Les agronomes conçoivent de nombreux modèles dont l'utilisation hors de la recherche est discutée. Cette thèse, entre agronomie et ergonomie de conception, propose une démarche de conception d'un outil DIAGVAR d'aide à l'évaluation variétale, pensée en lien avec l'usage de cet outil par trois groupes d'acteurs (obtenteurs, agents en charge de l'inscription variétale et agents des instituts techniques). Cette démarche a pour objectif le développement conjoint du modèle inscrit dans l'outil et des activités des différents participants à la conception, chercheurs et utilisateurs. Notre démarche de conception articule une analyse de l'activité d'évaluation variétale et une phase de simulation dans laquelle les utilisateurs potentiels manipulent un prototype de DIAGVAR. Cette démarche nous a permis d'identifier plusieurs questions agronomiques sur le modèle. Deux ont été traitées, sur le renouvellement des indicateurs du statut azoté d'une culture pour rendre possible l'intégration de cette mesure dans les essais variétaux et sur la stabilité des méthodes statistiques utilisées dans le modèle sur les configurations de réseau d'essais très variables des acteurs de l'évaluation variétale. Le traitement de ces questions aboutit à de fortes modifications du modèle agronomique. D'un point de vue ergonomique, notre démarche vise à permettre aux concepteurs et aux utilisateurs de s'engager dans des genèses instrumentales. Nous analysons ces genèses et la façon dont notre démarche modifie l'activité des utilisateurs. Nous proposons enfin un cadre pour identifier comment notre projet ingénierique de conception d'outil contribue à produire des connaissances scientifiques génériques.

Avec l'émergence des préoccupations d'économie d'intrants, de préservation de l'environnement et de la biodiversité, les associations, qui consistent en la culture d'au moins deux espèces différentes sur la même surface pendant une période significative de leur développement, présentent un regain d'intérêt en Europe. Ces associations pourraient avoir des applications intéressantes pour le développement de cultures « multiservices » à moindre niveau d'intrants (azote particulièrement). Des travaux antérieurs ont montré que les performances des associations céréale-légumineuse dépendent fortement du niveau d'azote minéral du sol Cependant on ne dispose pas à l'heure actuelle de références suffisantes pour piloter la fertilisation azotée de l'association en fonction de différents objectifs de production. Les objectifs de la thèse étaient (i) d'utiliser les connaissances précédemment acquises sur le fonctionnement dynamique d'une association pois-blé d'hiver pour étudier la pertinence de la fertilisation azotée comme levier pour orienter les performances des associations pois-blé vers différents objectifs de production en agriculture conventionnelle ; (ii) d'approfondir les connaissances sur le fonctionnement de l'association en réponse à différentes dynamiques de disponibilité en azote (partage des ressources azotées ; inhibition et réversibilité de la fixation symbiotique) ; (iii) d'apporter des pistes vers des règles de décision pour la gestion la fertilisation azotée de ces associations pour différents objectifs de production. Nos expérimentations de plein champ démontrent que la fertilisation azotée est un levier efficace pour orienter les performances finales notamment la proportion de chaque espèce dans le mélange, critère aujourd'hui mal maîtrisé. Un apport d'azote favorise la croissance de la céréale et pénalise celle de la légumineuse. La céréale apparaît plus compétitive que la légumineuse pour les ressources d'azote minéral pour une date d'apport intervenant avant début du remplissage des grains du pois. Cependant, l'intensité de la réponse à la date de fertilisation varie en fonction des écarts de dynamiques de croissance et de phénologie de chaque espèce avant l'apport, facteurs qui apparaissent déterminants dans le partage de l'N minéral et le comportement de la fixation symbiotique. Des expérimentations en conditions contrôlées ont permis d'approfondir l'effet inhibiteur des nitrates et la réversibilité de la fixation chez le pois en analysant séparément l'impact sur la structure et sur l'activité de l'appareil fixateur en fonction du stade phénologique et de la disponibilité en carbone. Une exposition aux nitrates pendant la phase végétative réduit la vitesse d'apparition des nodosités alors qu'une exposition durant la floraison et le remplissage des grains réduit la croissance des nodosités existantes. Les nitrates réduisent fortement l'activité fixatrice quelle que soit la date d'exposition aux nitrates. De plus, il a été démontré que la réversibilité de la fixation symbiotique après courte exposition aux nitrates était fonction de l'allocation carbonée aux nodosités. Ainsi, la réversibilité de la fixation symbiotique est possible chez le pois si une courte inhibition due nitrates survient avant les stades de remplissage du grain, ce qui est confirmé en situations de plein champ. Notre démarche de modélisation a par ailleurs aboutit au développement, à partir de deux modèles de culture pures (AZODYN pour le blé et AFISOL pour le pois), d'un modèle dynamique du fonctionnement de ces associations (AZODYN-IC) dont l'intérêt et l'originalité se situent dans (i) sa capacité à bien simuler la réponse à des disponibilités en azote variées permettant ainsi d'être directement opérationnel et utilisé comme outil d'aide à la gestion de la fertilisation azotée (ii) des formalismes relativement simples de partage des ressources (lumière, eau, azote) et comprenant un lien très étroit entre le partage de la lumière et l'acquisition de l'azote, déterminant dans le fonctionnement du peuplement, (iii) l'absence de paramétrage spécifique pour simuler le fonctionnement de l'association. Le modèle a permis de prolonger les expérimentations en simulant une gamme de stratégies de fertilisation plus large (combinaisons de proportions de semis x doses x dates de fertilisation) et ceci pour une gamme importante d'années climatiques. Ce travail a également permis de proposer des pistes vers des règles de décision de conduites azotées en fonction des reliquats d'azote observés sortie hiver, de la proportion de blé dans la biomasse de l'association observée sortie hiver, et de l'estimation de la minéralisation depuis la sortie hiver jusqu'à la récolte.

