Les protéines des semences : un pilier pour l'alimentation durable et la santé

Les protéines sont des macromolécules biologiques essentielles à la vie, constituant des chaînes d'acides aminés liées par des liaisons peptidiques. Leur repliement tridimensionnel leur confère une architecture fonctionnelle indispensable aux processus vitaux. Elles jouent un rôle crucial dans l'élaboration et le maintien des tissus (osseux et musculaires) et de l'épiderme, et interviennent dans le métabolisme et la régulation de certains minéraux comme le calcium, le fer ou le magnésium. L'organisme humain, par exemple, recycle une partie des acides aminés pour en fabriquer de nouvelles protéines. Cependant, neuf des vingt acides aminés nécessaires à la vie proviennent exclusivement de l'alimentation, soulignant l'impératif d'une consommation protéique suffisante pour éviter les carences. L'ANSES, l'agence française de sécurité sanitaire de l'alimentation, de l'environnement et du travail, recommande une consommation quotidienne de protéines d'environ 60 grammes pour une personne de 72 kg, représentant 10 % de ses apports énergétiques.

Dans les pays occidentaux, notre alimentation dépend traditionnellement des protéines d'origine animale pour environ les deux tiers de nos apports, le tiers restant provenant des végétaux. Cette répartition est aujourd'hui remise en question par des préoccupations de santé publique et d'impact environnemental. L'élevage, en particulier celui des ruminants, est un contributeur significatif aux émissions de gaz à effet de serre (GES), estimées à 14,5 % des émissions totales liées aux activités humaines. Par ailleurs, une consommation excessive de viande et de charcuterie est associée à une augmentation significative des maladies chroniques, en raison de leur teneur élevée en acides gras saturés ou en nitrites. Face à l'augmentation de la population mondiale et à un besoin croissant de denrées alimentaires, il est urgent de repenser nos systèmes alimentaires, notamment en rééquilibrant nos apports de protéines d'origines animales et végétales.

Les protéines végétales, que l'on trouve dans les céréales, les légumineuses et les graines oléagineuses, offrent une voie prometteuse pour une alimentation plus durable et saine. Ces sources végétales sont non seulement bénéfiques pour la santé, étant souvent riches en fibres et moins grasses, mais aussi pour l'environnement. La production d'un gramme de protéine végétale est généralement moins coûteuse et moins émettrice de GES que celle d'un gramme de protéine animale. Cette transition vers une consommation accrue de protéines végétales est déjà observée, avec plus de 34 % de la population française adoptant un régime flexitarien, qui vise à réduire la consommation de protéines animales tout en augmentant celle de végétaux.

L'importance des protéines végétales pour l'élevage et l'alimentation animale

Dans le secteur de l'élevage, l'alimentation des animaux représente une part substantielle des coûts de production, souvent entre 60 et 80 %. Il est donc crucial de maîtriser au mieux ces coûts tout en assurant une nutrition adéquate pour la santé et la croissance du bétail. Les céréales à paille constituent une part majoritaire des ingrédients dans l'alimentation des animaux de ferme. La recherche de variétés de céréales à paille avec un taux de protéines plus élevé est devenue une priorité pour de nombreux éleveurs et fabricants d'aliments.

Le choix des variétés de céréales intègre la teneur en protéines dès les premières étapes de la sélection. Les sélectionneurs utilisent des données génétiques pour identifier les lignées présentant un bon niveau de protéine intrinsèque. Par la suite, l'évaluation se déroule au champ, où les produits de récolte sont analysés pour leur teneur moyenne en protéines (visant généralement entre 11,5 % et 12,5 %) et la stabilité de cette teneur en lien avec le rendement. La GPD (Grain Protein Deviation) est un outil utilisé lors de l'inscription officielle des variétés pour évaluer la corrélation entre les protéines et le rendement. Elle mesure l'écart à la droite de régression protéines-rendement, permettant ainsi de caractériser la capacité d'une variété à produire des protéines indépendamment de son rendement en grain.

