Maîtriser l’impact des maladies sur les cultures est un défi majeur de l’agriculture moderne. Cette préoccupation est un aspect important de l’optimisation de la productivité, notamment en viticulture. En France, le mildiou de la vigne causé par Plasmopara viticola est une des maladies cryptogamiques responsable des épidémies les plus dévastatrices et les plus redoutées. Les traitements reposent sur l’utilisation préventive, systématique et onéreuse de composés chimiques antifongiques dont l’utilisation massive constitue un risque à la fois pour l’homme et l’environnement. La réduction de l’utilisation de fongicide implique le développement d’outils de diagnostic au champ, qui requiert la compréhension des interactions entre la plante et les agents pathogènes. Les travaux de cette thèse pluridisciplinaire ont porté sur le pathosystème Plasmopara viticola - Vitis vinifera, notamment pour répondre à l’intérêt croissant pour un outil de diagnostic en temps réel de la maladie utilisable au vignoble. Les stilbènes sont des phytoalexines impliqués dans la défense de certaines plantes supérieures vis-à-vis de stress biotiques et abiotiques. L’autofluorescence de ces composés phénoliques, dont la biosynthèse est induite dans les feuilles de vigne par P. viticola, en fait un potentiel marqueur naturel de l’infection. En effet, la faible autofluorescence bleu-verte des feuilles de vigne saines est considérablement renforcée par l’autofluorescence violet-bleue des stilbènes à la surface de feuilles de vigne infectée par P. viticola. Cette étude a montré que quelque soit le niveau de résistance du génotype, l’autofluorescence violet-bleue des stilbènes induit par l’infection est présente au niveau des parois des cellules de l’épiderme. En dehors de la concentration, la viscosité s’est révélé être la principale variable physico-chimique influençant l’intensité de l’autofluorescence des stilbènes dans les différents compartiments cellulaires des feuilles de vigne. Ceci explique la fluorescence intense des parois, particulièrement rigides, des cellules de garde (stomates) des feuilles infectées. Le suivi cinétique journalier a révélé la nature transitoire de l’autofluorescence des stilbènes lors de l’infection. La robustesse et l’intérêt de ce signal a également été validée par la mesure à différentes échelles (de la cellule à la feuille entière) et avec différentes méthodes fluorimétriques. Les résultats de ce travail ont permis des avancées sur la connaissance du rôle de composés phénoliques induits et constitutifs dans la défense contre P. viticola. En plus de la localisation de l’autofluorescence des stilbènes en surface des feuilles, la microscopie confocale couplée à la microspectrofluorimetrie a révélé différentes localisations de ces phytoalexines dans la profondeur des tissus en corrélation avec le niveau de résistance des génotypes. L’utilisation de l’autofluorescence des stilbènes comme marqueur de l’infection a permis de mettre en évidence : 1) le fait que les flavonols constitutifs des feuilles de V. vinifera retardent le développement de l’infection par P. viticola; et 2) le fait que les acides hydroxycinnamiques constitutifs ne semble pas participer à la défense contre P. viticola. Enfin, une nouvelle méthode de diagnostic non-destructive du mildiou sur feuille basée sur l’autofluorescence des stilbènes a été développée. Elle a montré une détection pré-symptomatique du mildiou sur les feuilles de vigne entières dès le premier jour après l’infection sur la face abaxiale et le troisième jour sur la face adaxiale. Cette méthode de diagnostic du mildiou a été validée au laboratoire notamment grâce à un prototype de capteur proximal développé en collaboration avec la société Force-A. La validation de la méthode au vignoble dans le cadre d’infection naturelle est la prochaine étape pour une utilisation de ce capteur optique dans le cadre de l’agriculture durable et de la sélection variétale. / Controlling the impact of diseases on crops is a major challenge of modern agriculture. This concern is an important aspect of optimizing productivity, notably in