Les plantes sont des organismes sessiles, ce qui implique qu'elles doivent passer à travers tous les stades de leur développement au même endroit peu importe les conditions environnementales. La transition de la phase végétative (production de tiges et feuilles) à la phase reproductive (production de fleurs) est une étape cruciale de ce développement. Les facteurs environnementaux tels que la durée de l'ensoleillement, la température, les nutriments et la disponibilité en eau sont des déterminants importants de cette transition, et donc de la floraison. En zones tempérées, la majorité des espèces végétales ont développé des mécanismes d'adaptation leur permettant d'optimiser leur développement en fonction des conditions de température et d'ensoleillement. Des pertes agricoles importantes peuvent être encourues si ces conditions ne sont pas optimales. Le blé est une des espèces céréalières essentielles à cause de son utilisation quotidienne directe et indirecte dans la nourriture de la population humaine mondiale et des animaux. Cette céréale est composée essentiellement de cultivars d'hiver et de cultivars de printemps. Les cultivars d'hiver sont semés en automne et récoltés en début d'été, donc traversant tout l'automne et l'hiver avec le risque de pertes dues au gel. Les cultivars de printemps sont semés au printemps et récoltés en fin d'été avec le risque de pertes dues au gel d'automne et aux attaques d'insectes ravageurs plus abondants à ce moment. La floraison du blé d'hiver requiert une exposition prolongée aux températures basses, un processus appelé vernalisation. Chez le blé hexaploïde (Triticum aestivum L.), le processus de vernalisation est régi par une des voies génétiques qui impliquent trois gènes principaux qui codent pour des facteurs de transcription, Triticum aestivum VERNALIZATION1 (TaVRN1), Triticum aestivum VERNALIZATION2 (TaVRN2) et Triticum aestivum FLOWERING LOCUS T like 1 (TaFT1), également appelé TaVRN3. TaVRN1 et TaVRN3 sont des activateurs de la floraison tandis que TaVRN2 est un répresseur de la floraison. Afin de comprendre la fonction et la régulation de chacun de ces trois gènes dans la floraison du blé hexaploïde, j'ai utilisé une approche génomique (biopuce) combinée à des outils bioinformatiques (analyse de données et de séquences) et une approche de génétique moléculaire (régulation de l'expression génique, épigénétique, et mutagène). Dans une première étude, j'ai testé si VRN2 peut agir comme un répresseur de la floraison chez une espèce de plante différente des céréales tempérées. Pour atteindre cet objectif, nous avons exprimé de façon constitutive chez Arabidopsis thaliana le gène du blé TaVRN2. Les plantes transgéniques obtenues n'ont montré aucune altération de leur morphologie, mais leur date de floraison a été considérablement retardée par rapport aux plantes contrôles. Ces résultats indiquent que TaVRN2, bien que n'ayant pas d'orthologue connu chez les Brassicaceae, agit comme un répresseur de la floraison chez ces espèces. Des études sur la tolérance au gel ont révélé que les plantes transgéniques ont une tolérance au gel plus élevée que les plantes contrôles. Dans l'ensemble, ces données suggèrent que le gène TaVRN2 pourrait moduler des voies de régulation qui régissent le temps de floraison et l'induction de la tolérance au gel. Des études d'expression de la transcription indiquent que l'expression de TaVRN-A1 et TaFT-A1 chez le blé d'hiver est induite par la vernalisation. En utilisant la méthode d'immunoprécipitation sur la chromatine (IPCh ou ChIP) nous avons démontré que cette régulation à la hausse est associée à une augmentation du niveau de méthylation de l'histone-3-lysine-4-triméthylation (H3K4Me3) impliquée dans la régulation épigénétique alors qu'on ne note pas de changement du niveau de l'histone-3-lysine-27-triméthylation (H3K27Me3) à la région promotrice de TaVRN-A1 et TaFT1-A1. Cependant pour les deux marqueurs, leur niveau d'expression est maintenu comparable à la région promotrice TaVRN-B2. H3K4me3 est un marqueur d'activation de la transcription alors que H3K27Me3 est un marqueur de répression de la transcription. Des résultats d'analyses de séquences de promoteur de chaque gène obtenus avec l'utilisation d'outils bioinformatiques révèlent la présence d'éléments cis ciblés par des facteurs de transcription communs chez les espèces de plante qui exigent la vernalisation pour fleurir. Ces données suggèrent l'implication de ces éléments cis ciblés durant la vernalisation. Ces promoteurs possèdent également des éléments de réponse au Polycomb et au Trithorax qui lient les groupes de protéines Polycomb et Trithorax, pour maintenir les états de transcription réprimé ou actif des gènes de développement importants. L'ensemble de ces données indique que la transition de la floraison induite par la vernalisation chez le blé est régulée de façon épigénétique et est médiée par la méthylation des histones au niveau des promoteurs de TaVRN1, TaFT1 et TaVRN2. Ceci peut représenter une partie de la mémoire cellulaire de vernalisation chez le blé. Afin d'étudier l'impact de l'absence du gène VRN1 sur des gènes associés à la floraison, nous avons utilisé une approche génomique basée sur une analyse du transcriptome des plantes d'un mutant mvp-1 (maintained vegetative phase) contenant une délétion de gènes incluant VRN1. Les résultats de cette analyse indiquent que cette délétion conduit à la régulation de 368 gènes. Parmi les gènes hautement régulés, on compte ceux associés à la réponse aux pathogènes (PR) et aux jasmonates. Ces résultats suggèrent que cette délétion dans les plantes du mutant mvp-1 causant l'absence de floraison est associée à l'activation de la réponse moléculaire du mécanisme de défense modulée par la biosynthèse de l'hormone méthyl jasmonate (MeJA). Pour confirmer l'implication du MeJA dans la floraison, nous avons mesuré la teneur en MeJA dans les plantes homozygotes du mutant mvp-1 et des plantes de type sauvage. Le contenu en MeJA était six fois plus élevé dans les plantes du mutant mvp-1 en comparaison du contenu du MeJA dans les plantes de type sauvage. Un traitement avec 150 µM de MeJA sur du blé de printemps hexaploïde (cv Manitou) montre un retard de floraison de deux semaines et une croissance réduite des plantes traitées. Ce retard dans la floraison était associé à la répression significative du gène Triticum aestivum FLOWERING LOCUS T like 1 (TaFT1) supportant ainsi le rôle possible du MeJA dans le contrôle de la floraison. Les résultats obtenus dans le cadre de ces travaux de doctorat montrent l'importance du rôle des gènes VRN1, VRN2 et VRN3 ainsi que de l'hormone MeJA dans la mise en place des mécanismes d'adaptation pour mieux synchroniser la floraison et le développement du blé face aux changements environnementaux. En perspective, cette étude offre des avenues prometteuses afin d'améliorer des stratégies agricoles et la productivité céréalière. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Acclimatation au froid, Biopuce, Blé, Épigénétique, Facteurs de transcription, Floraison, Immunoprécipitation de chromatine, Mutant, Photopériode, Transgénique, Tolérance au gel, Vernalisation.

Les prédictions du réseau intergouvernemental sur les changements climatiques indiquent que la concentration ambiante de dioxyde de carbone (CO2) d'environ 350 µm.mol-1 va doubler d'ici la fin du siècle. Cette hausse de CO2 combinée au réchauffement de la température va avoir un effet drastique sur l'agriculture et les écosystèmes. Grâce à leur grande variabilité génétique, le blé (Triticum aestivum) et le seigle (Secale cereale) sont très adaptés aux stress abiotiques et biotiques. Les variétés d'hiver capables de s'acclimater au froid sont plus résistantes aux basses températures. Cette meilleure capacité de tolérance pourrait-elle conférer un avantage durant la croissance et le développement des céréales soumis aux concentrations élevées de CO2 de 700 µm.mol-1? La comparaison des processus physiologiques, biochimiques et moléculaires associés à la réponse du blé et du seigle non acclimatés et acclimatés au froid durant leur croissance et développement en concentrations ambiantes et élevées de CO2 ont été l'objet de notre étude. Dans le premier article de ce travail, nous avons comparé la contribution des effets de la plasticité phénotypique observée au niveau des feuilles et de la plante entière avec les effets biochimiques et moléculaires sur la performance photosynthétique et l'utilisation de l'eau des cultivars hivernaux et printaniers de blé (cv Norstar et cv Katepwa) et de seigle (cv Musketer et cv SR4A) non-acclimatés (20°C) et acclimatés au froid (5°C). Le blé et le seigle d'hiver acclimatés au froid présentent des hausses de 22 et 44% de leur activité photosynthétique maximale (Asat) et du double de leur efficacité d'utilisation de l'eau. Les sucres produits par la photosynthèse sont exportés au niveau des organes de réserve et de la paroi cellulaire. Les analyses biochimiques et moléculaires montrent que les céréales d'hiver acclimatées au froid augmentent leur efficacité et taux de transfert d'électrons photosynthétiques, diminuent la pression d'excitation au niveau de leur photosystème II et augmentent la dissipation de l'énergie sous forme de chaleur, démontrant ainsi une meilleure performance face à l'inhibition photosynthétique associée au froid. Par ailleurs les résultats obtenus avec la surexpression de BNCBF17 chez Brassica napus indiquent que les gènes CBFs/DREBs semblent réguler la tolérance au gel et gouvernent l'architecture des plantes, l'anatomie des feuilles, la performance photosynthétique et l'efficacité de l'utilisation de l'eau. Nous discutons dans cet article des coûts et des bénéfices de la plasticité phénotypique en termes de survie hivernale et de la capacité de reproduction. Dans le deuxième article nous avons déterminé si l'exposition à court terme aux concentrations élevées de CO2 de 700 µm.mol-1 pouvait compenser l'inhibition photosynthétique induite par le froid chez les variétés printanières de céréales. Les taux d'assimilation de la photosynthèse (Asat) ont été mesurés chez deux variétés (hivernale et printanière) de blé Triticum aestivum (cv Norstar et Katepwa) et de seigle Secale cereale (cv Musketeer et cv SR4A) non acclimatées (température 20/16°C jour/nuit) et acclimatées au froid (température 5/5°C jour/nuit). Suite à une exposition courte de aux concentrations élevées de CO2 de 700 µmol C mol-1, les variétés printanières de blé et seigle acclimatées au froid présentent une diminution de 45 à 60% de leur taux de photosynthèse comparée à leurs homologues non acclimatées. Les plants de blé et de seigle d'hiver acclimatés au froid présentent une augmentation de 15 à 35% de leur photosynthèse comparativement aux plants non acclimatés. L'assimilation de CO2 durant l'acclimatation au froid est 60% moins élevée chez les variétés printanières comparativement aux variétés hivernales. Ces résultats démontrent que l'exposition à court terme aux concentrations élevées de CO2 ne peut compenser l'inhibition photosynthétique induite par le froid chez les variétés printanières. La limitation du CO2 pour la Ribulose 1, 5-biphosphate carboxylase/oxygénase que l'on observe généralement à concentration ambiante de CO2 est accentuée par l'acclimatation au froid chez les cultivars de printemps. De plus, l'exposition à court terme aux concentrations élevées de CO2, ne permet pas aux cultivars de printemps d'ajuster la sensibilité thermale associée à la photosynthèse durant l'acclimatation au froid comparativement aux cultivars d'hiver. Dans le troisième article, l'analyse du transcriptome chez le blé (Triticum aestivum. L,) d'hiver Norstar cultivé à long terme en conditions de CO2 ambiant (380 µmol C mol-1) et élevé (700 µmol C mol-1) a été initiée afin de déterminer les facteurs physiologiques et génétiques impliqués dans la réponse des plantes non-acclimatés (NA, 20°C) et acclimaté au froid (CA, 5°C) aux concentrations élevées de CO2. Les plantes acclimatées au froid en conditions de CO2 ambiant présentent, un