Les flavonoïdes sont des substances naturelles connues pour leurs propriétés anti-inflammatoires, anti-cancéreuses ou anti-virales chez l'homme. Chez les végétaux, ils participent notamment à leur protection vis-à-vis d'organismes pathogènes. La voie de biosynthèse des flavonoïdes est l'une des plus étudiées chez les plantes et notamment chez la vigne : Vitis vinifera. Cependant, la ou les enzymes impliquées dans les dernières étapes de biosynthèse conduisant aux anthocyanes et aux proanthocyanidines restent, à ce jour, peu ou pas connues. L’étude que nous proposons a pour but de concevoir des sondes moléculaires d’affinité susceptibles d’interagir avec une ou plusieurs enzymes impliquées dans ces dernières étapes de biosynthèse. Ces sondes, basées sur la technologie émergeante de protéomique chimique : « Activity- and affininity Based Protein Profiling » (ABPP), ont été validées à l’aide d’une enzyme modèle : la leucoanthocyanidine dioxygénase (LDOX). Elles ont ensuite été appliquées à des extraits complexes de protéines issus de Vitis vinifera. / Flavonoids are natural substances known for their anti-inflammatory, anti-cancerous and anti-virals properties in humans. In plants, they are one of the molecules responsible for fighting pathogens. The flavonoid biosynthesis pathway as been greatly studied in plants, especially in that of the grapevine: Vitis vinifera. However, detailed studies of the exact function of the enzymes involved in the last steps of the biosynthesis of anthocyanins and proanthocyanidins remains largely lacking.The study that we propose is to synthesize molecular probes designed to specifically interact with enzymes involved in the last stages of flavonoids biosynthesis. Our probes, based on the emerging chemical proteomic technology, activity- and affinity based protein profiling (ABPP), were validated with a model enzyme: leucoanthocyanidin dioxygenase (LDOX). After which, they were used with complex protein mixtures from Vitis vinifera.

La vigne a une importance économique majeure au niveau mondial. La plupart des vignobles sont greffés et comportent une variété (cépage, Vitis vinifera) greffée sur des porte-greffes de Vitis sauvages (hybrides de V. berlandieri, V. riparia et V. rupestris). Le potentiel qualitatif du raisin à la vendange dépend d’un équilibre subtil entre teneur en sucres, acidité, concentration en polyphénols et en précurseurs d’arômes. Les mécanismes contrôlant l’équilibre sucres/acides/polyphénols sont influencés par différentes contraintes abiotiques auxquelles la vigne est soumise, en particulier l’azote, en interaction avec le matériel végétal (cépage et porte-greffe). Des travaux antérieurs suggèrent par ailleurs qu’une partie des effets de la contrainte hydrique sont en fait liés à une carence azotée entraînée indirectement par la diminution d’absorption d’eau. Le système racinaire (porte-greffe) joue un rôle important dans l’absorption, la réduction, le transport et le stockage de l’azote, et dans l’équilibre hydrique de la plante. Dans ce contexte, nous avons étudié les mécanismes impliqués dans la régulation de la synthèse des flavonoïdes des baies en réponse à la nutrition azotée, à la nature du porte-greffe et du greffon. Des plants des cépages Cabernet Sauvignon et Pinot Noir cultivés soit en pots en conditions semi-contrôlées soit au vignoble ont été soumis à des niveaux d’alimentation azotée différents. Les analyses agronomiques ont permis de confirmer une augmentation des teneurs en azote des différents organes de la plante (limbes, pétioles et baies) ainsi qu’une augmentation de la surface foliaire et de la masse des bois de taille sous l’effet du traitement azoté. Les analyses métabolomiques des pellicules de baies révèlent une accumulation de métabolites secondaires dont la nature diffère en fonction des différentes combinaisons porte-greffe/greffon. De plus, une augmentation de la synthèse d’anthocyanes et des flavonols a été observée dans les pellicules de baies en réponse à la diminution de la nutrition azotée. L’apport azoté se traduit aussi par une augmentation du degré de polymérisation moyen des tannins, alors que les teneurs en flavan-3-ols et procyanidines des pépins et des pellicules ne sont pas affectées par les différents apports azotés. Les analyses transcriptomiques globales (génome complet) et ciblées (qPCR) ont mis en évidence des modifications des transcrits de gènes liés au métabolisme des flavonoïdes en réponse à la nutrition azotée. La variation de l’apport azoté influence également l’expression des gènes régulateurs positifs (facteurs de transcription de type MYB) et négatifs (protéine de type Lateral organ Boundary Domain (LBD)) des gènes de la biosynthèse des flavonoïdes chez la vigne. / Grapevine has a major economic importance worldwide. Most vineyards are grafted and include a variety (Vitis vinifera) grafted over a wild Vitis rootstock (hybrids of V. berlandieri, riparia and rupestris). Grape berry quality at harvest depends on a subtle balance between acidity and the concentrations of sugars, polyphenols and precursors of aroma compounds. The mechanisms controlling the balance of sugars/acids/polyphenols are influenced by the abiotic environment, in particular nitrogen supply, and interact with the genotypes of both the scion variety and the rootstock. Previous work suggests that some of the effects of water stress are in fact linked to a nitrogen deficiency driven indirectly by the reduction of water absorption. The root system (i.e rootstock) plays an important role in the uptake, reduction, transport and storage of nitrogen, and the water balance of the plant. In this context, we studied the mechanisms involved in the regulation of the synthesis of flavonoids in berries in response to nitrogen nutrition with different scion/rootstock combinations. Two varieties (Cabernet Sauvignon and Pinot Noir) were subjected to different nitrogen supplies in two experimental systems, in pots under semi-controlled conditions and in a vineyard. Agronomic analysis confirmed that high nitrogen supply increased the nitrogen content of different organs (leaf blades, petioles and berries) as well as leaf surface area and cane pruning weight. Metabolomic analyses of berry skins revealed an accumulation of secondary metabolites whose nature depended on the different rootstock/scion combinations studied. In addition, an increase in the synthesis of anthocyanins and flavonols was observed in the berry skins in response to the decrease in nitrogen nutrition. High nitrogen supply also increased the average degree of polymerization of tannins, while the contents of flavan-3-ols and procyanidins in the seeds and skins of the berries were not affected. Global transcriptome (using RNA sequencing) and targeted (qPCR) analyses showed changes in the abundance of transcripts of genes related to the metabolism of flavonoids in response to nitrogen status. Nitrogen supply also influenced the transcript amounts of positive (MYB) and negative (Lateral Boundary Organ Domain) transcription factors controlling of the biosynthesis of flavonoids.

