Pôle Horticole Intégré Centre INRA d’Avignon

Biologie des Systèmes Horticoles (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 Virtuel

Some good reasons to develop a virtual fruit Fruit = complex system difficult to analyse without a theory of how it is working Fruit = complex system difficult to analyse without a theory of how it is working Quality is described by multiple traits Quality is described by multiple traits Multiple environmental, agronomical and genetic factors interact on the fruit system, leading to quality expression Multiple environmental, agronomical and genetic factors interact on the fruit system, leading to quality expression

Métabolisme sucres & acides Maturation (C2H4) Croissance Division Endoreduplication Grandissement Flux d’eau et de carbone Transpiration CO2 Respiration Métabolisme II µnutriments Quelle qualité et quels processus? La qualité Taille Qualité gustative (sucres-acides) Valeur santé (caroténoïdes, vit. C) Texture

Métabolisme sucres & acides Maturation (C2H4) Croissance Division Endoreduplication Grandissement Flux d’eau et de carbone Transpiration CO2 Respiration Métabolisme II µnutriments Quelle qualité et quels processus? La qualité Taille Qualité gustative (sucres-acides) Valeur santé (caroténoïdes, vit. C) Texture

Cell proliferation and endoréduplication

Cell number Days Cells distribution per ploïdy level Days 2C4C 8C16C 32C64C 128C256C

Métabolisme sucres & acides Maturation (C2H4) Croissance Division Endoreduplication Grandissement Flux d’eau et de carbone Transpiration CO2 Respiration Métabolisme II µnutriments Quelle qualité et quels processus? La qualité Taille Qualité gustative (sucres-acides) Valeur santé (caroténoïdes, vit. C) Texture

Transport des sucres dans les cellules du fruit du fruit S = vm Cp / (KM+ Cp) + (1-sp) Cm Fp + Ap ps (Cp-Cf) ou ps = perméabilité aux sucres FP = Ap Lp [ Pp - Pf - sp (pp - pf)]

Theory of cell expansion dV/dt = . V. (P f - Y)+ (1 /  ). V. (dP f / dt) Irreversible PLASTIC variations in volume (Lockart 1965) Short-term reversible ELASTIC Variations Cell wall extensibility Yield threshold =ƒ(growth) Volumetric elastic modulus Turgor pressure

Thèse M. Léchaudel Model of cell and fruit expansion

Métabolisme sucres & acides Maturation (C2H4) Croissance Division Endoreduplication Grandissement Flux d’eau et de carbone Transpiration CO2 Respiration Métabolisme II µnutriments Quelle qualité et quels processus? La qualité Taille Qualité gustative (sucres-acides) Valeur santé (caroténoïdes, vit. C) Texture

Sugar Model C supply Sucrose Sorbitol ph 1- ph Other compounds synthesis k4(t) CO 2 GlucoseFructose k2(t) k1(t) k3(t) k1(t)

Sugar metabolism 30 leaves/fruit 18 leaves/fruit 6 leaves/fruit Days after bloom

Voies des mitochondries et métabolisme de l’acide citrique Passage dans le cytosol et accumulation dans la vacuole MalateCitrate Pyruvate AOA Citrate Acétyl-CoA Production de citrate = entrée de malate -oxydation en pyruvate

Transports tonoplastiques Composition vacuolaire Quinate, Citrate pH Cations Mal 2- HMal - H 2 Mal  Mal 2- Transport du malate ATP H+H+ ATPase (I) (II) (III) K+K+ Démarche de modélisation : - équilibres thermodynamiques - succession d'états d'équilibres

Metabolisme des acides Acide Citrique Acide Malique

Métabolisme sucres & acides Maturation (C2H4) Croissance Division Endoreduplication Grandissement Flux d’eau et de carbone Transpiration CO2 Respiration Métabolisme II µnutriments Quelle qualité et quels processus? La qualité Taille Qualité gustative (sucres-acides) Valeur santé (caroténoïdes, vit. C) Texture

Emission Ethylène ATP C2H4C2H4 Yang Cycle MTA ATP MET ACC MACC SAM Respiration Croissance Temp MET=Methionine SAM=S-adenosylmethionine MTA=5’-methylthioadenosine ACC=1-amino-cyclopropane-1-carboxylic acid MACC= Malonyl-ACC

Ethylène Faible croissance Forte croissance

Lien Ecophysio-Omics Approches ciblées Approches ciblées Approches d’exploration globale Approches d’exploration globale

Approches ciblées Voie de biosynthèse connue Voie de biosynthèse connue Mutants Mutants Expression de gènes, protéïnes, métabolites ciblés Expression de gènes, protéïnes, métabolites ciblés Activités enzymatiques Activités enzymatiques

Barley morphology, genetics and hormonal regulation of internode elongation modelled by a relational growth grammar Gerhard H. Buck-Sorlin Ole Kniemeyer and Winfried Kurth

Ascorbate réduit Ascorbate 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 des teneurs en vitamine C

Approches globales Expression de gènes, protéïnes, métabolites Expression de gènes, protéïnes, métabolites Au cours du temps Au cours du temps Mutants Mutants Environnement Environnement

Transcriptomique Protéomique Métabolomique Vers la biologie intégrative Vers la biologie intégrative Mapman Croissance Division Endoreduplication Grandissement Métabolisme sucres & acides Flux d’eau et de carbone Transpiration CO2 Métabolisme II µnutriments Maturation (C2H4) Respiration

Shoot bearing fruits = stem + Leafy shoots + fruits With possible supply of assimilate from the tree to the shoot Virtual fruit System

Fresh fruit mass % flesh Dry matter content of the flesh Sweetness index Crack density Final outputs of agronomical interest Tree Leaf water potential Radiation No. of fruits No. of leafy shoots Stem water potential Relative humidity Temperature C flow Amounts of sugars Carbon assimilation and allocation Carbon partitioning in the flesh Water fluxes in and out going from the fruit Conductance C flow Virtual Fruit

Omics

Normal

Normal

Mutant

Normal/Mutant

Différence Normal-Mutant

Mapman

Mapfruit

Approche QTL QTLs de métabolome, protéome, … QTLs de variables écophysiologiques, paramètres de modèles, variables de modèles

41 Croissance Division Endoreduplication Grandissement Métabolisme sucres & acides Flux d’eau et de carbone Transpiration CO2 Métabolisme II µnutriments Maturation (C2H4) Respiration QTLs de paramètres QTLs 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 CFM GL7 CFF8 CFM3 CFF11 CC63b mp6 AG104 mp22 CFF10 CC Masse Fruit virtuel

Que fait-on concrètement? Réfléchir à la démarche: quelle approche stat?... Réfléchir à la démarche: quelle approche stat?... Se lancer dans des projets concrets Se 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 action connue (exple de Buck-Sorlin). Ok sur la tomate? Sur Ethylène… Sur la prise en compte dans les modèles des gènes à action connue (exple de Buck-Sorlin). Ok sur la tomate? Sur Ethylène…