phénotype court et robuste, une réduction de 33% de leur croissance, une hausse double du poids spécifique de leur feuille de même que de leur quantité de protéine et une hausse de 30% de leur quantité de chlorophylle par unité de surface foliaire comparativement aux plantes non acclimaté. Les concentrations élevées de CO2 ont peu d'effets sur ces paramètres morphologiques. Néanmoins les concentrations élevées de CO2 ont entraîné une hausse de 30% de la biomasse des parties aériennes du blé non acclimaté et acclimaté au froid. Le blé Norstar acclimaté au froid maintient des taux de photosynthèses en conditions de lumière et de CO2 saturantes comparables au blé non-acclimaté, mais requiert moins de quantum pour la fermeture du photosystème et pour la dissipation de l'énergie sous forme de chaleur. Les plantes non acclimaté et acclimaté au froid ne sont pas sensibles à l'inhibition photosynthétique induite par les concentrations élevées de CO2. L'effet le plus marqué des concentrations élevées de CO2 chez le blé non acclimaté est la diminution de l'expression des gènes impliqués dans la défense des plantes face aux pathogènes. Par contre, ces effets sont moins accentués chez les plantes acclimatées au froid grâce à l'induction des gènes impliqués dans la résistance aux pathogènes, dans la tolérance au gel, dans la protection et à la stabilisation du chloroplaste. Ces résultats démontrent que l'acclimatation au froid et les concentrations élevées de CO2 ont des effets opposés sur la régulation du système de défense des plantes. Ces résultats démontrent que es concentrations élevées de CO2 auront moins d'impact sur la performance et la productivité des plantes qui vivent dans les pays nordiques contrairement à celles qui vivent dans les environnements plus chauds. Avec les conditions de CO2 élevé prévu, la sélection de plantes ayant des caractères de résistance aux pathogènes est fortement suggérée. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Assimilation de CO2, concentrations élevées de CO2, acclimatation au froid, transcriptome, stress abiotiques et biotiques, gènes de résistance aux pathogènes

Le modèle SIMPLE prévoit les levées de différentes cultures. Il comporte un module de prévision des levées sous croûte empirique, basé sur l'observation de levées de betterave sucrière dans un réseau de parcelles pour un type de sol de limons argileux. Ce module est donc assez sommaire bien qu'efficace et l'objectif de ce travail était de pouvoir étendre les prévisions à d'autres conditions de semis et pour d'autres cultures (types de lits de semences, types de sols, différentes caractéristiques des semences) étant donné l'importance des problèmes de levée liés au développement de croûtes à la surface des lits de semences de différentes cultures. Nous avons entrepris de caractériser les types de franchissement des plantules (pénétration, rupture et passage par fissure) au champ face à différents types de croûtes pour des cultures de printemps (betterave, lin et haricot) et d'automne (blé). Nous avons caractérisé sur ces mêmes parcelles la dynamique de formation des croûtes pour les différents états initiaux des lits de semences (granulométrie, humidité au semis) en fonction des pluies cumulées depuis le semis, en complétant les observations de nos deux campagnes d'expérimentation par celles acquises sur un essai de longue durée. Les croûtes ont été caractérisées par leur faciès, leur épaisseur et leur résistance à la pénétration. Des quantités de pluies cumulées, allant de 11 mm pour des lits de semences fins et secs à 27 mm pour des états de surface grossiers ont été mises en évidence pour obtenir la formation de croûtes structurales, qui suffisent déjà à pénaliser les levées si elles se dessèchent. Des expérimentations complémentaires ont été menées au laboratoire pour obtenir sous simulateur de pluie et caractériser des stades plus avancés de croûtes non observés au cours des deux années d'expérimentation au champ. Nous avons quantifié l'évolution du réseau de fissures se formant en fonction du degré de dégradation et des alternances humectation-dessication. Ces données ont permis de paramétrer et tester des modèles géométriques d'apparition de fissures. Les forces exercées par les plantules et leurs variations au cours du temps en fonction de la masse, des variétés et des espèces étudiées ont été mesurées avec des capteurs de force au laboratoire. Les différents éléments acquis par ces expérimentations ont permis d'élaborer un module intégrant des facteurs de variations non pris en compte jusqu'alors pour prévoir la formation d'une croûte et les levées. Ce module intègre des états initiaux de lits de semences variés (structure et teneur en eau), des cumuls de pluie différenciés aboutissant à des stades successifs de formation de la croûte. A chaque type de croûte est associé une distribution de résistances caractéristique. Pour chaque plantule arrivant à la surface, sa force maximum est tirée au sort dans une distribution puis diminue avec l'âge de la plantule. Cette valeur est confrontée jour après jour à la résistance du matériau via un coefficient qui permet d'établir si la plante passe ou reste bloquée. Ce coefficient résulte d'un ajustement aux données observées. Il a été établi sur la betterave, culture pour laquelle les données les plus nombreuses et précises étaient enregistrées. Les premières simulations réalisées à l'aide de ce nouveau module indiquent l'importance des effets des états du lit de semences initiaux sur les taux de levées. L'effet de différences de forces dues aux masses des semences est plus limité mais non négligeable dans certaines situations. On a ensuite testé la possibilité de l'utiliser pour prévoir la levée d'autres cultures, dont la force avait été mesurée. L'extension à d'autres espèces donne des résultats encourageants mais nécessite un travail supplémentaire. La possibilité d'utiliser différents paramètres mesurés au laboratoire sur le sol pour pouvoir adapter le modèle proposé à d'autres types de sol est discutée.

