Natural products and health foods have recently received a lot of attention both by health professionals and the common population for improving overall well-being, as well as in the prevention of diseases including cancer. In this line, all types of fruits and vegetables have been reevaluated and recognized as valuable sources of nutraceuticals. The great number of potentially active nutrients and their multifunctional properties make cactus pear (Opuntia spp.) fruits and cladodes perfect candidates for the production of health-promoting food and food supplements. Although traditionally appreciated for its pharmacological properties by the Native Americans, cactus pear is still hardly recognized because of insufficient scientific information. However, recent studies on Opuntia spp. have demonstrated cactus pear fruit and vegetative cladodes to be excellent candidates for the development of healthy food. Therefore, this review summarizes current knowledge on the chemical composition of Opuntia cacti with particular emphasis in its use as food and medicine.

L’objectif des travaux de cette thèse concerne la caractérisation du germoplasme marocain du cactus Opuntia. Les études réalisées pour atteindre cet objectif ont portées sur le comportement phénologique, les caractéristiques génétiques et la composition physicochimique du cactus, ainsi que sur les molécules à fort potentiel thérapeutique, susceptibles d’avoir des effets bénéfiques pour les cellules du système nerveux central, dans les extraits de cactus (fruit, fleur, graine, huile, raquette et épine) et ceci en comparaison avec l’huile d’Argan. Les travaux ont été réalisés dans quatre laboratoires partenaires partageant des compétences dans les domaines d’analyses agronomique, biochimique et moléculaire. Les résultats de nos travaux sont présentés dans trois volets : (i) la caractérisation agronomique du cactus, (ii) la purification et la caractérisation des extraits et des molécules naturelles et (iii) l’évaluation des effets biologiques de ces molécules sur un modèle cellulaire. L’étude phénologique sur des écotypes âgées de 4 ans, issus du site expérimental de l’INRA d’Ain Nezagh, nous a permis de les classer selon le taux de fructification ou la production de biomasse de manière à mieux orienter leur utilisation en fonction de l’origine géographique et de l’espèce. L’étude de la diversité génétique, basée sur les traits morphologiques et les marqueurs moléculaires, a permis d’identifier sur le site d’Ain Nezagh sept espèces de cactus dont deux n’avait jamais été décrites au Maroc, O. leucotricha et O. inermis. Les analyses morpho-anatomique et physico-chimique de la fleur, du jus, du fruit et de la raquette d’écotypes âgées de 10 ans provenant du site de l’INRA de Jemâat Riah ont démontré la présence de deux espèces différentes de cactus du genre Opuntia, comportant quatre variétés non identifiées auparavant sur ce site. Nos travaux montrent donc l’existence d’une grande diversité génétique intra-espèces (variétés) et inter-espèces chez le cactus au Maroc. Paralèllement à ces études, les compositions chimiques des huiles essentielles de raquette et de graine de cactus ainsi que celle d’huile d’argan ont été déterminées. A partir de ces analyses, nous avons choisi d’étudier les effets de deux stérols, le spinastérol et le schotténol, ainsi que d’extraits de stérols sur l’activation du récepteur nucléaire LXR (Liver X receptor, impliqué dans la régulation du métabolisme du cholestérol) dans les cellules cérébrales de la microglie (lignée murine BV-2). Nos résultats montrent que le spinastérol et le schotténol, sans être cytotoxiques, peuvent moduler les expressions des deux isoformes de LXR, LXR-α et LXR-β, ainsi que de leurs gènes cibles ABCA1 et ABCG1. De plus, le schotténol provoque une activation spécifique de LXR-β. Ces résultats suggèrent que ces deux phytostérols pourraient avoir un rôle protecteur dans la modulation du métabolisme du cholestérol dans la microglie. / The objective of this PhD thesis is to characterize the Moroccan germplasm of the cactus Opuntia collected from different regions in Morocco, by studying the phenologic behavior, the genetic features and physicochemical composition, along with the molecules of high therapeutic potential which may have beneficial effects on the central nervous system cells from cactus extracts (fruit, flower, seed, oil, cladodes and spine) and compared to Argan oil. This work has been conducted in fours different laboratories sharing complementary analyses skills at agronomic, biochemistry, molecular levels. Our results are presented in three parts : (i) cactus agronomic characteristics, (ii) purification and characterization of natural extracts and molecules and (iii) the evalution of biological effects of these molecules using a cell model. Initially, the first experimental INRA site of cactus culture, located in Ain Nezagh and containing ecotypes older than 4 years, allowed us to achieve a phenological study with the classification of the ecotypes according to fruiting rate and to the biomass production in order to better guide their use according to geographical origin and species. The genetic diversity study based on morphological traits and molecular markers permited the identification, on the site of Ain Nezagh, of the presence of seven species of cactus among which two have never been described in Morocco: O. leucotricha and O. inermis. The morpho-anatomical and physicochemical analyses of cactus flower, juice, fruit and cladodes of 10 years old ecotypes issued from the Jemâat Riah INRA site, demonstrated the presence of two different species of the genus Opuntia including four varieties not previously identified on this site. Thus, our work indicates the existence of a large intra-species (varieties) and inter-species genetic diversity. Secondly, the chemical compositions of cladode essential oils or cactus seeds as well as argan oil were determined. From these analyzes, we have chosen to study the effects of two sterols, spinasterol and schottenol and also sterol extracts on the activation of the nuclear receptor LXR (Liver X receptor, involved in the regulation of cholesterol metabolism) in microglia brain cells (BV-2 murine cell line). Our results show that spinasterol and schottenol, without being cytotoxics, can modulate the expression of the two isoforms of LXR, LXR-α and LXR-β, as well as of their target genes ABCA1 and ABCG1. In addition, the schottenol causes LXR-β specific activation. These results suggest that these two phytosterols could have a protective role in the modulation of cholesterol metabolism in microglia.

