Pole LEGae

Pôle GEAPSI

Responsable : Judith Burstin
Directeur de Recherche INRAE
Tél : 03.80.69.21.59
judith.burstin@inrae.fr

Contexte

Le pôle LEGae, pour ‘Legumes Ecophysiology and Genetics for agroecology’ (Resp. J. Burstin), étudie la Génétique et l’Ecophysiologie des légumineuses à graines pour l’agroécologie et l’alimentation via une approche multidisciplinaire (génétique, écophysiologie, physiologie moléculaire). L’objectif de nos travaux est de favoriser les transitions agro-écologique et alimentaire en contribuant au développement des cultures de légumineuses à graines en France et en Europe.

Missions

Nos recherches visent à :

• Comprendre le fonctionnement des légumineuses à graines dans le contexte du changement climatique en conditions hydro-minérales fluctuantes ;
• Caractériser la diversité génétique et la plasticité environnementale du système racinaire nodulé des légumineuses, et de ses interactions avec les micro-organismes rhizosphériques ;
• Comprendre les mécanismes qui régissent le développement et la qualité des graines de légumineuses pour la nutrition humaine et animale ;
• Contribuer au pré-breeding par des approches de phénotypage haut-débit et de génomique translationnelle, par l’exploitation des ressources génétiques et par le développement d’outils génétiques et génomiques.

Le pôle gère le Conservatoire des Ressources génétiques de légumineuses à graines d’INRAE (CRB PROTEA) et est impliqué dans le développement de la Plateforme de phénotypage haut-débit des interactions plantes-microorganismes (Serres-4PMI).

 Stratégie

L’enjeu de nos recherches est de concevoir des idéotypes de légumineuses servant de leviers pour développer des régulations biologiques et des systèmes de culture plus économes en intrants et sources de protéines végétales et de nutriments de qualité. Les enjeux scientifiques sont d’acquérir des connaissances sur les déterminants génétiques et physiologiques à la base de l’adaptation des légumineuses à graines aux systèmes de culture agroécologiques et impliqués dans le contrôle de la qualité nutritionnelle, organoleptique et technologique des graines.

Pour répondre à ces enjeux, le pôle GEAPSI est structuré en 3 groupes :

• Pour répondre à ces enjeux, le pôle LEGae est structuré en 3 équipes de recherche :
• ECP : Génétique et génomique des Espèces Cibles Protéagineuses (Resp. N. Tayeh)
• EcoLeg : Ecophysiologie des légumineuses (Resp. M. Prudent)
• FILEAS : Remplissage de la graine, remobilisation NS, et stress abiotiques de fin de cycle (Resp. K. Gallardo & V. Vernoud).

Nous utilisons des approches qui vont de l’expérimentation au champ et en conditions contrôlées à l’écophysiologie, la biochimie, les « omics », la bioinformatique, la génétique forward et reverse, et jusqu’à l’innovation variétale et les modèles de culture. Nous sommes en interaction avec d’autres disciplines (microbiologistes et écologues microbiens, agronomes, pathologistes, climatologues, biochimistes, nutritionnistes, technologues).

Projets en cours

En Juin 2023, le pôle est impliqué dans 26 projets scientifiques. LEGae pilote plusieurs projets nationaux en tant que coordinateur.

• SPECIFICS (2021-2027) Sustainable PEst Control In Fabaceae-rich Innovative Cropping Systems (PIA3, ANR, coord. J. Burstin & S. Cordeau). Partenaires : UMR Agroécologie, UMR IGEPP, UMR LEVA, UMR AGIR, UMR IRHS, URGI, UE Epoisses, UE Bourges, UE La Motte, UMR BioEcoAgro, UMR LISIS, UMR9221 IESEG. Conception de systèmes de culture sans pesticides et riches en légumineuses à graines par différents leviers : identification de nouvelles sources de résistance, conception de systèmes avec plus de diversité biologique dans le temps (rotation) et dans l’espace (cultures associées intra- et interspécifiques, infrastructures agro-écologiques, etc), identification de solutions de valorisation et de promotion de ces systèmes.
• LETSPROSEED (2023-2028) Accroitre la consommation des protéines de légumineuses en améliorant leur qualité et transformation sans compromettre la résistance aux stress (ANR, coord. K. Gallardo). Partenaires : INRAE (UMR Agroécologie, CSGA, IJPB, UR BIA, UMR PhAN, UMR STLO, IPS2, UMR SPO/PROBE-PFP), Univ. Angers (UMR EVA), L’Institut Agro Dijon (UMR PAM), TERRES INOVIA, AGRI OBTENTIONS, TERAXION (VIA VEGETALE), SOREDAB, BEL, DANONE. Production et qualité des graines, transformation des protéines, développement d'ingrédients à base de légumineuses, fonctionnalité, propriétés nutritionnelles et organoleptiques, présence d’allergènes et effet santé.
• PIVERT (2023-2026) Removing off-flavor components from pea seeds by genetic means (ANR, coord. V. Vernoud). Partenaires : Agroécologie (FILEAS, ECP), UMR SVQV, IPS2, CSGA. Mobiliser le levier génétique pour réduire le goût vert des graines de pois.
• BLACKBOX (2022-2025) Ouvrir la boîte noire de l’interaction entre soja et communautés microbiennes du sol (LIA A-AGD, coord. M. Prudent). Partenaires : Agroécologie (EcoLeg), TIMAC Agro, CAU Pékin. Nutrition hydrominérale du soja sous conditions de stress thermiques et hydriques, et en interaction avec les communautés microbiennes.