Afin de s'adapter au froid, les plantes induisent l'expression d'une multitude de gènes qui sont sous le contrôle de plusieurs types de facteurs de transcription. Une des familles qui a été très largement impliquée dans le processus d'acclimatation au froid comprend les facteurs de transcription CBF (C-repeat Binding Factor). Chez le blé hexaploïde, 65 gènes CBF ont été identifiés et classés dans dix groupes de structures différentes. Le but de ce travail est de démontrer une spécificité d'expression des CBF dans les organes de la plante ainsi que dans les tissus et les cellules. L'expression de ces gènes a été induite en soumettant les plantes de blé « Wonder » âgées d'une semaine à une température de 4°C pendant 4h et 28h. Différentes parties de la plante (racines, collets, tiges et feuilles) ont été utilisées afin de détecter la présence des ARNm, en utilisant les techniques d'immunobuvardage de type northern et d'hybridation in situ. Les résultats ont permis d'enregistrer plusieurs types de réponses telle que la réponse transitoire, la réponse constitutive ainsi qu'une spécificité d'expression tissulaire et cellulaire. Parmi les 13 gènes étudiés, on a noté une forte abondance des transcrits CBFIVd-9.1, CBFIIId-12.1, CBFIIId-B19 et CBFIVd-A22 dans les feuilles par rapport à CBFIVc-14.1 qui était plus abondant dans la tige. Par ailleurs, CBFIVd-9.1 était le seul à être exprimé dans les racines. Les profils d'expression des CBF étaient variables entre les gènes des différents groupes et au sein d'un même groupe. Également, des variations d'accumulation des transcrits ont été enregistrées entre les plantes exposées à 4°C pendant 4h et les plantes exposées à 4°C pendant 28h. L'hybridation in situ a montré que l'accumulation des CBF était variable entre les tissus. Ainsi, les transcrits CBFIIId-12.1 sont accumulés dans le mésophylle de la feuille tandis que ceux de CBFIIId-A15 sont spécifiquement retrouvés dans l'épiderme. Ces résultats montrent que les CBF étudiés ont des expressions spécifiques et/ou complémentaires et suggèrent que les mécanismes d'acclimatation nécessitent l'action coordonnée de plusieurs CBF pour le développement optimale de la tolérance au gel. Ils fournissent des informations fondamentales sur l'importance des différents CBF et permettront aux agronomes de mieux sélectionner des variétés de blé à l'aide de marqueurs moléculaires associés aux CBF. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Acclimatation, froid, CBF, facteurs de transcription, blé.

