La betterave sucrière est la deuxième plante en termes de production de sucre avec 19,6% du sucre produit dans le monde entre 2015 et 2016, derrière la canne à sucre. Cultivée dans les zones tempérées comme le nord de la France et la Belgique, elle est sensible au stress thermique modéré. En effet, une augmentation de 1°C de la température moyenne entraîne une perte de rendement de 29%. Dans le cadre du réchauffement climatique et afin de fournir aux agriculteurs des variétés ayant une meilleure résistance à la chaleur, la compréhension des réponses de la betterave sucrière au stress hyperthermique est nécessaire. Pour cela, une étude des réponses physiologiques et métaboliques a été effectuée avec trois hybrides : un hybride de type sucré avec 18% de sucre dans sa racine, un hybride de type lourd avec un meilleur rendement que la moyenne mais avec seulement 17% de sucre dans sa racine, et un hybride dit « résistant » au stress hyperthermique, ayant le meilleur rendement aux champs avec des températures plus élevées. Alors que la photosynthèse nette n’était pas modifiée en condition de stress, une croissance plus rapide de la rosette a été observée aux stades jeunes pour les trois hybrides. Une approche de modélisation suggère qu’une croissance de la rosette plus rapide contrecarre les effets du stress hyperthermique sur la production racinaire. Cette hypothèse est confirmée par le fait que l’hybride le plus performant a la croissance foliaire la plus rapide. Le stress hyperthermique provoque une forte diminution du stockage transitoire du carbone dans les feuilles matures. Dans les feuilles en cours de développement, le stockage transitoire du carbone, dont la moitié sous forme d’amidon, était seulement maintenu chez l’hybride le plus performant. Un calcul intégrant les besoins en carbone de la croissance foliaire suggère que ce maintien contribue significativement au maintien du rendement chez cet hybride. Par ailleurs, un marqueur putatif de la sensibilité au stress hyperthermique a été identifié lors de cette étude. Au final ce travail a permis de mieux comprendre comment la betterave sucrière répond à l’élévation de la température et ainsi proposer de nouvelles stratégies pour l’amélioration de cette espèce. / Sugar beet is the second largest sugar-producing crop, with 19.6% of the sugar produced in the world between 2015 and 2016, behind sugarcane. Cultivated in temperate zones like the north of France and Belgium, it is sensitive to moderate thermal stress. Indeed, an increase of 1°C in the average temperature leads to a loss of efficiency of 29%. In the context of global warming and in order to provide farmers with varieties with better resistance to heat, an understanding of sugar beet responses to hyperthermic stress is necessary. For this, a study of physiological and metabolic responses was carried out with three hybrids: a sweet-type hybrid with 18% sugar in the root, a heavy-type hybrid with a better yield than average but with only 17% sugar in the root, and a so-called "resistant" hybrid, which has the best yield at higher temperatures. While net photosynthesis was not altered in stress conditions, more rapid growth of the rosette was observed at the young stages for all three hybrids. A modeling approach suggests that faster rosette growth counteracts the effects of hyperthermic stress on root production. This hypothesis was confirmed by the fact that the best performing hybrid had the fastest shoot growth. Hyperthermic stress caused a significant decrease in transient carbon storage in mature leaves. In developing leaves, transient storage of carbon, half as starch, was only maintained in the best performing hybrid. A calculation incorporating the carbon requirement of foliar growth suggests that this maintenance contributes significantly to the maintenance of yield in this hybrid. In addition, a putative marker of hyperthermic stress sensitivity was identified in this study. In the end, this work provides a better understanding of how sugar beet responds to the rise in temperature, thus proposing new strategies for the improvement of this species.

