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La crise climactérique des fruits enfin élucidée

Des chercheurs de l’Inra analysent le métabolisme des fruits, une fonction biologique essentielle dans le développement de fruits de qualité. Celle-ci résulte d’un judicieux compromis entre la croissance et donc la taille finale du fruit, et sa composition qui lui confère son goût (sucré, acide, etc.) et sa résistance (pigmentation, etc.). Chez certains fruits, le mûrissement est provoqué par l’émission d’un gaz, l’éthylène, couplée avec un inattendu pic respiratoire. Ce phénomène est bien connu, mais son utilité et son origine étaient restées jusqu’ici mystérieuses. La biologie prédictive et la modélisation ont permis aux chercheurs de lever le voile sur cette « crise climactérique » qui conditionne le mûrissement et la qualité des fruits que nous consommons.

Garance. © Inra
Mis à jour le 25/02/2017
Publié le 23/02/2017

Les fruits respirent et murissent

Qui n’a pas un jour placé une pomme ou une banane mûre au milieu de tomates et observé le mûrissement accéléré de ces dernières ? Ce phénomène est lié à l’éthylène, un gaz émit par les fruits mûrs et qui va enclencher le mûrissement de fruits voisins. Cette émission d’éthylène s’accompagne généralement d’une forte augmentation de la respiration du fruit. Cette crise dite « climactérique » existe chez de nombreuses espèces de fruits, dont la plupart sont des espèces tropicales (banane, mangue ou goyave), mais aussi des espèces communes comme la pomme et la tomate. Ces fruits présentent l’avantage certain de pouvoir être cueillis avant maturité, ce qui facilite leur transport et leur stockage, à condition de maitriser leur murissement en atmosphère contrôlée. Une atmosphère pauvre en oxygène et riche en CO2 permet ainsi de retarder le déclenchement du mûrissement qui pourra être provoqué à l’aide d’éthylène peu avant la commercialisation. Il y a un siècle, les négociants utilisaient déjà cette astuce pour garantir la qualité des fruits importés. Aujourd’hui, des sacs plastiques capables de piéger l’éthylène sont commercialisés, ce qui permet au consommateur de stocker plus longtemps de nombreux fruits. La crise climactérique représente donc un enjeu économique majeur pour les producteurs et les filières de commercialisation, dont le chiffre d’affaire représente plusieurs milliards d’euros chaque année à l’échelle nationale. De nombreux travaux scientifiques ont donc cherché à en étudier les mécanismes et à en comprendre la signification.

   

Une soupape naturelle pour évacuer un trop-plein d’énergie

Les mécanismes moléculaires qui sous-tendent l’action de l’éthylène au cours du mûrissement sont aujourd’hui bien connus. Nous savons également que le pic respiratoire est une sorte de gaspillage d’énergie, car une part d’énergie chimique produite par le fruit est transformée en chaleur sous l’action de protéines dites « découplantes ». Ainsi, chez certaines espèces comme la mangue ou la banane, la température interne des fruits peut augmenter de plusieurs degrés. Paradoxalement, alors que la crise climactérique est largement étudiée au travers de sa régulation par des mécanismes hormonaux tels que l’éthylène, la signification physiologique de cet événement, son « utilité » et son origine demeurent assez mystérieuses. C’est grâce à une approche de biologie des systèmes que des chercheurs de l’Inra ont découvert que le pic respiratoire qui accompagne cette crise n’est autre qu’une soupape permettant d’évacuer un trop-plein d’énergie.

La biologie prédictive pour comprendre la crise climactérique

La biologie des systèmes, qui intègre différents niveaux d'information pour comprendre comment fonctionnent des systèmes biologiques, s’appuie sur des modèles - informatiques ou mathématiques - permettant de simuler leurs comportements. L’Inra s’est fortement engagé dans cette voie de la biologie dite prédictive, y compris pour étudier le métabolisme des fruits. La construction d’un modèle mathématique décrivant le métabolisme central des fruits a été résolue grâce à des contraintes fixées par des mesures expérimentales sur la partie charnue du fruit de tomate tout au long de son développement.

Schéma du réseau du réseau métabolique d’intérêt, le métabolisme central.. © Inra, Martine Dieuaide-Noubhani / UMR BFP
Schéma du réseau du réseau métabolique d’intérêt, le métabolisme central. © Inra, Martine Dieuaide-Noubhani / UMR BFP
L’expérimentation a été menée en partenariat avec Invenio dans des conditions proches de celles de la culture commerciale de tomates sous serre, en vue de faciliter le transfert, dans le futur, d’éventuelles découvertes aux producteurs et filières. Le modèle mathématique, qui calcule les flux au travers des principales voies métaboliques tout au long du développement du fruit de tomate, a prédit l’existence d’un pic de respiration (production de gaz carbonique) et de dissipation d’énergie avant l’entrée en maturation, c’est-à-dire juste avant le changement de couleur du fruit. De plus, le suivi de trois conditions environnementales (témoin, stress hydrique et ombrage) a permis de montrer qu’une augmentation de la quantité de carbone, et donc d’énergie mise en réserve sous forme d’amidon et de paroi cellulaire au cours de la croissance du fruit, exacerbe ce pic respiratoire (figure ci-dessous). Le mûrissement du fruit est un phénomène complexe et coûteux en énergie qui nécessite la remobilisation de ses réserves. L’hypothèse des chercheurs est que lorsque la quantité d’énergie remobilisée dépasse les besoins, elle doit être dissipée sous forme de chaleur afin d’éviter l’intoxication du fruit.

Importance de la dégradation de l'amidon dans la mise évidence du pic respiratoire. © Inra, Sophie Colombié / UMR BFP
Importance de la dégradation de l'amidon dans la mise évidence du pic respiratoire © Inra, Sophie Colombié / UMR BFP

Vers davantage de qualité dans l’assiette ?

Afin de poursuivre ces investigations physiologiques sur la crise climactérique, la modélisation est désormais appliquée à 9 espèces de fruits dans le cadre du projet ANR FRIMOUSS. Il s’agit d’espèces climactériques ou non, contrastées tant par leur composition (sucrosité, acidité, accumulation d’amidon, etc.) que par leur vitesse de croissance. Le but est d’aboutir à une meilleure compréhension de la manière dont le carbone est utilisé au cours de la croissance du fruit, puis de son mûrissement. Cette démarche pourrait un jour aboutir à une meilleure maitrise du mûrissement et de la qualité des fruits. Par des sélections variétales, certaines espèces de fruits, comme la fraise dont la conservation est difficile, pourraient être rendues climatériques, offrant ainsi aux producteurs et aux filières de commercialisation une meilleure maîtrise du cycle de vie des fruits du champ jusqu’à la table du consommateur. Une autre voie de recherche permettrait de trouver le moyen de détourner une partie des réserves du fruit remobilisées vers la synthèse de composés d’intérêt organoleptique au lieu de les gaspiller et donc favoriser la qualité gustative.

Référence scientifique

Colombié S., Beauvoit B., Nazaret C., Bénard C., Vercambre G., Le Gall S., Biais B., Cabasson C., Maucourt M., Bernillon S., Moing A., Dieuaide-Noubhani M., Mazat J.-P. and Gibon Y., (2017),  Respiration climacteric in tomato fruits elucidated by constraint-based modelling. New phytologist 213: 1726–1739. doi: 10.1111/nph.14301.