viticulture. In France, downy mildew caused by Plasmopara viticola is a fungal disease responsible for the most devastating epidemics. The preventive and systematic treatments are expensive, while the massive use of antifungal chemicals is a risk to both humans and the environment. Reducing the use of fungicide involves the development of diagnostic tools in the field, which requires understanding the interactions between plants and pathogens. The work of this multidisciplinary thesis focused on the pathosystem Plasmopara viticola - Vitis vinifera, especially to meet the growing interest in a real-time diagnostic tool of disease applicable in the vineyard. Stilbenes are phytoalexins involved in the defense of certain higher plants against biotic and abiotic stresses. The autofluorescence of these phenolic compounds, whose biosynthesis is induced in grapevine leaves by P. viticola, makes it a potential marker of natural infection. Indeed, the low blue-green autofluorescence of grapevine leaves is greatly enhanced by the violet-blue autofluorescence of stilbenes on the surface of leaves infected by P. viticola. This study showed that whatever the level of resistance in various genotypes, violet-blue autofluorescence induced by stilbene is present in the walls of epidermal cells. In addition to their concentration, viscosity proved the main physico-chemical variable affecting the intensity of the autofluorescence of stilbenes in different compartments of vine leaves. This explains the intense fluorescence of the walls, particularly rigid, of guard cells (stomata) of infected leaves. Daily monitoring revealed a kinetic with a transient rise of the autofluorescence of stilbenes during infection. The robustness and value of this signal was also validated by measuring at different levels (cellular to whole leaf) and with various fluorimetric methods (imaging, spectroscopy, proximal sensing). These results advance our understanding of the role of constitutive and induced phenolic compounds in plant defence against P. viticola. In addition to a common location of the autofluorescence of stilbenes on the leaf surface, confocal microscopy coupled with microspectrofluorometry revealed distinctive localizations of these phytoalexins in the deep tissue correlated with the level of resistance in genotypes. This aspect no doubt needs broader testing. The use of autofluorescence of stilbene as a marker of infection allowed us to ascertain that: 1) constitutive flavonols of the leaves of V. vinifera retard the development of infection by P. viticola and 2) the constitutive hydroxycinnamic acids do not seem to participate in the defence against P. viticola. Finally, a new method for the non-destructive diagnosis of leaf infection based on the autofluorescence of stilbenes has been developed. We have demonstrated a pre-symptomatic detection of downy mildew on whole grape leaves from the first day after infection on the abaxial surface and from the third day on the adaxial surface. This method of diagnosis has been validated in the laboratory thanks to a proximal sensor prototype developed in collaboration with the company Force-A. The validation of the method in the vineyard in a context of natural infections is the next step for use of this optical sensor as a tool for sustainable agriculture and for genetic screening.

Ce travail de doctorat traite l’optimisation des méthodes d’extraction des composés phénoliques à partir des sous-produits de la viticulture et de la viniculture, à savoir les sarments de vigne et les marcs de raisins. Plusieurs technologies innovantes sont appliquées et comparées : l’extraction accélérée par solvant (EAS), les décharges électriques de haute-tension (DEHT), les ultrasons (US) et les champs électriques pulsés (CEP). Les extractions solide-liquide faites sur les sarments ont montré que, parmi les solvants étudiés, l’eau est le moins efficace. L’ajout de la β-cyclodextrine dans l’eau améliore le procédé d’extraction mais est moins efficace que les mélanges hydroéthanoliques. L’extraction en milieu alcalin donne le meilleur rendement en composés