : AVI (Anthocyanic Vacuolar Inclusion) ou cyanoplaste dans des cellules épidermiques des pétales Rôles des protéines VP24 dans l'immobilisation des anthocyanes dans les cyanoplastes

6) Catabolisme des anthocyanes

Schéma : des glucosidases vont dégrader les molécules de glucose  produit donc des anthocyanidines (perte du sucre des anthocyanes) puis dégradation par des polyphénols oxydases, association avec des quinones possible... Ex : poire : dépigmentation des anthocyanes au cours de la maturité des fruits.

7) Les facteurs déterminants de la pigmentation a) Le pH vacuolaire Le pH vacuolaire : un facteur prépondérant dans la coloration des pigments Une même molécule d'anthocyane peut prendre différentes couleurs en fonction du pH vacuolaire PH vacuolaire des cellules épidermique des pétales des fleurs : - 2,5 < pH < 7,5 - PH vacuolaire < 3  rouge - 4 < pH vacuolaire < 6  rose pourpre - 6 < pH vacuolaire < 7,5  bleu

• Exemple, Pétunia : Fleurs rouges : acidification de la vacuole. Mutant isolé chez cette variété de pétunia : fleurs bleues. Caractérisation de protéines PH (PH1à PH7) régulant le pH vacuolaire/acidification vacuolaire Pompe transporteurs de protons : contrôle (pourpre/ rose). Mutant (bleu) Schéma : pH1-pH5 (pompe à H+) /ATP dépendant : font rentrer H+ dans la vacuole.

• Exemple, l'Ipomée : Bourgeon floral rouge (vacuole à pH 6,5) Fleur bleue (vacuole pH 7,7) Intervention de protéines PURPLE (PR) : pompe Na+/H+ et K+/H+ qui exportent les H+ et importent les Na+ et K+ dans la vacuole. •

Alcalinisation vacuolaire et donc augmentation de la couleur bleue de la vacuole.

b) La co-pigmentation Association entre des molécules organiques non pigmentées ou d'ions métalliques avec les molécules d'anthocyanes conduisant à la formation de complexes moléculaires générant un changement ou une augmentation de l'intensité de la pigmentation. Co-pigments : flavonoïdes, alcaloïdes, acides aminés, polysaccharides, métaux vacuolaires -

Changement ou augmentation de l'intensité de la pigmentation Meilleure stabilité des anthocyanes

Exemple : changement de la coloration des pensées en fonction du ratio anthocyane. Le co-pigment est lié à l’âge de la plante. Ratio au cours du temps : Malvidine (anthocyane) augmente / Myricétine (flavonol (co-pigment)) diminue Dans la vacuole s'accumule donc de la malvidine au cours de la maturation de la fleur (au cours du temps).

c) Les ions métalliques Chélation des pigments avec un métal : l'ion métallique (Mg, Al, Fe) chélate plusieurs molécules d'anthocyanes acylés ( acide caféique...). Absorption des ions métalliques du sol par les racines : présence de chélateurs racinaires.

Complexe anthocyanes -métal  effet de bleuissement de certaines fleurs. • Exemple, le Bleuet Présence d'ion Fe3+ (et Mg2+) qui ne rend plus le pigment cyanidine rose mais bleu.

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Exemple, les hortensias : bleus en Bretagne :

La pigmentation bleue n'est pas liée au pH vacuolaire (pH acide dans les deux cas : bleu : pH 4,1 et rose : pH 3,3) Même anthocyane (delphinine) chez l'hortensia rose et bleu Hypothèse : présence d'un co-pigment Formation d'un complexe : anthocyane (delphinine 3-monoglucoside) - aluminium En Bretagne : acidité du sol : présence d'alumine (ardoise) Assimilation plus facile des ions (Al3+) présent dans le sol par la plante  bleuissement

8) La morphologie des cellules épidermiques des pétales des fleurs

Tableau récapitulatif des différences entre le muflier sauvage et le mutant mixta

 Variabilité de la pigmentation des

fleurs

II-Les caroténoïdes Ce sont des molécules tétra terpènes (C40H56) Indispensable au développement de la plante : - Photoprotection durant la photosynthèse - Précurseur de la voie de biosynthèse de 2 phytohormones ( ABA, strigolactones) ... Pigments responsables de la plupart des fleurs de couleurs souvent en association avec flavonoïdes jaunes, orange, à rouge marron. Exemple : jonquille, œillet d'inde, forsistia

À partir des caroténoïdes, sont synthétisés des vitamines A. Le β-carotène est le précurseur de la vitamine A, provitamine A.

1) Structure des caroténoïdes a) Carotènes Les carotènes sont des molécules hydrophobes à double liaison, groupement méthyl et 2 cycles aux extrémités. Le β-carotène est le plus abondant : notamment dans les carottes, melon, patate douce.

b) Xanthophylle Carotène contenant des groupements OH

2) Biosynthèse des caroténoïdes Localisation de leur synthèse dans les membranes plastidiales. - Chloroplastes dans les feuilles - Chromoplastes dans les fruits, fleurs, racines. Donc chez la carotte, dans les chromoplastes.