La teneur en protéines des céréales est influencée par de multiples facteurs : la parcelle, les conditions climatiques et la variété elle-même. Pour favoriser un taux de protéines élevé, il est recommandé de fractionner les apports d'azote, en veillant à ce qu'ils soient associés à une pluviométrie suffisante pour permettre l'absorption de l'azote. Des températures chaudes en fin de cycle sont également bénéfiques. La prise en compte des reliquats azotés de la parcelle est primordiale pour optimiser la fertilisation. Il est important de noter qu'environ 80 % de l'azote présent dans le grain de blé est obtenu avant la période de floraison, principalement par la remobilisation de l'azote stocké dans les tiges et les feuilles.

Afin d'optimiser la composition des aliments destinés aux animaux, les fabricants ou éleveurs-fabricants disposent d'un large éventail de matières premières à combiner. En évaluant les caractéristiques nutritionnelles de chaque matière première disponible, ils déterminent leur "prix d'intérêt". Ce prix représente le seuil auquel une matière première devient économiquement intéressante dans une formule donnée. Ainsi, toute modification des caractéristiques d'une matière première, comme une augmentation de sa teneur en protéines, fait varier son prix d'intérêt, influençant directement son attractivité et son potentiel d'économie sur le coût alimentaire global des productions animales.

Sources végétales de protéines : au-delà des céréales

Si les céréales comme le blé, le riz, le maïs, l'orge, les mils (y compris le sorgho), l'avoine et le seigle sont des sources importantes de protéines végétales et des piliers de l'alimentation animale, d'autres catégories de végétaux offrent également des profils protéiques remarquables. Les "pseudo-céréales", telles que le quinoa et le sarrasin, s'inscrivent dans cette dynamique.

Les légumineuses : un potentiel sous-exploité

Les légumineuses se distinguent comme une catégorie de végétaux particulièrement prometteuse. Elles sont reconnues pour leur richesse en fibres, en glucides complexes, en protéines, en minéraux (dont le fer), et leur faible teneur en matières grasses. Elles n'ont pas de gluten et possèdent un indice glycémique bas, ce qui est bénéfique pour la santé en assurant un taux de sucre sanguin relativement constant et en aidant à prévenir le diabète de type 2.

Au-delà de leurs bienfaits nutritionnels, les légumineuses ont des atouts agronomiques considérables. Elles ont la capacité unique de fixer l'azote atmosphérique grâce à une symbiose avec des bactéries du sol. Cette particularité réduit considérablement le besoin d'engrais azotés synthétiques, dont la production est énergivore et source d'émissions de GES. Intégrées dans les rotations de culture, les légumineuses peuvent enrichir le sol en azote pour la culture suivante, briser le cycle des maladies, des ravageurs et des mauvaises herbes, et ainsi diminuer l'utilisation de pesticides. Leur culture peut entraîner des gains de rendements pour les céréales en rotation et améliorer la fertilité des sols.

Malgré ces nombreux avantages, la culture des légumineuses est sous-représentée en France, ne couvrant qu'environ 4 % de la surface agricole utile. La consommation de légumes secs (lentilles, haricots, fèves, pois chiche…) a également chuté, atteignant un niveau très bas de 2 kg par personne et par an en 2021. Ce désamour s'explique par plusieurs facteurs : côté consommateur, le temps de préparation et les potentiels troubles digestifs sont souvent cités ; côté agriculteur, le manque d'expérience, la sensibilité aux aléas climatiques (gel, sécheresse), une moindre résistance aux agresseurs biologiques comparées aux céréales, et la variabilité des rendements sont des freins.

La recherche s'efforce de surmonter ces faiblesses en développant de nouvelles variétés de pois ou de féveroles plus résistantes à la sécheresse, au gel et aux maladies. Des projets comme PeaMUST, mené par INRAE, visent à construire les outils génomiques et prédictifs nécessaires pour sélectionner ces variétés. Parallèlement, la structuration des filières de valorisation des légumineuses est essentielle. Actuellement, la logistique est complexe et coûteuse pour de petits volumes, et ces productions sont souvent considérées comme peu intéressantes économiquement sans aides publiques. Une filière organisée, capable de proposer des semences de qualité, un conseil technique et une collecte de production sur le long terme, est indispensable pour le développement de ces cultures.