phénoliques. L’intensification de l’extraction des composés phénoliques des sarments est possible grâce aux nouvelles technologies d’extraction. L’efficacité des méthodes testées est la moindre avec les US, moyenne avec les CEP pour atteindre le meilleur rendement phénolique avec les DEHT. La filtrabilité de ces extraits est d’autant plus lente que leur composition est complexe. L’ultrafiltration membranaire permet une très bonne purification et concentration des composés phénoliques. L’étude des mécanismes d’action des DEHT a permis d’identifier les phénomènes favorisant l’extraction des composés phénoliques à partir des sarments. Un effet mécanique des DEHT, capable de fragmenter les sarments, est en majorité responsable de cette amélioration. Le procédé énergivore du broyage pourra alors être omis. Un effet électrique contribuant également à l’intensification du procédé d’extraction est démontré. La formation de peroxyde d’hydrogène durant le traitement par DEHT est quantifiée mais ne semble pas altérer les composés phénoliques qui sont des molécules à capacité antiradicalaire élevée. Quant aux études portées sur les marcs de raisins, la variation simultanée de plusieurs paramètres opératoires a permis l’optimisation de l’extraction aqueuse et hydroéthanolique des composés phénoliques en ayant recours à la méthodologie de surface de réponse (MSR). Le passage d’un milieu aqueux à un milieu hydroéthanolique a permis d’améliorer nettement le procédé d’extraction solide-liquide des composés phénoliques et l’utilisation de l’EAS a permis l’augmentation du rendement en composés phénoliques jusqu’à trois fois par rapport à l’optimum obtenu en milieu hydroéthanolique. / This study deals with the optimization of the extraction methods of phenolic compounds from viticulture and viniculture by-products, namely vine shoots and grape pomace. Several innovative technologies were tested and compared: high voltage electrical discharges (HVED), accelerated solvent extraction (ASE), ultrasounds (US) and pulsed electric fields (PEF). The solid-liquid extraction conducted on vine shoots showed that, amongst the studied solvents, water is the least effective. The addition of the β-cyclodextrin to water improves the extraction process but remains less effective than that with hydroethanolic mixtures. The extraction in alkaline medium gives the highest phenolic compound extraction yields. The intensification of phenolic compound extraction from vine shoots was possible thanks to new extraction technologies. The effectiveness of the tested methods was the least with US, followed by PEF to accomplish the highest phenolic yield with HVED. The filterability of the extracts was slower when their composition was complex, and the membrane technology allowed a good purification and concentration of phenolic compounds. The reason behind the high effectiveness of HVED was investigated. The action mechanisms of HVED were studied in details. A mechanical effect of HVED provoked vine shoots fragmentation and particle size reduction. This was the main phenomenon responsible for the intensification of the extraction process. It also suggested that a grinding pretreatment would not be necessary prior to HVED, which considerably diminishes the energy input of the overall process. The presence of a non-mechanical effect and its contribution in the efficiency of HVED were also shown. The formation of hydrogen peroxide during the treatment was observed. However it did not seem to alter vine shoot phenolic compounds since these demonstrated a high radical scavenging capacity. As for the studies conducted on grape pomace, the simultaneous variation of several operating parameters allowed the aqueous and hydroethanolic optimization of phenolic compound extraction from these byproducts by response surface methodology (RSM). The passage from an aqueous to a hydroethanolic medium clearly improved the solid-liquid extraction of phenolic compounds from grape pomace. The use of ASE further increased the phenolic compound yield up to three times as compared to the optimum obtained with a hydroethanolic solvent.

