Pôle Horticole Intégré

1. Pôle Horticole Intégré Centre INRA d’Avignon

2. 3 approches possibles: • Bottom-up du gène à la cellule • Top-down relie les performances aux contrôles • Middle-out combine les deux approches précédentes Biologie des Systèmes Horticoles (BioSyH)

3. Fruit Virtuel

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

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

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

7. ti-1 ti ti+1 ti+2 temps cycle n° i cycle n° i+1 cycle n° i+2 t t t 1-ri 2bi N1(i)=2bi N12(i-1) Ng(i+1) N1(i+1) N1(i+2) N1(i-1) ri 1 1 4 2 8 2 32 1 64 1 128 2 4 16 (1-si+11) 1-bi (1-si1) ri+1 2bi+1 N2Gi N2Gi+1 N12(i+2) (1-si2) si1 si+11 ti1 N2Gi N2Gi+1 N4Gi (1-si+12) si2 interphases G (1-si3) N4Gi+1 tim N4Gi N8Gi 4c 8c 2c si3 mitose (1-si4) N8Gi ti2 N16Gi si4 ti3 (1-si5) ti4 N16Gi N32Gi ti5 si5 (1-si6) N32Gi N64Gi ti6 si6 256c ti7 Cell proliferation and endoréduplication

8. Cells distribution per ploïdy level 2C 4C 8C 16C 32C 64C 128C 256C Days Days Cell proliferation and endoréduplication Cell number Days

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

10. Transport des sucres dans les cellules 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)]

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

12. Model of cell and fruit expansion Thèse M. Léchaudel

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

14. Sucrose k1(t) k1(t) ph Glucose Fructose C supply k2(t) 1- ph k4(t) Sorbitol synthesis CO2 Other compounds k3(t) Sugar Model

15. 30 leaves/fruit 18 leaves/fruit 6 leaves/fruit Days after bloom Days after bloom Days after bloom Days after bloom Sugar metabolism

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

17. H+ ATP Transports tonoplastiques Quinate, Citrate K+ Composition vacuolaire Mal2- (II) (I) Cations Mal2- HMal- H2Mal pH Transport du malate (III) DY ATPase Démarche de modélisation : - équilibres thermodynamiques - succession d'états d'équilibres

18. 6 ) -1 4 Teneur en malate (mmol.100g 2 0 15-mai 30-mai 14-juin 29-juin 14-juil 29-juil 4 ) 3 -1 Teneur en citrate 2 (mmol.100 g 1 0 15-mai 30-mai 14-juin 29-juin 14-juil 29-juil Metabolisme des acides Acide Citrique Acide Malique

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

20. Temp Respiration Croissance Ethylène Yang Cycle ATP MET ATP MTA SAM ACCMACC Emission C2H4 MET=Methionine SAM=S-adenosylmethionine MTA=5’-methylthioadenosine ACC=1-amino-cyclopropane-1-carboxylic acid MACC= Malonyl-ACC

21. Ethylène Forte croissance Faible croissance

22. Lien Ecophysio-Omics • Approches ciblées • Approches d’exploration globale

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

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

27. Mécanismes de régulation des teneurs en vitamine C Voie de synthèse D-glucose Recyclage Transport MDHAR D-mannose-1-P GMP GDP-D-mannose AO GLD Ascorbate réduit Ascorbate oxydé L-Galactono-1,4-lactone APX DHAR Dégradation

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

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

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

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

32. Omics

33. Normal

34. Normal

35. Mutant

36. Normal/Mutant

37. Différence Normal-Mutant

38. Mapman

39. Mapfruit

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

41. 0 AG109 CFF5 6 AG102 11 20 CFF14 22 CFF7 CFF2 26 PC78 GL1 35 CFF19 40 PC102 47 PC30 58 GL7 67 AG29 68 CFM7 75 PC35 80 CFM12 84 CFF18 96 CFF17 100 AG44 Masse 104 FG79 116 CFF9 CFM6 119 128 AC18 0 CFF8 5 CFM3 14 mp6 23 CC63b 28 CFF11 31 AG104 43 mp22 46 CFF10 48 CC132 QTLs de paramètres PSH-GAFL Fruit virtuel Flux d’eau et de carbone Croissance Division Endoreduplication Grandissement Métabolisme sucres & acides Métabolisme II µnutriments Respiration Maturation (C2H4) Transpiration CO2

42. Que fait-on concrètement? • Réfléchir à la démarche: quelle approche stat?... • Se lancer dans des projets concrets • 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…