Les graines oléagineuses

Les graines oléagineuses, telles que le colza, le tournesol, le lin, le soja (oléoprotéagineux) et l'arachide, sont également des sources importantes de protéines. Elles se caractérisent par leur richesse en huile (20 à 40 %) et en protéines (20 à 40 %). Après trituration pour l'extraction de l'huile, les résidus, appelés tourteaux, sont fortement concentrés en protéines et en fibres, ce qui en fait des ingrédients de grande valeur pour l'alimentation animale. Certaines graines oléagineuses, comme les graines de lin, de sésame, de chanvre ou de chia, peuvent également être consommées entières.

Le lupin, par exemple, se distingue par sa richesse en protéines, en matières grasses et en cellulose, et par son absence d'amidon comparé aux autres graines protéagineuses. Le pois, quant à lui, présente une teneur en protéines relativement élevée et une très faible activité anti-trypsique. Pour la féverole, les variétés sans tannins sont préférables pour les porcs et les volailles, car les tannins peuvent avoir un effet négatif sur la croissance animale. Des traitements mécaniques simples, comme le décorticage, permettent de séparer les pellicules riches en tannins des amandes riches en nutriments, améliorant ainsi la valeur nutritionnelle des graines.

Dans certaines régions, le colza est très largement utilisé comme tête de rotation. Les oléagineux peuvent couvrir une part significative des terres arables. La France, et particulièrement la région du Nord, est un acteur majeur dans la production et l'exportation de céréales, oléagineux et protéagineux. Des entreprises de renommée mondiale, comme Roquette (leader mondial pour la protéine de pois), Limagrain (créateur de semences), Téréos et Cargill, ont investi massivement dans les protéines végétales, témoignant de l'importance croissante de ce secteur.

Les légumineuses fourragères

Pour l'alimentation animale, les légumineuses fourragères comme la luzerne, le trèfle, le lotier et le sainfoin sont exclusivement destinées aux animaux. Ces plantes sont cultivées pour leur biomasse riche en protéines et contribuent à l'autonomie protéique des élevages.

La génétique et la sélection variétale pour des protéines améliorées

L'amélioration de la teneur et de la qualité des protéines dans les semences est un objectif majeur de la sélection végétale. Elle implique une compréhension approfondie des mécanismes génétiques qui régulent la synthèse et l'accumulation des protéines dans les grains. Le "choix variétal" est une première étape cruciale, où les éleveurs sont constamment à la recherche de moyens d'améliorer la santé et la croissance de leur bétail, et l'alimentation joue un rôle clé dans cette quête. C'est pourquoi l'utilisation de variétés de céréales à paille avec un taux de protéines plus élevé est devenue une priorité pour de nombreux éleveurs.

Le processus de sélection des variétés intègre la teneur en protéines dès le début de la sélection, en utilisant des données génétiques pour identifier les lignées ayant un bon niveau de protéine intrinsèque. Ensuite, l'évaluation se fait au champ en analysant les produits de récolte, en recherchant une teneur moyenne en protéines (11,5 % à 12,5 %) et une stabilité de celle-ci avec le rendement. La GPD (Grain Protein Deviation), qui mesure l'écart à la droite de régression protéines-rendement, est utilisée pour évaluer la corrélation entre les protéines et le rendement lors de l'inscription officielle des variétés.

Des outils génomiques et l'édition de gènes

La génomique moderne fournit des outils puissants pour accélérer ce processus. L'ADN, cette macromolécule constituée de deux chaînes enroulées en double hélice, est le support de l'information génétique. Chaque nucléotide, constituant élémentaire de l'ADN, comprend un sucre, un phosphate et une des quatre bases azotées (adénine, guanine, cytosine, thymine). Les gènes, segments d'ADN codant pour une protéine et régulant son expression, déterminent les "caractères" ou "traits" des plantes, y compris leur teneur en protéines.

