# La coquille de l'oeuf: formation, critères de qualité et piste d'amélioration

Joël Gautron

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To cite this version:

Joël Gautron. La coquille de l'oeuf: formation, critères de qualité et piste d'amélioration. Journée Professionnelle de la Poule Pondeuse et de l'Oeuf, CNPO - ITAVI, Dec 2017, Pacé, France. hal-03625767

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https://hal.inrae.fr/hal-03625767

Submitted on 31 Mar 2022

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# La coquille de l'oeuf : formation, critères de qualité et pistes d'amélioration

## Joël Gautron

INRA, « Défenses de l'œuf, valorisation, évolution »
UR83 Recherches Avicoles, Unité mixte de recherches Biologie des Oiseaux et Aviculture,
37380 Nouzilly, France
# La coquille : une barrière physique contre la pénétration bactérienne

La coquille se forme dans l'utérus selon le processus de biominéralisation le plus rapide du vivant : 5-6 g de biominéral déposé en 17-18 heures.

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Supply of minerals for shell mineralization

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Jonchère, et al., BMC physiology, 2012; Brionne, et al., BMC Genomics, 2014

3 main phases in the uterine fluid (acellular milieu)

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- 95 % de minéral (carbonate de calcium)

- 3,5 % de matière organique (protéines et sucres complexes)

-1,5 % d'eau
# La formation de la coquille

- 95 % de minéral (carbonate de calcium)

- 3,5 % de matière organique (protéines et sucres complexes)

- 1,5 % d'eau

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### Time 1 (5-6 h Post ovulation):
Particules d'ACC se déposent de manière massive sur la totalité des membranes coquillières

Images: A. Rodriguez-Navarro, University of Granada

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### Impact
(2013-2017)

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# La formation de la coquille

- 95 % de minéral (carbonate de calcium)

- 3,5 % de matière organique (protéines et sucres complexes)

- 1,5 % d'eau

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Images: A. Rodriguez-Navarro, University of Granada

Time 2 (6-7 h post ovulation):
Transformation directe de l'ACC en aggrégats de calcite sur les noyaux mammillaires

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Impact
(2013-2017)

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La formation de la coquille

- 95 % de minéral (carbonate de calcium)

- 3,5 % de matière organique (protéines et sucres complexes)

- 1,5 % d'eau

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Peu à peu les noyaux mamillaires sont recouverts de calcite

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# La formation de la coquille

- 95 % de minéral (carbonate de calcium)

- 3,5 % de matière organique (protéines et sucres complexes)

- 1,5 % d'eau

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La couche calcifiée est étroitement liée aux
fibres de la membrane de la coquille

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# La formation de la coquille

- 95 % de minéral (carbonate de calcium)

- 3,5 % de matière organique (protéines et sucres complexes)

- 1,5 % d'eau

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Surface

Les noyaux mamillaires recouverts de carbonate de calcium (calcite) forment des cônes qui fusionnent au fur et à mesure que la calcification se poursuit

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La formation de la coquille

- 95 % de minéral (carbonate de calcium)

- 3,5 % de matière organique (protéines et sucres complexes)

- 1,5 % d'eau

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Les noyaux mamillaires recouverts de carbonate de calcium (calcite) forment des cônes qui fusionnent au fur et à mesure que la calcification se poursuit

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La formation de la coquille

- 95 % de minéral (carbonate de calcium)

- 3,5 % de matière organique (protéines et sucres complexes)

- 1,5 % d'eau

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Surface de la couche calcifiée avec apparition d'un pore obtenu en absence de fusion des pores

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# La formation de la coquille

- 95 % de minéral (carbonate de calcium)

- 3,5 % de matière organique (protéines et sucres complexes)

- 1,5 % d'eau

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La minéralisation s'arrête. Une fine couche de matière organique vient se déposer en surface (cuticule)

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La formation de la coquille

- 95 % de minéral (carbonate de calcium)

