Identification des critères du grain de blé (Triticum aestivum L.) favorables à la production de bioéthanol par l'étude d'un ensemble de cultivars et par l'analyse protéomique de lignées isogéniques waxy, Identification of grain wheat (Triticum aestivum L.) criteria associated with bioethanol production in studying a set of cultivars and using proteomic analysis of waxy isogenic lines
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Thèse soutenue le 17 novembre 2010: Clermont Ferrand 2
Dans le but d’identifier des critères de sélection du blé (T. aestivum L.) destiné à la production de bioéthanol, les objectifs de cette thèse étaient (1) de mettre en évidence les caractéristiques physico-chimiques du grain associées aux rendements en glucose et éthanol, et (2), d’étudier par approche protéomique l’effet de variants génétiques affectant la quantité d’amylose sur le métabolisme des sucres et de l’amidon. L’analyse de trente variétés implantées dans un essai multilocal pluriannuel a mis en évidence l’importance du taux de protéines, de la dureté et de la distribution des granules d’amidon sur les rendements en glucose et éthanol. Dans une moindre mesure, la composition allélique des protéines de réserves et la viscosité des arabinoxylanes ont également un effet lors de l’étape de transformation de l’amidon en sucres fermentescibles. Huit lignées isogéniques waxy de trois variétés françaises ont été implantées dans un essai multilocal. Les lignées dépourvues d’amylose ont produit moins de glucose et d’éthanol que les variétés normales. Les analyses protéomiques des protéines de l’albumen (albumines, globulines et amphiphiles) ainsi que des protéines associées aux granules d’amidon des grains matures des lignées isogéniques de la variété Trémie ont mis en évidence : (1) une relation entre le volume spécifique des GBSS et la quantité d’amylose et (2) une modification de l’expression d’enzymes impliquées dans le métabolisme des sucres et de l’amidon (Susy, AGPase, fructose biphosphate aldolase) mais aussi de protéines de stress et de défense (serpines et HSP). Ces observations suggèrent un développement du grain incomplet pour la lignée dépourvue d’amylose.
-Bioéthanol
-Amidon
-Waxy
-Protéomique
-Triticum aestivum
To identify selection criteria for wheat (T. aestivum L.) used for bioethanol production, our objectives were (1) to identify the physicochemical grain characteristics associated with glucose and ethanol yields and (2) using a proteomic approach, to study the impact on sugar and starch metabolism of genetic variants that influence the quantity of amylose. The analysis of 30 wheat varieties grown in a 3-year multi-local field trial underlined the importance of protein content, grain hardness and starch granule size distribution for glucose and ethanol yields. A minor effect of the allelic composition of the storage proteins and of viscosity on the transformation of starch in fermentable sugars was also revealed. Eight waxy isogenic lines of three French varieties were grown in a multi-local field trial. The amylose-free lines produced less glucose and ethanol than normal varieties. Proteomic analyses of endosperm proteins (albumins, globulins and amphiphilic proteins) and of proteins associated with starch granules in mature grains of isogenic lines of the Tremie variety revealed : (1) a relation between the specific volume of the GBSS and amylose quantity and (2) a modification of the expression of enzymes involved in starch and sugar metabolism (Susy, AGPase, Fructose biphosphate aldolase) and also in stress and defence proteins (serpins and HSP). These observations suggest incomplete grain development in the line without amylose.
-Bioethanol
-Starch
-Waxy
-Proteomic
-Triticum aestivum
Source: http://www.theses.fr/2010CLF22067/document
UNIVERSITE BLAISE PASCAL UNIVERSITE D’AUVERGNE
N° D.U. : 2067 ANNEE 2010
ECOLE DOCTORALE DES SCIENCES DE LA VIE,
DE LA SANTE, AGRONOMIE, ENVIRONNEMENT
N° 530
Thèse
Présentée à l’Université Blaise Pascal
pour l’obtention du grade de
DOCTEUR D’UNIVERSITE
(Specialité : physiologie et génétique moléculaires)
soutenue le 17 Novembre 2010
Clément DEBITON
Identification des critères du grain de blé (Triticum aestivum L.)
favorables à la production de bioéthanol par l’étude d’un ensemble de
cultivars et par l’analyse protéomique de lignées isogéniques waxy
Président : Mohamed Fouad BOUZIDI Professeur, UBP, Clermont Ferrand
Rapporteurs : Véronique PLANCHOT Directeur de recherche, INRA, Nantes
Michel ROSSIGNOL Directeur de recherche, INRA, Montpellier
Examinateurs : Pascale GADONNA Maître de conférence, IPLB, Beauvais
Philippe LEREBOUR Directeur d’Unisigma GIE, Froissy
Directeur de thèse : Gérard BRANLARD Directeur de recherche, INRA, Clermont-Ferrand
Unité Mixte de Recherche 1095 INRA-Université Blaise Pascal
« Génétique, Diversité et Ecophysiologie des Céréales » - 63100 Clermont-Ferrand
tel-00625530, version 1 - 21 Sep 2011
REMERCIEMENTS
Dans ces quelques lignes je tiens à remercier toutes les personnes ayant contribuées à
l’élaboration de cette thèse.