Molécule de 20 atomes de carbones : GGPP, qui est le précurseur des carotènes et xanthophylles. Dans le cycle les GGPP vont être en association par l'enzyme phytoène synthase permettant la condensation, l'association de deux molécules de géranylpyrophosphate va permettre la formation du phytoène. - Le phytoène est incolore à 40C. Après, plusieurs enzymes rentrent en jeu : des désaturases (PDS, ZDS) et des isomérases (Caroténoïdes isomérase

CRTISO) vont générer du lycopène. -

Le lycopène est le pigment majoritaire des tomates. Le lycopène va être cyclisé par des cyclases (LCY) qui vont conduire à la synthèse de carotènes.

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Les carotènes peuvent ensuite, pour former des xanthophylles, subir des hydroxylation (transfert de groupement OH) ou transfert d'oxygène (epoxylation) par des hydroxylases et époxydases.

Dans la famille des xanthophylles on retrouve des violaxanthin, les zeaxanthin, les néoxanthin..... Ainsi que des Lutéines qui est le pigment majoritaire des jonquilles. (ABA pour être synthétisé est issu de la dégradation des pigments de néoxanthin.) Pour les tomates rouges, la synthèse des pigments est bloquée au lycopène : la voie des caroténoïdes est bloquée à ce stade. Pour les tomates oranges, cette voie est un peu plus avancé, la voie n'est pas complétement bloqué.

3) Régulation de la biosynthèse des caroténoïdes Dépendante du développement/différenciation des chloroplastes en chromoplastes -

Stade immature (vert) Stade mature (jaune)

a) La lumière À la lumière, chez le chou, accumulation des caroténoïdes. Les caroténoïdes pour les parties aériennes sont régulés par la lumière. Gènes photorégulés/ intervention des photorécepteurs (Phy, Cry). HE5 va réguler des gènes photorégulés. Sur le schéma : expérience au bout de 3 jours d'exposition des citrons à la lumière bleu et rouge est max, et au bout de 6 jours cela diminue.

La voie des caroténoïdes chez le citron est régulée par la lumière bleue et rouge. Hy5 est un facteur de transcription qui est régulé par la lumière rouge : teneur diminue après 6 h à la lumière. Les plantes riches en caroténoïdes sont régulées positivement par la lumière dans les parties aériennes : la lumière stimule la synthèse de caroténoïdes, l'accumulation des caroténoïdes. Pour les organes souterrains : la lumière inhibe la synthèse des caroténoïdes (organes souterrains de la plante) Les basses températures favorisent la synthèse des caroténoïdes, alors que les hautes températures ont tendance à favoriser la synthèse des chlorophylles. Exemple : maïs Froid protège les photosystèmes. Quand il fait froid, pas de photo inhibition totale car la synthèse de caroténoïdes protège les photosystèmes. Pour les agrumes, le froid stimule la synthèse des caroténoïdes : donc orange plus en hiver que été, si bien orange en été donc placé au froid.

b) Les hormones : éthylène et ABA L'éthylène stimule la synthèse des caroténoïdes - ABA stimule la dégradation des caroténoïdes. - Éthylène induite en réponse de stress, réponse au froid. Lorsqu'on applique de l’éthylène pendant 3 jours : augmentation de la CCD qui est un caroténoïde secondaire L'éthylène (en synergie avec la lumière/partie aérienne) stimule la synthèse des caroténoïdes en régulant l'expression des gènes de la voie de biosynthèse des caroténoïdes. Avec de l'éthylène ou lumière rouge + éthylène ou lumière rouge seule : Dépigmentation des fruits verts en orange

Schéma : Le phytochrome régule des facteurs de transcription qui se fixe sur des gènes photorégulés des caroténoïdes

c) L'azote et les sucres Teneur en azote et sucre soluble de la plante : l'hiver : les jours sont courts et il fait froid : stimule la synthèse d'ABA  dépigmentation des fruits + diminution de teneur en azote  synthèse de caroténoïde. Au printemps, moins s'osmoprotectant dans les cellules : moins de saccharose, ..., éthylène et ABA sont moins exprimé donc pigmentation des fruits (vert) Lors de la dépigmentation  diminution des réserves de sucre mais ce sucre est remobilisé. Le ratio C/N change : quand beaucoup d'azote au printemps : fabrication des sucres/ aa donc inhibe la dépigmentation, maintien les plastes sous forme de chloroplaste. À l'automne moins d'azote donc moins de photosynthèse donc moins aa/sucre donc bloque l'inhibition de la dépigmentation donc plastes deviennent chromoplastes, et synthèse des caroténoïdes.

4) Catabolisme des caroténoïdes -

Dégradation enzymatique : intervention des dioxygénases (CCD) Oxydation non enzymatique : photo oxydation

Caroténoïde par photo oxydation et par la surexpression de la CCD : dépigmentation des caroténoïde  Apo caroténoïdes (caroténoïde secondaire) (qui va induire des molécules aromatique, phytohormones (ABA, molécules signal à propriété antifongiques) Schéma des fleurs : accumulation des caroténoïdes Tomate sauvage : quand éteint le gène de CRTISO, la tomate n'est pas riche en lycopène et est plus pâle (pas de synthèse complète de lycopène) et bloque synthèse des caroténoïdes.

5) Quelques exemples de végétaux à forte teneur en caroténoïdes

III-Les bétalaïnes

1) Structure des bétalaïne...