- 3,5 % de matière organique (protéines et sucres complexes)

- 1,5 % d'eau

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La cuticule recouvre la totalité de l'œuf. En séchant,
elle se fissure pour permettre les échanges gazeux
via les pores

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# La formation de la coquille, un processus de biominéralisation

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*La matrice organique détermine la texture de la coquille et ses propriétés mécaniques*

*La matrice contrôle la nucléation, la forme, la taille et le type cristallin des cristaux déposés dans la coquille*

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# La formation de la coquille, un processus de biominéralisation

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C. R. Palevol (2004), 3, 549-562

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# La mesure des propriétés biomécaniques

## Acoustic egg tester :

Un marteau vient frapper l'œuf en rotation en 4 endroits.

Un micro enregistre la fréquence vibratoire sonore de la coquille et le traduit en différentes valeurs.

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**RF:** Fréquence (Hz).

**dumping:** amortissement.

œuf cassé (1) / non cassé (0).

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Rigidité dynamique
**Kdyn** (KN/m)

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# La mesure des propriétés biomécaniques

## Mesures mécaniques sur l'instron :

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Rigidité (Sd) (stiffness en N/mm) : Déformation de la coquille obtenue sous une charge donnée
Charge à la rupture (F) (Breaking strength en N). Charge appliquée sur l'œuf jusqu'à la rupture.

## Paramètres biomécaniques déduits des mesures :

- Pourcentage de coquille %

- Index de coquille (g/100cm²)

- Epaisseur de la coquille (mm) : T= l/23.5

- Le module élastique qui décrit la contribution des matériaux de la coquille à sa rigidité globale

- La dureté (eggshell fracture toughness) (Kc) en N/mm³/²

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INRA
SCIENCE & IMPACT

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# La coquille : une barrière physique contre la pénétration bactérienne

→ L'intégrité de la coquille est cruciale pour le producteur et la sécurité alimentaire du consommateur

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## Facteurs influençant la qualité de la coquille

* Génétique

* Nutrition, environnement et élevage de la poule (lumière, températures...)

* Physiologie (Age → Allongement de la période de ponte)

* Chocs : système d'élevage, transports...

→ La nutrition optimisée, la génétique et la maîtrise de ses facteurs limitent la casse, mais ne l'élimine pas totalement

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# Allongement de la période de ponte

La stratégie actuelle est d'augmenter la persistance de ponte et ainsi augmenter le cycle de ponte (intérêt financier et pour l'environnement)

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Gestion de l'élevage

La perte en terme de qualité de l'œuf est linéaire entre 70 et 90 semaines : Par semaine - 0.4 Unités Haught, - 0,02% de coquille, + 0,05 cm2 de surface d'œuf (European data, 2015, conditions terrain)

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# Améliorer la qualité de la coquille

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## Masse ou fabrique ?

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* Masse : nutrition, génétique, environnement, programmes lumineux

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* fabrique : génétique (Protéines de la matrice), nutrition (trace elements) ?

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INRA
SCIENCE & IMPACT

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# Améliorer la qualité de la coquille

## Nutrition

### Effect of dietary calcium levels on eggshell (Hartel, 1990)

<table><thead><tr><th></th><th colspan="3">Dietary calcium (%)</th></tr></thead><tbody><tr><td></td><td>&lt;2.5</td><td>3.5</td><td>&gt;4</td></tr><tr><td>Shell thickness (µm)</td><td>348<sup>a</sup></td><td>374<sup>b</sup></td><td>378<sup>b</sup></td></tr></tbody></table>

Toute diminution de l'ingéré en calcium diminue la quantité de coquille

### Effect of Mn-Zn supplementation on eggshell quality (Mabe et al. 2003)

<table><thead><tr><th>Supplementation Mn-Zn</th><th>Eggshell %</th><th>Breaking strength (N)</th></tr></thead><tbody><tr><td>0-0</td><td>9,7</td><td>29,5a</td></tr><tr><td>30-30</td><td>9,5</td><td>30,8ab</td></tr><tr><td>60-60</td><td>9,7</td><td>32,2b</td></tr></tbody></table>