Les anthocyanes sont une famille de polyphénols très répandus chez les végétaux. Chez la vigne, elles sont responsables de la coloration des baies des cépages rouges, et sont impliquées dans les propriétés organoleptiques des vins. Une nutrition azotée faible induit la production des anthocyanes dans les cellules de la pellicule de raisin des cépages rouges via des mécanismes de régulation qui ne sont pas encore totalement élucidés. Dans ce contexte, nous avons étudié les mécanismes moléculaires impliqués dans la réponse de l’accumulation des anthocyanes pour différents niveaux d’apports azotés. Deux matériels biologiques complémentaires ont été utilisés : des suspensions cellulaires de vigne (lignée GT3) et des plants de Cabernet-Sauvignon, cultivés au vignoble.L’augmentation de la synthèse d’anthocyanes en réponse à la diminution de la nutrition azotée a été confirmée dans les baies et les cellules de vigne en culture. Les analyses transcriptomiques globales (génome complet) et ciblées (qPCR) ont mis en lumière des modifications de l’expression génique, notamment de gènes liés au métabolisme des flavonoïdes, en réponse à la nutrition azotée. L’expression de nombreux gènes structuraux impliqués dans la voie de biosynthèse des anthocyanes est induite par une faible nutrition azotée. La variation de l’apport azoté influence également de façon coordonnée l’expression des gènes régulateurs positifs (facteurs de transcription de type MYB) et négatifs (protéine de type Lateral organ Boundary Domain (LBD)) des gènes de la biosynthèse des flavonoïdes chez la Vigne. L’expression de gènes liés à la production d’énergie (NADH, NADPH), est également affectée.En parallèle, une approche intégrative a été développée sur les suspensions cellulaires, en combinant des mesures d’activités enzymatiques, des dosages de métabolites primaires et secondaires, avec un modèle de balance de flux (Flux Balance Analysis, FBA). Les cartes de flux obtenues prédisent que la diminution de l’apport azoté entraîne une augmentation des flux métaboliques dans la voie du shikimate et des phénylpropanoïdes ; ainsi qu’une répression de la majorité des flux dans les différentes voies du métabolisme primaire, à l’exception de la voie des pentoses phosphates, dont le flux est maintenu, et de la voie de synthèse de l’amidon qui est accrue. Les résultats obtenus plaident en faveur d’un lien fort entre synthèse des anthocyanes et statut énergétique (ATP, NADPH) des cellules vigne. / Anthocyanins are polyphenol compounds very abundant in most of the plants. In grapevine, they give color to red berries and they improve red wine quality and increase the organoleptic properties of the wine. Low nitrogen supply stimulates anthocyanin production in berry skin cells of red grape varieties through regulation mechanisms that are far from being fully understood. In this context, we worked on the molecular mechanisms involved in anthocyanin biosynthesis response to nitrogen supply. Two complementary biological materials were used: grapevine cell suspensions (GT3 line) that originate from a teinturier cultivar and produce anthocyanins under normal conditions; and red grape berries of cv. Cabernet-Sauvignon cultivated in a commercial vineyard. Increases of anthocyanins synthesis in response to low nitrogen levels were confirmed in the field-grown berries and the cells suspensions. Both comparative global (microarrays) and targeted (qPCR) transcriptomic analysis showed different regulations on the expression of the genes involved in the secondary (especially the anthocyanin) and nitrogen metabolisms. The expression of most structural genes of the anthocyanin biosynthesis pathway was induced by a low nitrogen supply. Nitrogen controls also the expression of the positive (MYB transcription factors) and negative (Lateral organ Boundary Domain family protein LBD39) regulatory genes of the flavonoid pathway in grapevine. Furthermore, some genes improved in energy production (ATP, NADPH) were affected. In parallel, an integrative approach combining enzymatic activities and primary and secondary metabolites measurements with developing a Flux Balance Analysis (FBA) modeling approach was used on cells suspensions GT3. The flux maps deciphered that low nitrogen increases metabolic fluxes in shikimate and phenylpropanoid pathways and represses the majority metabolic fluxes in different pathways of primary metabolism. The two exceptions included the pentose phosphate pathway, which the flux metabolism was maintained, and the starch synthesis pathway, which was enhanced. The results obtained showed a strong link between anthocyanin synthesis and energy status (ATP, NADPH) in the berry cell suspensions.