LEGae est impliqué dans des projets internationaux :

• ROOTED (2023-2026) Root Phenotyping Integrated Educational Doctoral Network, Horizon Europe, Coord. S Tracy (University College Dublin, Ireland). Partenaires : UC(IE), FZJ (DE), UT (EE), WU (NL), AU (DK), UFZ (DE), UCLouvain (BE), NIAB (UK), UB (FR), UON (UK), MLU (DE), BIOE (IE), DLF (DK). Rôle de l’architecture racinaire dans la nutrition hydrominérale du pois sous conditions de stress minéraux ou hydriques.
• BELIS (2023-2026) Breeding European Legumes for Increased Sustainability, Horizon Europe, Coord. B. Julier (INRAE Lusignan); 35 partenaires Européens. L'ambition de BELIS est d'augmenter la rentabilité de la sélection végétale, mesurée par le gain génétique par cycle de sélection et sa durabilité.

Contribution aux axes du projet d’UMR

Axe « Biodiversité et interactions biotiques dans un environnement changeant »

Notre contribution vise à comprendre les interactions biotiques et déterminer des nouvelles cibles de la sélection aux niveaux des populations et des communautés pour optimiser les fonctions biologiques et les services écosystémiques dans un environnement changeant.

Pour ce faire, nous travaillons à identifier les déterminants génétiques, moléculaires et écophysiologiques (i) du fonctionnement des interactions entre légumineuses et microbiotes rhizosphériques, (ii) de la résilience aux stress hydrique, thermique et nutritionnels des plantes, en lien avec le microbiote rhizosphérique et la qualité des graines, (iii) des interactions entre les légumineuses et les bruches, les sitones, et les pollinisateurs, en lien avec l’évolution des populations de ravageurs et d’auxiliaires en conditions agroécologiques, (iv) des performances en peuplements pluri-variétaux ou pluri-spécifiques, en conditions agroécologiques. 

Axe « Transitions vers des systèmes agricoles durables et multi-performants »

Nos travaux ont pour objectif de contribuer au développement de systèmes de culture agroécologiques, riches en légumineuses à graines, en améliorant leur compétitivité.

Pour ce faire, nous développons, optimisons et partageons des outils et ressources qui contribuent (i) à la création de variétés performantes de légumineuses à graines (pois, féverole, lentille), (ii) à la définition d’idéotypes de légumineuses à graines (espèces/variétés et techniques culturales) adaptés aux contextes pédoclimatiques actuels et futurs en France et en Europe, et (iii) à l’identification des déterminants génétiques/moléculaires du rendement protéique et de la qualité des graines de légumineuses (propriétés visuelles, nutritionnelles, organoleptiques, technologiques). 

Résultats marquants

Entre 2016 et 2021, le pôle a publié 111 articles scientifiques, 8 articles de revue dans des journaux à comité de lecture et 26 articles dans des journaux professionnels ou techniques sans comité de lecture. Nous avons donné 86 conférences invitées et organisé 2 conférences internationales à Dijon (International Conference Legume Genetics and Genomics 2019, Rencontres Francophones des Légumineuses 2016).

Nos résultats les plus marquants sont :

• Kreplak J et al. (2019). A reference genome for pea provides insight into legume genome evolution. Nature Genet. 51:1411-1422.

Cet article livre la première séquence du génome du pois, une espèce de légumineuses à graines à haut potentiel pour la transition alimentaire et agroécologique. L’éditorial du numéro correspondant de Nature Genetics était consacré à cette première séquence d’un grand génome de légumineuse. Ce génome de pois a été consacré « Genome of the Month » par Trends in Genetics.

• Henriet et al., 2021, J Exp Bot. Proteomics of developing pea seeds reveals a complex antioxidant network underlying the response to sulfur deficiency and water stress. doi: 10.1093/jxb/eraa571.

Une approche multi-omique a mis en évidence un réseau de protéines antioxydantes dont l’abondance est stimulée par le manque de soufre et d’eau au cœur du réseau métabolique des jeunes graines de pois en développement.

• Prudent et al. (2020). The diversity of soil microbial communities matters when legumes face drought. Plant Cell Environ. 43:1023-1035.

Cette publication montre l’importance de s’intéresser aux communautés microbiennes non symbiotiques chez les légumineuses.