Supplémentation en oligo éléments (Mn) améliore la résistance à la rupture des coquilles sans changer la quantité de coquille

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# Améliorer la qualité de la coquille

## Génétique

Depuis les années 2000 forte selection sur la résistance à la rupture

### Change in eggshell strength in pedigree brown egg hen (2001 / 2007)

<table><tr><td>Hen age (weeks)</td><td>18-45</td><td>46-65</td><td>&gt;65</td></tr><tr><td>Increased breaking strength</td><td>0.24</td><td>0.56</td><td>0.64</td></tr><tr><td>Heritability breaking strength</td><td>0.29</td><td>0.32</td><td>0.30</td></tr><tr><td>deformation</td><td>0.34</td><td>0.31</td><td></td></tr></table>

(Nys 2016)

### Sélection basée sur des critères de qualités d'œufs des descendants (phénotype) et de marqueurs moléculaires non identifiés (génotypes)

### Développements récents et perspectives futures :

* ✓ La sélection génomique (précision, prise en compte de l'effet mâle)

* ✓ Prise en compte des avancées scientifiques sur la connaissance des mécanismes

* ▪ Approche gènes candidats
# Analyse des gènes et les protéines impliquées aux étapes clefs du processus de biomineralisation de la coquille

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Dépôt d'ACC

Transformation ACC en aggrégats

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Evènements initiaux de la minéralisation (initiation 2 h)

Phase active de croissance(12 h)

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### Techniques quantitatives à haut débit (protéomique, séquençage des ARN), statistiques et analyses bioinformatique des fonctions des protéines de la matrice organique

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## Déterminer les protéines majeures de la coquille qui contrôlent la minéralisation

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Impact (2013-2017)

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INRA
SCIENCE & IMPACT

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# Analyse des gènes et les protéines impliquées aux étapes clefs du processus de biomineralisation de la coquille

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444 protéines pouvant être impliquées dans le processus de formation de la coquille

## Analyse bioinformatique des fonctions de ces protéines ?

(Marie et al., 2014, 2015a,b)

Classées en 2 groupes différents

Rôle direct associé au processus de minéralisation

Rôle indirect associé à la régulation des protéines qui guident la minéralisation

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Impact
(2013-2017)

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# Protéines ayant un rôle crucial

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## Protéines jouant un rôle direct dans la minéralisation

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# Protéines ayant un rôle crucial

## ☐ Protéines jouant un rôle direct dans la minéralisation

Freeman et al, 2010

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**Figure 1.** Ovocleidin-17 bound to an amorphous (a) and a crystallized (b) calcium carbonate nanoparticle containing 192 formula units. The

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ACC deposition

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ACC transformation
into calcite aggregates

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Calcite crystal units
formation

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Preferential crystal
orientation

First events of shell mineralization (initiation)

<figure><img src="image_107.png" /></figure>

INRA
SCIENCE & IMPACT

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# Protéines ayant un rôle crucial

## ☐ Protéines jouant un rôle direct dans la minéralisation

* ✓ Protéines de liaison au calcium (CaBPs) qui intéragissent avec le calcium, pour favoriser le nucleation crystalline et guider la morphologie des cristaux

* ✓ Protéoglycanes et protéines de liaison aux protéoglycanes (charges négatives en surface pour attirer les ions Ca2+)

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ACC deposition

HAPLN3
LYZ
OVOT
EDIL3 OC-17
ALB
OVAL

ACC transformation
into calcite aggregates

OC-116

**EDIL3**
LYZ
ALB
OVOT
**NUCB2**
OC-17
**MFGE8**
OVAL

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Calcite crystal units
formation