Je souhaite tout d’abord remercier Gérard Branlard, Philippe Lerebour, et Fouad
Bouzidi d’avoir accepté d’encadrer cette thèse.
Je remercie tous les membres du CETAC (Caussade semences, Lemaire Deffontaines,
Momont et Fils, R2N, Saaten Union Recherche, Secobra recherches, Unisigma GIE) ainsi que
l’Institut Polytechnique Lasalle Beauvais (Thierry Aussenac, Pascale Gadonna, Larbi Rhazi et
David Marier) pour leur participation dans ce projet.
Je tiens à remercier tout particulièrement Emmanuelle Bancel ainsi que toutes les
personnes de l’équipe protéomique de l’INRA de Clermont-Ferrand (Marielle Merlino,
Isabelle Nadaud, Annie Faye, René Saccomano) pour leur soutien et leur gentillesse durant
cette thèse.
Merci à tous les stagiaires et non titulaires, Bastien, Aurélie, Sébastien, Géraldine,
Ayesha et Leonor pour leur aide précieuse.
Je souhaite enfin remercier les membres du comité de thèse pour leur suivi des
recherches, et les membres du jury qui ont accepté d’évaluer mon travail.
tel-00625530, version 1 - 21 Sep 2011
SOMMAIRE
I. TRAVAUX ANTÉRIEURS…..……………………………………………………………1
A. LE BLÉ : ORIGINE, STRUCTURE, COMPOSITION, UTILISATIONS ...................... 2
1. Définition et origine ....................................................................................................... 2
2. Structure et composition du grain de blé........................................................................ 2
2.1 Les enveloppes et la couche à aleurone ................................................................... 2
2.2 Le germe................................................................................................................... 4
2.3 L’albumen ................................................................................................................ 4
3. Les protéines du grain de blé.......................................................................................... 5
3.1 Les protéines métaboliques ...................................................................................... 5
3.2 Les protéines de réserves.......................................................................................... 6
4. Production et utilisations du blé ..................................................................................... 7
4.1 La production du blé ................................................................................................ 7
4.2 Les utilisations du blé............................................................................................... 7
B. LES BIOCARBURANTS ................................................................................................. 8
1. Définition des biocarburants .......................................................................................... 8
2. Les enjeux du développement des biocarburants........................................................... 9
2.1 Les exigences du protocole de Kyoto ...................................................................... 9
2.2 La dépendance énergétique .................................................................................... 10
2.3 Une nouvelle filière agroindustrielle créatrice d’emploi........................................ 11
3. La production de biocarburants dans le monde............................................................ 11
3.1 La production de biodiesel ..................................................................................... 11
3.2 La production de bioéthanol................................................................................... 11
4. Processus de fabrication du bioéthanol ........................................................................ 12
4.1 Le broyage.............................................................................................................. 12
4.2 Gélatinisation et liquéfaction ................................................................................. 13
4.3 La saccharification ................................................................................................. 13
4.4 La fermentation ...................................................................................................... 14
4.5 La distillation et la déshydratation ......................................................................... 14
5. Développement et limite de la production de bioéthanol............................................. 14
C. QUEL BLÉ POUR LA PRODUCTION DE BIOÉTHANOL ? ..................................... 15
1. L’amidon et le taux de protéines : deux paramètres fortement corrélés au rendement en
bioéthanol ......................................................................................................................... 15
1.1 L’amidon et les sucres............................................................................................ 15
1.2 Le taux de protéines ............................................................................................... 16
2. Les paramètres du grain pouvant avoir un effet sur la production de bioéthanol ........ 16
2.1 La composition de l’amidon................................................................................... 16
2.2 La dureté et la distribution de la taille des granules d’amidon............................... 17
2.3 L’activité alpha amylasique.................................................................................... 17
2.4 Les polyssacharides autres que l’amidon (NSP) .................................................... 17
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D. STRUCTURE ET COMPOSITION DE L’AMIDON.................................................... 19
1. Composition de l’amidon ............................................................................................. 19
1.1 L’amylose............................................................................................................... 19
1.2 L’amylopectine....................................................................................................... 19
1.3 Les composés minoritaires de l’amidon................................................................. 20
2. Structure de l’amidon ................................................................................................... 21
2.1 A l’échelle 1-100 μm : le granule d’amidon .......................................................... 21
2.2 A l’échelle 120-500 nm : les cercles de croissance................................................ 22
2.3 A l’échelle 20-500 nm : les blocklets..................................................................... 22
2.4 A l’échelle 9 nm : les lamelles amorphes et cristallines ........................................ 22
3. La structure semi-cristalline ......................................................................................... 22
3.1 La phase cristalline................................................................................................. 22
3.2 La phase amorphe................................................................................................... 23
4. Changement d’état de l’amidon en fonction de la température et de l’humidité ......... 23
4.1 La gélatinisation ........................................................................................
