Identification of genes involved in the biosynthesis of monolignols in Brachypodium distachyon

La récente définition de Brachypodium distachyon comme modèle des graminées en fait un organisme de choix pour l’étude de leur paroi cellulaire, en particulier dans le cadre de leur utilisation comme matière première renouvelable pour le bioéthanol de seconde génération. Les lignines, dont les trois unités (H, G et S) proviennent de la polymérisation des monolignols, sont associées aux acides hydroxycinnamiques dans la paroi des céréales et représentent l’obstacle majeur à l’exploitation industrielle de la biomasse lignocellulosique. L’acquisition de connaissances sur les mécanismes dirigeant leur mise en place et leur organisation permettrait d’identifier des facteurs modulant les rendements de production qui y sont associés. Quatre familles de gènes ont été étudiées et l’implication dans la voie de biosynthèse des monolignols de trois gènes a été montrée : BdF5H2 possède une activité férulate-5-hydroxylase permettant la synthèse des précurseurs des unités S des lignines, BdCOMT3 est l’isoforme principale des acide cafféique O-Méthyltransférases et sa perte partielle de fonction cause une diminution de la quantité de lignine, la modification du rapport S/G et une baisse de quantité d’acide p-coumarique dans deux lignées mutantes indépendantes. Enfin, BdCAD1 est l’isoforme principale des alcools cinnamylique déshydrogénases : sa perte de fonction dans deux lignées indépendantes cause la diminution de la quantité globale de lignine et d’acide p-coumarique, une baisse du rapport S/G ainsi que l’accumulation de sinapaldéhyde. Par ailleurs ces deux lignées présentent des rendements de saccharification augmentés de plus d’un quart par rapport au sauvage.Brachypodium distachyon was recently adopted as an experimental model for grass species. As such, it is used to study grass cell wall, in particular in the context of their use as renewable feedstock for the production of second generation bioethanol. Lignins are polymers of three main units (H, G and S) originating from the polymerization of monolignols, and are linked to hydroxycinnamic acids in grasses. They constitute the main bottleneck to industrial processes targeting lignocellulosic biomass and improving the understanding of the mechanisms directing their structure and deposition could lead to the identification of the factors modulating associated production yields. Four gene families were studied and the involvement of three genes in the monolignols biosynthetic pathway was shown: BdF5H2 displays a ferulate-5-hydroxylase activity enabling the synthesis of the S lignin units, BdCOMT3 is the main caffeic acid O-methyltransferase and its partial loss of function in two independent mutant lines leads to the reduction of lignin content, the modification of the S/G units ratio and a decrease in p-coumaric acid accumulation. BdCAD1 is the main cinnamyl alcohol dehydrogenase isoform: its loss of function in two independent mutant lines results in a decrease in lignin content and of the S/G ratio and the accumulation of sinapaldehyde. Moreover, these two lines display significatively increased saccharification yields