La betterave sucrière est une plante bisannuelle dont le besoin de vernalisation est absolu. Ce processus correspond à l’acquisition de l’aptitude à la montaison et à la floraison et résulte d’une exposition prolongée à de basses températures. La durée de froid requise pour induire la montaison puis la floraison varie suivant les génotypes et reflète leur tolérance à la montaison, qui constitue donc un caractère agronomique essentiel. Cette thèse visait à (i) mettre en évidence un éventuel contrôle épigénétique (méthylation ADN) de l‘induction de la montaison chez des génotypes de betterave sucrière résistants ou sensibles à la montaison, (ii) identifier les séquences ciblées par des remaniements de méthylation de l’ADN et d’expression associés, et (iii) caractériser certaines séquences candidates en vue de leur utilisation comme marqueurs de la montaison. Nos travaux ont montré que l’amplitude et la cinétique des variations de méthylation de l’ADN observées au cours de la vernalisation semblent être des éléments critiques de l’induction et de la tolérance à la montaison. Par une approche ciblée, des séquences dont la méthylation de l’ADN est remaniée ont été identifiées. L’implication dans la transition florale de deux BvRNMT (RNA METHYLTRANSFERASES) et de la méthylation des ARN, tels que l’ARNm de BvFL1, un répresseur floral, a ainsi été mise en évidence chez la betterave sucrière. Enfin, grâce à une approche génomique, un réseau de gènes intégratif incluant la réponse à l’environnement, la signalisation hormonale et l’induction de la floraison a été identifié. La cinétique d’activation de ces gènes définirait le niveau de tolérance à la montaison des différents génotypes de betterave sucrière. / Sugar beet is a biennial plant with an absolute requirement of vernalization, corresponding to the acquisition of the competence to bolt and flower after a prolonged exposure to low temperatures. The cold duration needed to induce bolting and flowering varies depending on the genotypes, reflecting their bolting tolerance, which is an essential agronomic trait. This work aimed at (i) investigating a possible epigenetic control of bolting induction in bolting sensitive and bolting resistant sugar beet genotypes, (ii) identifying sequences targeted by DNA methylation and expression remodeling, and (iii) characterizing candidate sequences which could be used in marked-assisted selection for plant breeding. Our data suggest that the time course and amplitude of DNA methylation variations are critical points for the induction of sugar beet bolting and represent an epigenetic component of the genotypic bolting tolerance. In addition, we identified differentially methylated sequences exhibiting variations of gene-body DNA methylation and expression during cold exposure and/or between genotypes. Among them, two RNA METHYLCYTOSINE TRANSFERASES, in association with RNA methylation such as BvFL1 mRNA, a floral repressor, were shown to play a role in floral transition. Finally, using microarrays we identified an integrative network of genes including response to environment, phytohormone signalling and flowering induction. The activation kinetics of these genes could define the bolting tolerance level of sugar beet genotypes.

Actuellement, l'évaluation de la qualité de la betterave sucrière (Beta vulgaris) est réalisée par analyse d'un jus limpide obtenu après une défécation à l'acétate de plomb. Cependant les métaux lourds sont polluants et leur utilisation pourrait être interdite. C'est pourquoi la spectroscopie proche infrarouge (SPIR) est envisagée comme méthode alternative. La première partie de l'étude concerne la faisabilité du dosage du saccharose par SPIR en utilisant la polarimétrie comme méthode de référence. Afin d'obtenir l'erreur standard de prédiction (SEP) la plus faible possible, différents prétraitements spectraux et différentes méthodes de régression sont évalués. Une approche statistique permet de choisir le modèle utilisé. Ainsi un SEP de 0,1 g de saccharose pour 100 g de betteraves est obtenu sur une gamme de concentration allant de 14 à 21 g / 100 g. La seconde partie développe les problèmes de transfert d'étalonnage et de l'utilisation de la SPIR dans un contexte industriel. Plusieurs approches sont comparées : correction spectrale, correction des valeurs prédites et développement d'un modèle robuste. La dernière solution apparaît être la plus adaptée à notre étude. Il semble donc possible de déterminer la teneur en saccharose de la betterave sur plusieurs instruments en conservant la même précision. Enfin, la faisabilité de l'automatisation de la mesure spectrale est également abordée pour répondre aux cadences industrielles. La troisième partie concerne la détermination simultanée de plusieurs constituants de la betterave afin d'estimer sa qualité. Ainsi, le brix, la teneur en azote et d'autres paramètres sont évalués en appliquant la même démarche que pour le dosage du saccharose. De plus, des paramètres qualitatifs tels que l'origine géographique, la résistance à une maladie ou la période de récolte sont évalués grâce à des méthodes de classification supervisées.

Il est encore difficile de prédire et de contrôler le développement des maladies telluriques qui sont à l'origine de nombreux dégâts dans les systèmes de culture. Ce travail interdisciplinaire en épidémiologie a pour objectif de comprendre et de modéliser le développement spatio-temporel des épidémies telluriques afin d'identifier des leviers de gestion pour ces maladies. En se basant sur le pathosystème betterave sucrière - Rhizoctonia solani, la thèse se focalise sur trois problèmes. Dans un premier temps, en alliant mesures expérimentales de la dispersion du pathogène et simulations d'un modèle stochastique spatialement explicite, nous montrons que la croissance de l'hôte peut induire un changement dans le comportement du système qui, dans certains cas, devient invasif alors qu'il était initialement non-invasif. Dans un second temps, sur la base de mesures expérimentales nous proposons un modèle âge-dépendant de la distribution de la période d'incubation qui est utilisé pour relier les infections cachées et les observations de maladie. Le comportement cryptique des épidémies est ensuite étudié par simulation d'un modèle spatial hiérarchique qui intègre la période d'incubation. Dans un troisième temps, un modèle spatialement implicite est utilisé pour estimer les taux d'infection à partir de données temporelles de maladie et pour analyser les effets de la biofumigation sur les épidémies. Ces paramètres sont ensuite utilisés pour prédire le développement stochastique des épidémies à partir d'un modèle spatial individu-centré. Les résultats confirment que la biofumigation ne permet qu'un contrôle partiel des épidémies mais suggèrent que ce contrôle biologique diminue l'incertitude autour du développement cryptique de la maladie. Pour finir, les résultats de ces travaux sont discutés et les perspectives qu'ils suscitent sont présentées.