Des techniques telles que la PCR (Polymerase Chain Reaction), qui permet l'amplification in vitro d'une séquence d'ADN donnée, et l'utilisation de marqueurs moléculaires comme les RFLP (Restriction Fragment Length Polymorphism) ou les microsatellites, sont essentielles pour la "sélection assistée par marqueurs" (SAM). La SAM permet d'identifier rapidement les régions chromosomiques (QTL - Quantitative Trait Loci) associées aux caractères d'intérêt, comme la teneur en protéines, et de construire les meilleures combinaisons de gènes.

L'édition de gène, ou retouche génétique, offre des perspectives encore plus précises en permettant des modifications contrôlées de la séquence d'un gène. Cette technique peut apporter de nouveaux caractères recherchés pour la plante, par exemple en améliorant la capacité de la plante à synthétiser et à stocker des protéines spécifiques. Le génie génétique, qui englobe l'ensemble des concepts et techniques permettant de modifier le patrimoine héréditaire d'une cellule, y compris par l'introduction de transgènes via des méthodes comme l'agrobactérie (Agrobacterium) ou la biolistique, peut également être utilisé pour améliorer la qualité des protéines.

La stabilité génétique et l'environnement

La "stérilité mâle", caractérisée par l'atrophie des étamines ou l'avortement précoce du pollen, est une propriété génétique utilisée dans la production de semences hybrides. Pour les espèces allogames (fécondation croisée), comme le maïs, la combinaison de lignées ou de populations par croisement peut donner une descendance aux performances supérieures à celles des parents, un phénomène appelé "hétérosis". Pour les espèces autogames (auto-fécondation), la production de lignées pures "homozygotes" est cruciale pour assurer la stabilité des caractères.

Cependant, le taux de protéines est très influencé par la parcelle, les conditions climatiques et la variété. La richesse en protéines de la plante est multifactorielle. Elle dépend de l'espèce végétale, du stade physiologique de la plante, du rapport feuilles/tiges, de la fertilisation azotée, du rythme d'exploitation et de la qualité de la conservation pour les fourrages conservés. La prise en compte des reliquats azotés de la parcelle est également primordiale. Il existe également le phénomène de dilution, où une plante très productive en biomasse peut ne pas progresser en quantité de protéines.

Les gènes de "résistance" peuvent être introduits dans un hybride par "rétrocroisement" (back-cross), une technique fondamentale de l'amélioration des plantes. Le rétrocroisement permet d'introduire un gène d'intérêt, comme la résistance à une maladie, d'un parent donneur dans le génome d'une variété élite existante, tout en conservant les qualités agronomiques de cette dernière.

Enjeux et stratégies pour un avenir riche en protéines végétales

Politiques publiques et structuration des filières

Pour aider les consommateurs, les agriculteurs et les transformateurs à opérer la transition vers les protéines végétales, les politiques publiques ont un rôle essentiel à jouer. La France, par exemple, a lancé une "stratégie nationale protéines végétales" fin 2020 dans le cadre de son Plan de relance, visant à doubler les surfaces utiles dédiées à la culture des protéines végétales pour atteindre 2 millions d'hectares, soit 8 % de la surface agricole utile. Cet objectif ambitieux implique une augmentation de 40 % des surfaces semées avec des espèces riches en protéines végétales (soja, pois, légumes secs, luzerne, légumineuses fourragères).

La restauration collective, avec ses 80 000 établissements et 3 milliards de repas servis par an en France, est un levier majeur pour diversifier les sources de protéines. La loi Egalim expérimente des mesures pour encourager cette diversification, notamment en demandant aux restaurations collectives servant plus de 200 couverts par jour de réaliser un Plan pluriannuel de diversification des sources de protéines. De plus, depuis novembre 2019, les cantines scolaires doivent proposer au moins un menu végétarien par semaine. Ces initiatives sont cruciales, car les habitudes alimentaires se construisent dès le plus jeune âge, et l'exposition répétée à de nouveaux aliments dans un contexte positif favorise leur acceptation, comme le montrent les travaux de l'INRAE.

