La mise en place des lignines dans les parois végétales, un processus encore mal connu

L’aptitude des parois lignifiées à être converties en fibres, en biocarburants ou en d’autres molécules d’intérêt est conditionnée par la lignification. Or l’impact de la structure des lignines et de leurs capacités d’interactions avec les polysaccharides est mal appréhendé, ce qui freine le développement de nouvelles voies de bioraffineries des lignocelluloses. En partenariat avec des chimistes (John Ralph, USDA Madison) et des biologistes moléculaires (Lise Jouanin, Unité Biologie Cellulaire, INRA Versailles), nous avons étudié les lignines de parois de plantes normales et de plantes affectées dans leur lignification en focalisant les travaux sur les paramètres impliqués dans les interactions des lignines et des polysaccharides.

L’acide férulique, un acide impliqué dans la polymérisation des lignines

Les résultats, publiés dans le cas d’A. thaliana et du peuplier, ont été vérifiés chez d’autres plantes (gymnospermes et angiospermes). Nous avons établi que l’acide férulique est un acteur discret, mais universel, de la construction des parois lignifiées. Cet acide participe à la polymérisation des lignines selon les 2 modes suivants.

•  L’acide férulique estérifiant les polysaccharides pariétaux sert de site d’initiation de la lignification. Ce phénomène est bien établi pour les parois de graminées chez lesquelles il a été mis en évidence par l’identification de structures diagnostiques de l’arrimage des lignines aux polysaccharides. Nous avons découvert qu’il est omniprésent, bien que beaucoup plus discret, en identifiant ces mêmes structures d’arrimage dans des parois de dicotylédones ou de gymnospermes. Les esters féruliques pariétaux constituent donc un mode universel de liaisons covalentes des lignines aux polysaccharides (Fig. 1).

Figure 1. Mode d’arrimage universel des polysaccharides pariétaux aux lignines, via l’acide férulique.
Dans le cas des parois de graminées, les polysaccharides impliqués sont les arabinoxylanes. Dans le cas d’autres parois, ils restent à identifier.

•  L’acide férulique libre participe à la polymérisation des lignines. Son incorporation génère une nouvelle structure de branchement. Les lignines natives sont constituées de fragments linéaires liés par des points de branchements. Auparavant, seulement deux structures de branchement étaient connues (structures biphényle et biphényle éther). La participation de l’acide férulique à la lignification en génère une 3ème de type acétal (Fig. 2). Dans les plantes déficientes en activité cinnamyl-CoA réductase ou cinnamyl alcool déshydrogénase, ces structures de branchement sont plus abondantes. Elles constituent un maillon faible du polymère car elles peuvent être facilement dégradées en milieu acide dilué.

Figure 2. Nouvelle structure de branchement identifiée dans les lignines et issue de l’incorporation d’acide férulique libre. Cette structure de type acétal, plus abondante dans les parois de plantes affectées dans leur lignification, facilite la dépolymérisation des lignines au cours des pré-traitements indispensables pour convertir la cellulose en bioéthanol.

Vers des matériaux agro-industriels à base de parois végétales

Ces découvertes ouvrent deux nouvelles pistes d’amélioration de l’aptitude à la saccharification des lignocelluloses, en liaison avec les objectifs de recherche d’un programme national consistant à manipuler l’acide férulique dans la paroi  pour élucider l’effet de la structure des lignines sur la saccharification de la biomasse, ou encore les objectifs du projet européen RENEWALL. (Improving Plant Cell Walls for Use as a Renewable Industrial Feedstock) qui vise à développer l’usage des parois végétales en tant  que matériau agro-industriel.

• 1] L’augmentation des amorces potentielles de lignification (esters féruliques pariétaux) pourrait favoriser la dispersion des lignines dans les parois sous forme de domaines morcelés et réduire ainsi l’effet-barrière de ces polymères vis-à-vis de la cellulolyse, tout en améliorant leur extractibilité.
   
• 2] Accentuer l’incorporation d’acide férulique libre dans les lignines permettra d’améliorer l’aptitude des lignocelluloses à la saccharification. En effet, les structures de branchement (de type acétal) associées à cette incorporation sont aisément dégradées en milieu acide dilué. Leur présence facilitera donc les prè-traitements de dépolymérisation des lignines préalables à la cellulolyse.

Un partenariat entre biologistes et chimistes

Lise Jouanin, Unité biologie cellulaire INRA Versailles ;
John Ralph, USDA Madison
Catherine Lapierre, UMR Chimie Biologique, AgroParisTech-Inra Grignon