La filière betteravière française cherche à gagner en productivité afin d'obtenir des rendements en sucre économiquement satisfaisants. La fertilisation azotée est l'un des principaux facteurs influençant le rendement de la betterave sucrière. De nombreux modèles ont pour but de simuler le rendement en sucre de la betterave mais peu prennent en compte l'effet des conditions de nutrition azotée. Dans ce contexte, les objectifs de ce travail étaient: (i) de mener une réflexion conduisant au choix du type de modélisation, (ii) d'identifier les caractéristiques de la plante en réponse à la nutrition azotée pour le paramétrage du modèle, et (iii) d'évaluer notre modèle. La démarche de modélisation s'est concentrée sur l'intégration des effets de la nutrition azotée sur l'élaboration de la surface foliaire, et sur les relations source-puits au sein de la plante. Des expérimentations au champ sur deux années nous ont permis d'acquérir les données nécessaires à l'étude des réponses de la betterave à des conditions contrastées de nutrition azotée et au paramétrage du modèle. Un travail de compilation de données de validation disponibles à l'ITB a permis de prendre en compte la variabilité des paramètres. Nous avons constaté que la betterave répondait à la nutrition azotée comme les autres plantes en C3. Le modèle simule les différences de rendement en sucre en fonction de l'état de nutrition azotée comme annoncé dans la bibliographie. Le modèle permet de retrouver sans les imposer les stades de croissance de la betterave. Couplé au module de fourniture d'azote du modèle STICS, le modèle permet de simuler les grandes tendances des rendements depuis les trente dernières années. / The French sugar beet industry seeks to increase productivity in order to obtain sugar yields economically satisfactory. Nitrogen fertilization is one of the main factors influencing yield of sugar beet. Many models are designed to simulate the yield of sugar beet but few take into account the effect of nitrogen nutrition conditions. In this context, the objectives of this work were: (i) to reflect leading to the choice of the type of modeling, (ii) to identify the plant characteristics in response to nitrogen nutrition for parameterization of the model and (iii) evaluate our model.The modeling approach has focused on the integration of the nitrogen nutrition effects on the leaf area development, and source-sink relationships within the plant. Two years field experiments have enabled us to acquire data necessary for the study of the sugar beet responses under contrasting nitrogen nutrition conditions and parameterization of the model. A compilation of a data set validation at the ITB makes it possible to take into account parameters variability. We found that sugar beet responded to nitrogen nutrition as the other C3 plants. The model simulates the differences in sugar yield based on nitrogen nutrition status as reported in the literature. The model can find growth stages of sugar beet without force them. Coupled to the supply nitrogen module of the STICS crop model, the model simulates the major trends in yields over the past thirty years.

La betterave sucrière est une plante bisannuelle dont le besoin de vernalisation est absolu. Ce processus correspond à l'acquisition de l'aptitude à la montaison et à la floraison et résulte d'une exposition prolongée à de basses températures. La durée de froid requise pour induire la montaison puis la floraison varie suivant les génotypes et reflète leur tolérance à la montaison, qui constitue donc un caractère agronomique essentiel. Cette thèse visait à (i) mettre en évidence un éventuel contrôle épigénétique (méthylation ADN) de l'induction de la montaison chez des génotypes de betterave sucrière résistants ou sensibles à la montaison, (ii) identifier les séquences ciblées par des remaniements de méthylation de l'ADN et d'expression associés, et (iii) caractériser certaines séquences candidates en vue de leur utilisation comme marqueurs de la montaison. Nos travaux ont montré que l'amplitude et la cinétique des variations de méthylation de l'ADN observées au cours de la vernalisation semblent être des éléments critiques de l'induction et de la tolérance à la montaison. Par une approche ciblée, des séquences dont la méthylation de l'ADN est remaniée ont été identifiées. L'implication dans la transition florale de deux BvRNMT (RNA METHYLTRANSFERASES) et de la méthylation des ARN, tels que l'ARNm de BvFL1, un répresseur floral, a ainsi été mise en évidence chez la betterave sucrière. Enfin, grâce à une approche génomique, un réseau de gènes intégratif incluant la réponse à l'environnement, la signalisation hormonale et l'induction de la floraison a été identifié. La cinétique d'activation de ces gènes définirait le niveau de tolérance à la montaison des différents génotypes de betterave sucrière.