Les CBFs représentent une famille de gènes impliqués dans le mécanisme de résistance de la plante au gel. Chez le blé hexaploïde, Badawi et ses collègues (2007) ont trouvé 37 gènes CBFs qui représentent 15 groupes de gènes différents avec 1 à 3 copies. Ces gènes ont été classifiés en 10 sous-groupes différents en fonction de la structure secondaire de leurs protéines. Les analyses phylogénétiques et bioinformatiques révèlent que le blé hexaploïde pourrait avoir plus de 25 groupes de gènes CBF. Nous avons poursuivi l'isolation de gènes CBF afin d'identifier le répertoire complet de cette famille chez le blé hexaploïde tolérant au gel, Norstar. Nous avons identifié 65 gènes CBF chez le blé. L'analyse phylogénétique des séquences nucléotidiques codant pour le domaine AP2 et la signature CBF révèlent que le blé contiendrait 27 groupes de gènes (avec 1 à 3 homéologues chacun provenant des 3 génomes du blé hexaploïde). L'analyse de leur structure secondaire montre qu'il est possible de classer les protéines CBF en plus de 10 sous-groupes pouvant posséder des fonctions différentes ou complémentaires. De plus, la séquence/structure de plusieurs copies (homéologues) CBF chez le blé hexaploïde dévie de celle conservée dans les autres membres du groupe suggérant que ces protéines peuvent représenter des produits de gènes sub optimaux. Ceci pourrait avoir un impact sur l'activité de ces CBF et affecter la régulation des gènes COR et le développement de la tolérance au gel. En tout, Norstar possède 2 pseudogènes CBF exprimés et 24 des 64 protéines analysées peuvent être considérés comme sub optimales. La présence d'un QTL a déjà été associée avec des gènes CBF chez le blé et l'orge. Comme les CBF peuvent être à la base de cet important phénotype, une hypothèse plausible pour expliquer leur contribution pourrait être que les gènes CBF possèdent des différences moléculaires au niveau des régions codantes qui influencent l'activité biologique des CBF exprimés. Afin de vérifier cette possibilité, nous avons comparé les régions codantes des gènes CBF du cultivar d'hiver Norstar à celles de deux cultivars de printemps, Chinese Spring et Manitou. Les résultats montrent que les deux cultivars de printemps possèdent aussi deux pseudogènes CBFIIIc-13.1 et CBFIVd-B22 mais le contenu et la nature des gènes optimaux et sub optimaux varient. Parfois le gène CBF chez le cultivar de printemps possède une séquence qui est plus proche d'une séquence consensus que celle provenant du cultivar d'hiver Norstar comme observé pour CBFIIId-24.2b, et parfois la séquence dévie du consensus comparativement à celle du cultivar Norstar comme observé pour TaCBFIVb-20b. La présence d'haplotypes différents chez le blé suggère que certains allèles peuvent coder pour des protéines CBF plus optimales au niveau de leur activité biologique et d'autres moins optimales. Il sera important d'étudier l'activité des protéines codées par ces haplotypes afin d'évaluer les variantes qui seraient les plus aptes à être combinés dans un génotype afin d'augmenter la régulation positive du développement de la tolérance au gel. Cette information pourra être utilisée par les sélectionneurs lors de croisements de divers génotypes de blé afin de produire des plantes plus tolérantes au gel. ______________________________________________________________________________

Les plantes sont exposées, à chaque étape de leur cycle de vie, à différents stress abiotiques notamment la sécheresse, le froid et la salinité. Bien que ces différents types de stress aient des effets spécifiques pour chacun d'entre eux, ils ont tous la capacité d'induire un effet commun soit le déficit hydrique qui affecte la croissance et le développement des plantes. Certaines plantes s'adaptent au déficit hydrique en modifiant leurs métabolismes ainsi que l'expression de leurs gènes afin de synchroniser leur développement avec les conditions de stress. Cette modification se traduit par la synthèse de nouvelles protéines, particulièrement régulée par le déficit hydrique, notamment les protéines de type Ap2/EREBP. Chez Arabidopsis thaliana, ces protéines forment une famille de facteurs de transcription de 145 membres. Certains membres jouent des rôles essentiels de régulateur dans plusieurs processus de développement tandis que d'autres sont impliqués dans les mécanismes de réponses des plantes aux stress. Chez les céréales, très peu de gènes Ap2/EREBP avec des fonctions connues ont été identifiés. Ce projet de recherche vise à identifier cette famille de gènes chez le blé hexaploid (Triticum aestivum L.). Le choix de ce type de blé comme modèle d'étude réside dans sa capacité de tolérance au gel et sa grande variabilité de réponses aux stress abiotiques. Le blé est la céréale la plus importante au monde puisqu'il représente environ 73% de la production céréalière mondiale. Il est cultivé dans divers types d'environnements climatiques, de productions et de fermes. De plus, il représente la principale source d'énergie alimentaire, d'emploi et de revenu dans plusieurs pays en voie de développement. Le blé agronomique est plus nutritif et économique qu'Arabidopsis. Cependant, le choix entre les deux espèces est influencé par la taille et la complexité de leurs génomes. Le premier chapitre décrit l'identification, la phylogénie et la localisation chromosomique des gènes Ap2/EREBP du blé. Une approche génomique combinant une recherche de bases de données de séquences suivie d'une analyse bioinformatique, un criblage de banques d'ADNc et des amplifications par réaction de polymérisation en chaîne a permis d'identifier 107 ADNc du blé qui codent potentiellement pour des facteurs de transcription de type Ap2/EREBP. Leur localisation chromosomique montre que ces gènes sont dispersés sur tout le génome du blé. Cependant, quelques gènes de cette famille, appelés CBFs (C-repeat Binding Factors), sont regroupés principalement sur le long bras du groupe de chromosomes 5 et ont été associés directement à des déterminants génétiques (QTLs) contrôlant les réponses aux stress et divers aspects du développement floral. Le deuxième chapitre présente la caractérisation de la sous-famille de gènes CBFs. L'analyse phylogénétique a indiqué que les espèces de blé contiennent au moins 23 gènes différents de type CBF. Chez les Poaceae, les CBFs sont classés dans 10 groupes qui partagent une origine phylogénétique commune et des caractéristiques structurales semblables. Six de ces groupes (3C, 3D, 4A, 4B, 4C et 4D) sont trouvés seulement chez les Pooideae, suggérant ainsi qu'ils représentent les mécanismes de réponse de CBF qui ont évolué récemment pendant la colonisation des habitats tempérés. Les études menées sur le profil d'expression de ces gènes démontrent que 5 des groupes spécifiques aux Pooideae montrent une expression constitutive élevée et une expression inductible par les basses températures chez le cultivar d'hiver. Par contre à des températures modérées, la régulation de l'expression varie en fonction de la période de la journée. L'expression inductible et non héritée au sein des groupes de CBF a possiblement joué un rôle prédominant dans l'aptitude des cultivars d'hiver à tolérer les basses températures et