First events of shell mineralization (initiation)

<figure><img src="image_112.png" /></figure>

Preferential crystal
orientation

Rapid growth phase

Arrest of calcification

Terminal phase

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INRA
SCIENCE & IMPACT

<figure><img src="image_114.png" /></figure>

<figure><img src="image_115.png" /></figure>

<figure><img src="image_116.png" /></figure>
# Protéines ayant un rôle crucial

## ☐ Protéines régulant les protéines guidant la minéralisation

* impliquées dans le **repliement approprié** de la matrice pour servir de support à la structure minéralisée et pour permettre les interactions avec le calcium

* Protéines **inhibant ou activant les proteins présentes** dans le milieu de minéralisation
  → Interaction directe avec les autres protéines

* Molécules chaperones qui intéragissent avec les protéines guidant la minéralisation

* Inhibiteurs de protéases (rôle contrôlé pendant la calcification pendant le processus de calcification, soit en dégradant des protéines ou en régulant la maturation des protéines)

* Minéralisation dépend du degré de phosphorylation

CST3
LOC100859272
OIH
OCX21

CST3
OVM

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ACC deposition

OCX-25
OVM
CST3
CLU

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ACC transformation
into calcite aggregates

LOC 428451

OCX-32

OVST
CLU
OCX-25
CST3

<figure><img src="image_119.png" /></figure>

Calcite crystal units
formation

OCX21
PPIB
CLU

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Preferential crystal
orientation

OCX25
CST3

Rapid growth phase

Arrest of calcification

Terminal phase

<figure><img src="image_121.png" /></figure>

First events of shell mineralization (initiation)

<figure><img src="image_122.png" /></figure>

<figure><img src="image_123.png" /></figure>

<figure><img src="image_124.png" /></figure>

<figure><img src="image_125.png" /></figure>
Perspectives

Utilisation de marqueurs biologiques
pour une sélection génomique afin de
renforcer la résistance à la rupture de la
coquille

✓ Associer les transcrits avec les SNPs publiques et privés, les QTLs associés à la qualité de coquille

(Collaboration avec les sélectionneurs et les équipes de sélection génomique)

Des polymorphismes impactant des
codons start ou stop

Des mutations délétères dont 2 stop

Des protéines candidates dans les zones

QTL associées à la qualité de l'œuf

Utilisation pour un phénotypage precis des
propriétés mécaniques de la coquille

✓ Variants moléculaire → Structure/fonction

✓ Etude de l'interaction des proteins avec le mineral

Synchrotron, XRD, XANES, FTIRM, HRSEM pour
permettre de nouvelles avancées dans les
mécanismes qui controlent la texture et par
consequent les proprités mécaniques de la coquille
(Collaboration with synchrotron SOLEIL and University of
Granada (Spain))

Sélection des haplotypes de poules pour une amélioration accrue de la solidité de la coquille
Etude de la régulation de ces gènes selon l'apport nutritionnel (Vit D ???)

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<figure><img src="image_127.png" /></figure>

<figure><img src="image_128.png" /></figure>
## Equipe défenses de l'oeuf, évolution

Nathalie Le Roy
Lilian Stapane,
Thierry Moreau
Marie-Louise Zani,
Maryse Mills,
Jacky Ezagal
Sophie Réhault-Godbert
Nicolas Guyot
Magalie Chessé
Jean-Claude Poirier
Nelly Bernardet

<figure><img src="image_129.png" /><figcaption>Yves NYS</figcaption></figure>

## Plate-forme d'Analyse Intégrative des Biomolécules (PAIB)

Valérie Labas
Lucie Combes-Soia
Ana-Paula Teixeira

## Unité Pégase (INRA Rennes)

Pascale Le Roy
Christian Diot
Frédéric Hérault

Universidad de Granada
and Centro de Instrumentación Científica
Alejandro Rodriguez-Navarro

University of Ottawa
M. T. Hincke