L'éthanol est un composé à usages très variés allant de la chimie à l'agroalimentaire. Cependant, la croissance actuelle du marché se fait essentiellement autour de l'utilisation de l'éthanol en tant que carburant. L'objectif de ce projet est d'intensifier la production d'éthanol à partir du sirop basse pureté, produit de la seconde cristallisation des jus d'extraction de betterave, afin de diminuer les consommations en énergie et en eau pour la production d'éthanol. Pour ce faire, en partenariat avec l'UNGDA et l'ADEME, nous avons mené des travaux de recherche sur les fermentations à haute densité afin d'obtenir des vins à teneur plus élevée en éthanol. A l'issu d'un état de l'art et de quatre visites dans des ateliers de production, une stratégie de recherche en trois points a été établie. Le premier point a consisté en la recherche d'une composition de milieu de fermentation permettant d'augmenter la concentration finale en éthanol. Le second point a eu pour but de déterminer si les besoins en nutriments se limitaient uniquement à la phase de croissance ou au contraire si l'apport de ces nutriments était bénéfique tout au long de la fermentation. Le dernier point a quant à lui utilisé l'ensemble des résultats obtenus pour définir une conduite de procédé, permettant d'obtenir la concentration finale en éthanol la plus élevée possible. Ces résultats montrent qu'il est possible de réaliser des fermentations haute densité à partir de sirop basse pureté et d'obtenir 15,2 % (v/v) d'éthanol en fin de fermentation. L'application de ces travaux dans les ateliers de production permettrait d'économiser par litre d'éthanol pur, entre 20 et 30 % d'énergie pour la distillation, entre 35 et 49 % d'eau pour la réalisation des milieux de fermentation à partir de SBP et de diminuer de 23 à 38 % le volume de déchet produit après distillation. / Ethanol is a compound with a wide usage range from chemistry to food. However, the current market growth mainly concerns the use of ethanol as fuel. The objective of this project was to intensify ethanol production from low purity syrup 2, which is a substrate from sugar beet, in order to reduce the consumptions of energy and water for its production. To do this, in partnership with UNGDA and ADEME, we have conducted research on high-gravity fermentations in order to increase the ethanol concentration at the end of the fermentation. With the coming of a state of the art and four visits in production facilities, a three points research strategy has been established. The first point consisted of fermentation medium composition finding in order to increase the final ethanol concentration at the end of the fermentation. The second point was to determine if the nutrients requirements were limited only during the growth phase or, on the contrary, if nutriments were beneficial throughout the fermentation. The latter point was to use the overall results to define a fermentation process, to obtain a final ethanol concentration as high as possible. These results show that it is possible to achieve high gravity fermentation from low purity syrup and reach a final ethanol concentration of 15.2 % (v/v). The application of this work in production facilities could save per liter of pure ethanol between 20 and 30% energy for distillation, between 35 and 49 % water for the production of fermentation media from SBP and decrease from 23 to 38 % of the volume of waste produced after distillation.

La filière betteravière française cherche à gagner en productivité afin d'obtenir des rendements en sucre économiquement satisfaisants. La fertilisation azotée est l'un des principaux facteurs influençant le rendement de la betterave sucrière. De nombreux modèles ont pour but de simuler le rendement en sucre de la betterave mais peu prennent en compte l'effet des conditions de nutrition azotée. Dans ce contexte, les objectifs de ce travail étaient: (i) de mener une réflexion conduisant au choix du type de modélisation, (ii) d'identifier les caractéristiques de la plante en réponse à la nutrition azotée pour le paramétrage du modèle, et (iii) d'évaluer notre modèle. La démarche de modélisation s'est concentrée sur l'intégration des effets de la nutrition azotée sur l'élaboration de la surface foliaire, et sur les relations source-puits au sein de la plante. Des expérimentations au champ sur deux années nous ont permis d'acquérir les données nécessaires à l'étude des réponses de la betterave à des conditions contrastées de nutrition azotée et au paramétrage du modèle. Un travail de compilation de données de validation disponibles à l'ITB a permis de prendre en compte la variabilité des paramètres. Nous avons constaté que la betterave répondait à la nutrition azotée comme les autres plantes en C3. Le modèle simule les différences de rendement en sucre en fonction de l'état de nutrition azotée comme annoncé dans la bibliographie. Le modèle permet de retrouver sans les imposer les stades de croissance de la betterave. Couplé au module de fourniture d'azote du modèle STICS, le modèle permet de simuler les grandes tendances des rendements depuis les trente dernières années.