elle est probablement à la base de la variabilité génétique de la tolérance au gel chez les Pooideae. Le troisième article décrit l'identification de deux gènes chez le blé, ICE1-like (Inducteur de l'expression de CBF 1) codant pour un facteur de transcription qui régule l'expression des gènes CBF. TaICE87 et TaICE41 codent pour un activateur de transcription de type MYC-like bHLH. TaICE87 et TaICE41 se lient spécifiquement à différentes séquences de reconnaissance MYC du promoteur de TaCBFIVd-B9. TaICE87 and TaICE41 sont constitutivement exprimés chez le blé et leur surexpression chez Arabidopsis mène à l'augmentation du niveau d'expression des gènes AtCOR et AtCBF3 et de la tolérance des plantes au gel. Ces résultats suggèrent que TaICE87 and TaICE41 sont des orthologues fonctionnels d'AtICE1 et peuvent réguler la transcription d'AtCBF3. La structure complexe des éléments MYC au niveau des promoteurs CBF et la différence d'affinité entre TalCE87 et TalCE41 pour les éléments MYC suggèrent que ces 2 protéines peuvent différentiellement activer CBF chez le blé. En résumé, le clonage de la famille de gènes Ap2/EREBP chez le blé a permis d'identifier et de caractériser les membres CBF régulés par les basses températures. De plus, les résultats de cette étude démontrent que l'expression des gènes CBF est amplifiée chez les Pooideae, suggérant ainsi un rôle plausible dans la tolérance au froid des cultivars d'hiver. L'analyse des gènes CBFs pourrait nous conduire à améliorer la tolérance au gel chez le blé, et par conséquent faciliter l'établissement de nouvelles stratégies visant à améliorer la productivité des céréales et leur adaptation aux changements climatiques. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Blé, Acclimatation au froid, Tolérance au gel, Facteurs de transcription, Ap2/EREBP.

De par sa taille (17 Gb), la complexité de son génome (allohexaploïde) ainsi que la forte proportion d’éléments répétés (>80%), l’étude du génome de blé tendre est une tâche particulièrement complexe et s’est souvent retrouvée confrontée aux limites technologies. Grâce une approche de tri de chromosomes, le chromosome 3B (995 Mb) a pu être isolé et séquencé. Ces données ont permis la construction d’une pseudomolécule. Mes travaux de thèse se sont basés sur des données de transcriptomique produites avec une approche RNA-Seq, afin d’investiguer l’impact de la taille de ce chromosome sur l’organisation de l’espace génique. L’annotation du chromosome 3B a permis de mettre en évidence : 5 326 gènes et 1 938 pseudogènes. L’analyse des librairies RNA-Seq pour 15 conditions de développement a permis de mettre en évidence l’expression de 71 % des gènes annotés, ainsi que 3 692 régions nouvellement transcrites (NTR). Nous avons aussi pu détecter des transcrits alternatifs pour 61% des gènes exprimés (en moyenne 6 isoformes). Nous avons donc pu mettre en évidence une structuration de l’espace génique pour le chromosome 3B. En effet, la transcription est répartie sur tout le chromosome, cependant les gènes sont organisés selon un gradient de densité croissant sur l’axe centromère-télomère. En nous basant sur le profil des données de recombinaison, nous avons divisé le chromosome en 3 régions : R1, R2 et R3. La région R2 correspondant à la région centrale du chromosome (647 Mb) où le taux de recombinaison est très faible voir absent. Les régions R1 (58 Mb) et R3 (69 Mb) correspondent respectivement aux parties distales du bras court et du bras long du chromosome, où le taux de recombinaison est le plus fort. Ces trois régions diffèrent par leur niveau et leur spécificité d'expression, ainsi que par leur structure génique (nombre d'exons, taille des introns …). En effet, les gènes ayant une expression tissu-spécifique, ainsi qu’un faible nombre de transcrits alternatifs sont retrouvés dans les régions R1 et R3. Deux modèles peuvent expliquer le lien observé entre la structure des gènes et leur niveau/spécificité d’expression : le modèle de la sélection pour l’économie et le modèle dessin génomique. En conclusion, ce travail a montré et ce, pour la première fois à l’échelle d’un chromosome entier de blé, l’impact de la taille du chromosome sur l’organisation ; mettant en relation la structure des gènes, leur niveau d’expression, leur spécificité d’expression, ainsi que leur nature évolutive. L’assemblage ainsi que l’annotation de pseudomolécules des autres chromosomes permettra de mettre en évidence si cette structure est conservée. Afin de mieux comprendre les mécanismes cellulaires impliqués dans la régulation de l’expression des gènes, une étude du paysage épigénomique a été engagée. / Genome-wide studies of the bread wheat are a complicated task due to its large size (17 Gb), its allohexaploidy and its high content in repeat sequences (>80%). Using a chromosome-specific approach, the chromosome 3B (995 Mb) was successfully isolated and sequenced leading to the assembly of one pseudomolecule. The work presented in this thesis investigated the impact of the 3B chromosome size on the gene space organization. Production of transcriptomic data was achieved using RNA-Seq approach. The chromosome 3B was annotated and we predicted 7 264 features, including 5 326 full genes and 1 938 pseudogenes. We constructed RNA-Seq libraries for 15 developmental wheat conditions. Using this data we detected expression of 71.4% of the predictions, and 3 692 novel transcribed regions (NTR). We also detected alternative transcripts for 61% of the expressed genes, with 5.8 isoforms on average for one gene. Using these transcriptional data, we highlighted a partitioning of the chromosome 3B gene space. Indeed, transcription was found all along the chromosome, but genes were organized according to an increasing density gradient along the centromere-telomere axis. Based on recombination profile, we segmented the chromosome in 3 major regions: R1, R2 and R3. The region R2 was identified with low or no recombination rate corresponding to the centromeric and peri-centromeric regions (647 Mb). The regions R1 and R3 were associated with a higher recombination rate, both localized on the distal part of the short arm (58 Mb) and the long arm (69 Mb) respectively, where the recombination rate is higher. All three regions showed distinct level and specificity of gene expression as well as unique gene structure (variation size, exon number, intron size). Indeed, genes expressed in a specific condition and with a small number of alternatives transcripts were localized on regions R1 and R3. We showed that two evolutionary model could explain the link between gene structure and the level/specificity of expression : “selection for economy” and “genome design”. In conclusion, a transcriptomic studies was achieved along the 3B chromosome for the first time. This study demonstrated a relationship between gene characteristics (structure, expression level, expression specificity and evolution) and the chromosome 3B organization. Future pseudomolecule assemblies will help us to assess the structural organization of these chromosomes. In order to better understand the cellular mechanisms of gene expression, an epigenomic study of the 3B chromosome was started.