Les orientations de la politique agricole marocaine, notamment le Plan Maroc Vert, encouragent la valorisation des zones arides et le développement de cultures qui s’adaptent au réchauffement climatique. Le figuier de Barbarie est une plante qui s'adapte au climat aride et semi-aride mais il reste encore sous-exploité au Maroc. Les cladodes du figuier de Barbarie sont largement consommées au Mexique et elles contiennent des composants bioactifs qui ont des effets bénéfiques sur la santé. Le jus extrait à partir des cladodes des deux espèces Opuntia ficus-indica (inerme) et Opuntia megacantha (épineuse) a fait l’objet de ce travail. Les cladodes ont été récoltées dans la région de Marrakech (commune rurale Ouled Dlim) au Maroc durant trois saisons entre 2013 et 2014 (printemps, été et hiver) afin d’évaluer l’effet du temps de récolte sur la composition physico-chimique et biochimique ainsi que sur les propriétés antioxydantes. Le rendement en jus des cladodes varie en fonction des saisons et des espèces (20,83 – 63,39 %). Les analyses physico-chimiques et biochimiques ont montré que le jus de cladode est riche en polyphénols (455,65 ± 7,63 – 542,70 ± 1,35 µg EGA/ mL), en acide ascorbique (17,60 ± 1,87 – 22,88 ± 0,62 mg /100 mL) et en potassium (44,23 – 409,35 mg /100 mL), mais pauvre en sucre (0,66 ± 0,01 – 1,45 ± 0,03 g /100 mL). L’analyse HPLC sur les composés phénoliques a montré que le jus de cladode est riche en flavonols à savoir l’isoquercetine et l’hyperoside (645,90 µg/mL et 164,50 µg/mL respectivement). L’activité antioxydante du jus de cladode a été mesurée avec le test FRAP (1,74 ± 0,07 – 3,33 ± 0,02 µmol ET/mL) et l’activité antiradicalaire a été réalisée avec le test DPPH (1,78 ± 0,03 – 4,10 ± 0,02 µmol ET/mL) et le test ABTS (12,78 ± 1,69 – 23,10 ± 0,17 µmol ET/mL). La corrélation entre les analyses a montré qu'il y avait une relation significative (p<0,05) entre les méthodes d’analyses, les espèces et les saisons. Le jus de cladode extrait à partir de l’espèce épineuse (Opuntia megacantha) et la récolte effectuée au mois d’août nous ont donné les plus grandes valeurs en composants biochimiques et pour l’activité antioxydante. L’analyse quantitative du jus de cladode du mois de mars par HPLC-DAD à montré la présence d’une quantitié importante de flavonoïdes essentiellement l’isoquercetine et l’hyperoside. Les résultats de cette étude ont montré la richesse du jus en nutriments et son potentiel antioxydant. Le jus de cladode peut être conservé durant 42 jours à 4°C, après une pasteurisation à 95°C pendant 3 min dans un bain-marie et un abaissement du pH à 3,5 avec de l’acide citrique. Le jus peut être commercialisé sous forme de nectar, thé glacé ou boisson gazeuse, sans oublier une valorisation de ses coproduits (confiture, soupe, poudre, etc.). / The orientations of the Moroccan agricultural policy concerning the Green Morocco Plan, promote the development of the arid zones and the development of crops that adapt to global warming. The prickly pear cactus is a plant which is adapted to the arid climate and still untapped in Morocco. Prickly pear cladodes contain bioactive components that have beneficial health effects. The juice extracted from cladodes of both species Opuntia ficus-indica(spineless) and Opuntia megacantha(spiny) was the subject ofthis work. The cladodes were harvested in the region of Marrakech (Ouled Dlim) in Morocco for three seasons (spring, summer and winter) between 2013 and 2014 to assess the effect of harvest time on the physico-chemical and biochemical composition and antioxidant activity. The yield of cladode juice varies within the seasons and species (63,39 –20,83 %). The physico-chemical and biochemical analyzes showed that cladode juice is rich in polyphenols (543 ± 1–456 ± 8mg GAE/mL), in ascorbic acid (17,60 ± 1,87 –22,88 ± 0,62 mg/100 mL) and in potassium (409,35 –44,23 mg/100mL) but poor in sugar (0,66 ± 0,01–1,45 ± 0,03 g/100 mL). HPLC analysis of phenolic compounds has shown that cladode juice is rich in flavonols namely isoquercetin and hyperoside (645,90 mg/mL and 164,50 mg/mL respectively). The antioxidant activity of cladode juice was measured with FRAP test (1,74 ± 0,07 –3,33 ± 0,02 μmol TE/mL) and the antiradical activity was carried out with the DPPH test (1,78 ± 0,03 –4,10 ± 0,02 μmol TE/mL ) and the ABTS test (12,78 ± 1,69 –23,10 ± 0,17 μmol TE/mL ). The correlation analysis indicated that there was a significant relationship (p<0,05) between the methods of analysis, species and seasons.Quantitative analysis of cladode juice harvested in March HPLC-DAD showed the presence of a significant quantity of flavonoids essentially isoquercetin and hyperoside. Results of these analyzes showed that cladode juice is rich in nutriments and has an antioxidant activity potential. The juice can be stored for 42 days at 4°C, after pasteurization at 95°Cfor 3 min in a water bath and lowering the pH to 3,5 with citric acid. Cladode juice can be used as nectar, iced tea or soft drink and with a valorization of its coproducts (jam, soup, powder etc.).