• Salon et al. (2017). Marque RHIZO, brevet international déposé auprès de l’EURO le 4 janvier 2017 sous le numéro: 016221913.

Des licences de distribution ont été accordées en France et à l’étranger.

• Thompson R., Vernoud V. (2018). Development of a pea (Pisum sativum L.) line lacking saponins in the mature seed (29/10/2018). Et Vernoud et al., 2021 Plant Cell Physiol. β-Amyrin Synthase1 Controls the Accumulation of the Major Saponins Present in Pea (Pisum sativum). doi: 10.1093/pcp/pcab049.

Des lignées TILLING produisant des graines pauvres en saponines ont été obtenues en ciblant le gène PsBAS1, codant une β-amyrine synthase nouvellement identifiée, et qui contrôle l’accumulation de saponines, des triterpènes glycosylés responsables du goût amer des graines de pois. Ces lignées ouvrent des perspectives importantes pour la transition alimentaire. Elles sont actuellement intégrées dans le programme de sélection d’un partenaire privé.

Thèses soutenues

Titre et résumés des thèses des 2 dernières années

JACQUES Cécile (2022) : Processus écophysiologiques et moléculaires impliqués dans la mémoire du stress hydrique chez le pois : de la régulation de l’expression des gènes à la nutrition hydrominérale de la plante.

Le changement climatique induit des périodes de stress hydriques de plus en plus fréquents au cours du cycle de culture. Ces périodes de stress hydrique impactent négativement la plante, notamment en limitant la disponibilité des ressources (eau, éléments minéraux) et en limitant la fixation du carbone par la plante. Dans ce contexte, plusieurs études ont mis en évidence l’effet bénéfique de « priming » d’un premier stress sur la réponse à un second via l’induction d’une mémoire transcriptionnelle. Cette mémoire du stress dépend de modifications épigénétiques mises en place lors du premier stress. Ces modifications peuvent réguler l’expression de gènes dis «gènes mémoires » qui ont pu être caractérisés dans les parties aériennes chez Arabidopsis et le maïs notamment. Cependant, peu de connaissances de l’effet de la mémoire sur les différents processus physiologiques de la plante sont disponibles. Au cours de notre étude nous avons voulu mettre en évidence la mémoire de la plante à différents niveaux allant de l’expression des gènes aux traits physiologiques de la plante. Nous avons choisi de mener notre étude sur le pois, et plus particulièrement son système racinaire, celui-ci présentant de nombreux intérêts agro-écologiques et nutritionnels.

Nous avons dans un premier temps caractérisé l’effet de 13 carences élémentaires (N, Mg, P, S, K, Ca, B, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Mo) sur le ionome du pois allant de l’échelle de l’organe à l’échelle de la plante. Cela nous a permis d’obtenir une signature ionomique spécifique de chaque carence. Dans un second temps nous avons voulu caractériser le potentiel effet bénéfique de la mémoire du stress lors d’un stress hydrique récurrent. Pour cela nous avons caractérisé les « gènes mémoires » au sein du système racinaire, et plus précisément au sein des racines. Puis nous avons voulu caractériser les métabolites dont l’accumulation était spécifiquement régulée lors d’un stress hydrique, ceux-ci pouvant découler de la régulation des « gènes mémoires ». Et enfin, nous avons pu caractériser l’impact d’un stress hydrique récurrent à l’échelle des processus physiologiques de la plante en caractérisant sa nutrition hydro-minérale.

Ainsi chez le pois une mise en place de la mémoire transcriptionnelle a pu être mise en évidence via la régulation de gènes impliqués dans le marquage épigénétique au sein des racines. De plus, dans ce même compartiment, trois antioxydants spécifiquement accumulés lors d’un stress hydrique récurrent ont pu être mis en évidence : le mannitol-1-phosphate, l’acide 3,4-dihydrobenzoique et l’isorhamretin. Parallèlement, lors de la phase reproductive l’accumulation d’ABA et de cGMP au sein des racines pourrait être impliquée dans la tolérance au stress hydrique via l’induction de la fermeture des stomates notamment. Lors de cette période de stress, l’accumulation d’asparagine pourrait être impliquée dans un meilleur maintien du statut azoté de la plante. Enfin, grâce aux signatures ionomiques des carences nous avons pu observe la mise en place d’une carence en Mo quel que soit le type de stress appliqué. Cela suggère qu’une supplémentation en Mo pourrait être bénéfique à la culture de pois pour limiter l’impact négatif du stress hydrique. Et enfin nous avons pu mettre en avant une « empreinte écophysiologique » du stress impliqué dans la mémoire du stress chez le pois : l’augmentation de l’initiation de la nodulation lors de la période de réarrosage.

Dans l'ensemble, ces résultats donnent de nouvelles perspectives pour la compréhension de la mémoire du stress hydrique chez les plantes de pois et sur la résilience du pois aux événements de stress hydrique récurrents : d'une part pour affiner la fertilisation et d'autre part vis-à-vis des stratégies de sélection végétale.