L’identification par radio fréquence (RFID) connectée à des capteurs est une technologie grandissante pour les emballages intelligents. Ces travaux de thèse ont porté sur l’étude des propriétés électriques (impédance et capacité) et diélectriques (permittivité diélectrique et pertes) des protéines notamment le gluten de blé, en fonction des molécules environnementales connues comme des marqueurs de dégradation des denrées alimentaires. Les effets de ces molécules (eau, dioxyde de carbone et éthanol) sur les propriétés électriques et diélectriques du gluten de blé ont été analysés. Dans le but d’effectuer des mesures dans des conditions optimales, plusieurs étapes ont été mises en place:Le développement d’une méthode, permettant une haute exposition du gluten de blé à l’atmosphère environnant, afin d’acquérir des mesures électriques et diélectriques du gluten de blé dans des conditions contrôlées de température, vapeurs et de gaz ;L’analyse des effets des vapeurs et gaz sur les propriétés diélectriques du gluten de blé, ainsi que la détermination de différents paramètres tels que la sensibilité et l’hystérésis, propres aux capteurs ;L’enduction du gluten de blé sur une étiquette RFID, testée en fonction de l’humidité et dans des conditions réelles d’utilisation. Les effets sur la distance de lecture de l’étiquette RFID ont été analysés.Les résultats obtenus sont prometteurs au vu des modifications de la permittivité diélectrique et des pertes, indiquant une modification structurelle de la protéine, qui aurait un impact sur la réponse RFID. La permittivité diélectrique a été augmenté de 5.01±0.06 à 9.22±0.06, de 7.81±0.07 à 12.02±0.03 et de 6.66±0.01 à 11.77±0.01, pour une croissance de 20% à 95% de l’humidité relative, de 0% à 40% de dioxyde de carbone et de 0% à 0.1% d’éthanol respectivement, aboutissant à une sensibilité de 26.70±0.13fF/%RH,31.38±0.06fF/%CO2 et 25.50±0.05pF/%éthanol pour les 3 vapeurs et gaz. Les propriétés diélectriques du gluten et sa sensibilité aux vapeurs et aux gaz offrent de nouvelles perspectives sur la conception de capteurs à bas coûts et écologiques, connectés à des étiquettes RFID passives pour les emballages intelligents et pour le contrôle de la chaîne alimentaire. / Radio frequency identification (RFID) interfaced to sensors is a growing technology for intelligent packaging. The present thesis work is based on the study of the electrical (impedance and capacitance) and dielectric properties (dielectric permittivity and loss) of proteins principally wheat gluten, as a function of environmental molecules known as markers of food degradation. The impacts of those molecules (water, carbon dioxide and ethanol), usually found in food packages, on the electrical and dielectric properties of wheat glutenhave been investigated. In order to perform measurements in the optimum conditions, several steps have been set up:The development of a methodology, allowing a high exposure of wheat gluten to the surrounding atmosphere, offering the possibility to perform electrical measurements and identify dielectric properties of wheat gluten in controlled conditions of vapors and gases ;Analyzing the impact of vapors and gases on the dielectric properties of wheat gluten, and the determination of several parameters such as sensitivity and hysteresis, specific to sensors ;The coating of wheat gluten on a RFID tag, tested as a function relative humidity and in real conditions of use. The subsequent impacts on the reading range of the RFID tag have been analyzed.The results obtained are promising according to modifications of the dielectricpermittivity and loss, indicating a structural modification of the protein, sought to have an impact on the RFID response. The dielectric permittivity was increased from 5.01±0.06 to 9.22±0.06, from 7.81±0.07 to 12.02±0.03 and from 6.66±0.01 to 11.77±0.01, for an increase in relative humidity from 20% to 95%, in carbon dioxide from 0% to 40% and in ethanol from 0% to 0.1%, respectively, resulting in a sensitivity of 26.70±0.13fF/%RH, 31.38±0.06fF/%CO2 and 25.50±0.05pF/%ethanol for the 3 vapors and gases. The dielectric properties of wheat gluten and its sensitivity to vapors and gases offer new insights on theconception of low cost, eco-friendly sensors sought to be interfaced to passive RFID tags for intelligent packaging for food and supply chain monitoring.