En parallèle des politiques nationales, de nombreux projets émergent à l'échelle territoriale, impliquant l'ensemble de la filière - producteurs, transformateurs et consommateurs. Les "Territoires d'Innovation" (TI), encouragés par le gouvernement, visent à stimuler des pratiques de production plus vertueuses et une meilleure alimentation. La Métropole dijonnaise, par exemple, accompagne les agriculteurs dans la culture des légumineuses, développe avec les industriels de nouveaux processus pour une offre alimentaire locale enrichie en protéines végétales, améliore la qualité nutritionnelle des repas en restauration collective et sensibilise les convives à l'importance des choix alimentaires. La région Occitanie, avec son projet Fileg, rassemble également les acteurs régionaux pour accompagner les changements de pratiques de production vers un modèle agricole rentable, durable et responsable.

Innovation et nouveaux produits à base de protéines végétales

L'innovation est un moteur essentiel pour le développement des protéines végétales. Pour surmonter les freins liés à la consommation, comme le temps de cuisson des légumineuses ou la présence de facteurs "antinutritionnels", la recherche et les industriels développent de nouveaux produits. C'est le cas des "pâtes" à base de légumineuses et de blé, développées par les scientifiques du projet VEGAGE. Ces pâtes, contenant au minimum 35 % de farine de légumineuses (et jusqu'à 100 %), ont fait l'objet d'un brevet. Elles présentent une teneur élevée en protéines et un bon équilibre d'acides aminés essentiels, offrant un intérêt nutritionnel important, notamment pour les seniors.

Des startups innovantes, comme Les Nouveaux Affineurs, explorent également de nouvelles voies en proposant des "affinés végétaux" qui visent à remplacer le fromage traditionnel. Ces procédés de fabrication, souvent brevetés, permettent d'obtenir des aliments à haute valeur nutritionnelle grâce à la teneur et à la complémentarité des acides aminés qu'ils renferment. L'INRAE, avec ses laboratoires comme le Centre des sciences du goût à Dijon, mène des recherches en psychologie cognitive pour mieux comprendre les représentations sociales et les freins au changement des habitudes alimentaires. Ces travaux mettent en évidence l'association de la viande à la force et des légumineuses à la légèreté, ainsi que la difficulté de substituer un aliment central (la viande) par un aliment périphérique (les végétaux riches en protéines). Une voie possible est donc de modifier l'offre alimentaire et de développer des produits à base de protéines végétales qui s'intègrent plus facilement dans les habitudes et les représentations des consommateurs.

Définitions et concepts clés

• Acide aminé : Unité constitutive des protéines.
• Acide linoléique : Acide gras polyinsaturé oméga 6 à 18 atomes de carbone.
• Acide linolénique : Principal constituant de l'huile de lin (65 %).
• ADN (Acide désoxyribonucléique) : Macromolécule constituée de deux chaînes enroulées en double hélice, support de l'information génétique.
• ADN polymérase : Enzyme qui polymérise les nucléotides pour la synthèse de l'ADN.
• Agrobacterium : Genre de bactéries qui parasitent les plantes par transfert d'ADN-T dans leur génome.
• Agroécologie : Système d'agriculture conciliant performance économique et environnementale.
• Agroinfiltration : Procédé permettant l'introduction d'agrobactéries porteuses de transgènes dans les tissus végétaux.
• Allogamie (fécondation croisée) : Système de reproduction où le pollen fécondant provient d'une autre fleur.
• Annuelle : Plante dont le cycle de végétation s'effectue sur une année.
• ARN messager : ARN synthétisé par transcription de l'ADN et servant de matrice à la traduction en protéine.
• Association variétale : Association de semences certifiées de différentes variétés ou hybrides.
• Autogamie (Autogame) : Système de reproduction d'un individu par lui-même.
• Autotrophe (Autotrophie) : Capacité à produire de la matière organique à partir de matière minérale et d'énergie.
• Bactérie : Organisme unicellulaire capable de se reproduire de façon autonome.
• Base azotée : Constituant d'un acide nucléique (adénine, guanine, cytosine, thymine).
• Biodiversité : Diversité biologique.
• Biolistique : Technique d'introduction d'ADN dans les cellules végétales par projection de microbilles métalliques.
• Brevet : Droit de propriété intellectuelle applicable aux inventions.
• Caractère : Caractéristique physique déterminée par un ou plusieurs gènes.
• Caryotype : Effectif chromosomique d'une cellule ou d'une espèce.
• CentiMorgan (cM) : Unité de distance génétique.
• Chloroplaste : Organite cellulaire où se produit la photosynthèse.
• Chromosome : Structure porteuse de l'information génétique dans le noyau des cellules.
• Clonage : Méthode de multiplication végétative d'individus génétiquement identiques.
• Code génétique : Code de correspondance entre les acides nucléiques et les protéines.
• COV (Certificat d’Obtention Végétale) : Système de protection des variétés végétales.
• Cytoplasme : Contenu cellulaire entouré de la membrane plasmique.
• Distance génétique : Mesure du lien entre deux locus sur un chromosome.
• Edition de gène (Retouche génétique) : Modification contrôlée de la séquence d'un gène.
• Epigénétique : Modifications transmissibles de l'expression des gènes sans changement des séquences nucléotidiques.
• Gène : Unité d'information génétique influençant le phénotype.
• Génie génétique : Techniques de modification du patrimoine héréditaire d'une cellule.
• Génotype : Ensemble des caractères génétiques d'un individu.
• Glucosinolates (GLs) : Composés organiques présents dans certaines plantes.
• Hétérosis : Performances supérieures de la descendance d'un croisement.
• Homozygote : Individu possédant en double un gène donné.
• IFT (Indice de Fréquence de Traitement) : Évalue l'intensité des traitements phytosanitaires.
• Indice foliaire : Rapport de la surface des feuilles actives à la surface du terrain.
• Inflorescence : Organe spécialisé de la plante regroupant des fleurs.
• Information génétique : Information héréditaire portée par les chromosomes.
• Introgression isogénique : Introduction d'un caractère intéressant dans une variété élite.
• Jachère industrielle : Dispositif agronomique.
• Label Rouge : Dénote un niveau de qualité supérieur pour les produits.
• Méthylation : Addition d'un groupement méthyle à une molécule.
• Microsatellite : Courte séquence d'ADN répétée.
• Mitochondrie : Organite cellulaire transformant l'énergie des molécules organiques.
• Mitose : Étape de la division cellulaire des cellules non sexuelles.
• Nucléotide : Constituant élémentaire de l'ADN et de l'ARN.
• Oléagineux : Plante dont on peut extraire de l'huile des graines.
• Paroi pectocellulosique : Paroi rigide des cellules végétales.
• PCR (Polymerase Chain Reaction) : Technique d'amplification in vitro d'ADN.
• Plante riche en protéine : Plante dont le produit utilisé contient plus de 15 % de protéine brute.
• Plasmide : Petite molécule circulaire d'ADN chez les bactéries.
• PMG (Poids de mille grains) : Poids de 1000 grains.
• Polymorphisme : Caractère présentant différentes formes.
• Précocité : Expression de la durée du cycle de développement d'une plante.
• Promoteur : Segment d'ADN en amont du gène.
• Protéine : Macromolécule constituée d'acides aminés.
• QTL (Quantitative Trait Loci) : Locus de caractères quantitatifs.
• Renaturation : Restauration de l'activité biologique d'une molécule dénaturée.
• Résistance : Capacité génétique d'une variété à se protéger contre des agresseurs.
• Rétrocroisement (Back-cross) : Technique d'introduction d'un gène dans une variété élite.
• RFLP (Restriction Fragment Length Polymorphism) : Polymorphisme de longueur des fragments de restriction.
• SAM (Sélection assistée par marqueur) : Sélection utilisant des marqueurs moléculaires.
• Sélection inverse : Obtention de lignées complémentaires à partir d'un génotype hétérozygote.
• Sélectionneur : Personne chargée de créer de nouvelles variétés.
• Site de restriction : Séquence d'ADN reconnue par une enzyme de restriction.
• Stérilité mâle : Stérilité des organes mâles d'une plante.
• Tallage : Formation de talles à la base de la plante.
• Tolérance : Aptitude d'une variété à supporter le développement d'un ravageur sans compromettre sa croissance.

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