Ce travail de recherche porte sur l’intensification de l’extraction des polyphénols à partir des écorces de chêne pédonculé et d’épicéa commun par des technologies innovantes : les champs électriques pulsés (CEP), les ultrasons (US) et les micro-ondes (MO). Ces prétraitements permettent l’amélioration de l’extraction par endommagement des membranes et/ou parois cellulaires. L’effet de chacune de ces techniques (CEP, US et MO) sur l’extraction des polyphénols a été mis en évidence à travers une étude d’optimisation quantitative et qualitative : suivi du rendement des polyphénols, de l’activité antioxydante et caractérisation chimiques des composés extraits.Une étude comparative des prétraitements (CEP, US et MO) couplés à une diffusion en milieu hydro-alcoolique alcalin, a permis de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu lors d’un traitement d’un tissu fibreux. L’étude a prouvé que l’efficacité du procédé est indépendante de la famille d’arbre à laquelle appartiennent les écorces (résineux ou feuillus). De plus, pour valoriser les écorces de bois, l’application d’un prétraitement par CEP (20 kV/cm, 200 impulsions, 3,2 kJ/g bois) suivi d’une diffusion semble être une alternative aux ultrasons, micro-ondes et à l’extraction avec des écorces préalablement broyées. En effet, grâce à l’action électrique et mécanique des CEP, ce prétraitement permet d’obtenir un extrait riche en polyphénols (10,5 g EAG/100g MS pour l’épicéa soit 83 % d’efficacité et 5 g EAG/100g MS pour le chêne soit 82 % d’efficacité). / This research work focuses on the intensification of polyphenols extraction from Quercus robur and Norway spruce barks using innovative technologies : pulsed electric field (PEF), ultrasound assisted extraction (UAE) and microwave assisted extraction (MAE). These pre-treatments enhance the release of intracellular compounds by damaging the membrane and/or cell wall. The effect of each of these technologies (PEF, UAE and MAE) on polyphenols extraction has been highlighted in a quantitative and qualitative optimization analysis by evaluating the polyphenols concentration, antioxidant activity and by the chemical characterization of the extracted compounds.A comparative study of pre-treatments (PEF, UAE and MAE) coupled with an extraction step in an alkaline hydro-alcoholic medium allowed us to better understand the involved phenomena. The induced process efficiency is independent of the tree family to which the bark belongs (coniferous and hardwood). For bark valorization, the application of PEF treatment (20 kV/cm, 200 pulses, 3.2 kJ/g bark) followed by a diffusion step seems to be an alternative to ultrasound and microwave assisted extractions and to the extraction from grinded barks. In fact, the electrical and mechanical effect of PEF treatment allow to obtain an extract rich in polyphenols (10.5 g GAE/100g DM and an efficiency of 83 % for Norway spruce and 5 g GAE /100g DM and an efficiency of 82 % for Quercus robur bark).

Les régions de Midi-Pyrénées (France) et de Chongqing (Chine) sont riches en plantes aromatiques et médicinales dites oubliées (ou médiévales). Afin de valoriser pleinement les différentes bio-molécules extractibles de ces plantes, le concept de MAP-raffinerie a été créé et appliqué à une sélection de plantes issues de ces deux régions. Plusieurs technologies d’extraction utilisant l’eau comme solvant vert (hydrodistillation, distillation à la vapeur et extraction par eau sub-critique) ont ainsi été employées et leur impact tant sur la composition des huiles essentielles que sur la récupération des molécules anti-oxydantes a été évalué. Dans un premier temps, une liste de plantes aromatiques et médicinales oubliées, voire sous-utilisées dans les deux régions a été établie selon des règles de sélection prédéfinies. Six plantes modèles de la région de Midi-Pyrénées (Tussilago farfara L., Calendula arvensis L., Robinia pseudoacacia L., Geranium robertianum L., Cytisus scoparius L. et Spartium junceum L.) et trois plantes de la région de Chongqing (Tussilago farfara L., Citrus aurantium L. et Saussurea costus) ont finalement été retenues. Puis, le concept de MAP-raffinerie a été appliqué à ces plantes afin d’étudier leur possible valorisation globale. L’étude des compositions chimiques des extraits volatils des racines de Tussilago farfara L. et de Calendula arvensis L., ainsi que des boutons de fleurs de Spartium junceum L. a été réalisée par GC et GC-MS pour la première fois. Les principaux composés chimiques dans l’extrait volatil de racines de Tussilago farfara L. étaient des hydrocarbures sesquiterpéniques et des composés aliphatiques tandis que les principaux composés chimiques dans l’extrait volatil de racines de Calendula arvensis L. étaient des sesquiterpènes oxygénés, des monoterpènes oxygénés et des diterpènes oxygénés. L’extrait volatil de boutons de fleurs de Spartium junceum L. était principalement composé de composés aliphatiques. Par ailleurs, les résultats de l’évaluation des capacités anti-oxydantes des extraits (par les tests DPPH, ABTS, FRAP, ORAC et Folin-Ciocalteu) ont montrés que plusieurs plantes comme Cytisus scoparius L., Tussilago farfara L., Citrus aurantium L. ou Robinia pseudoacacia L. pourraient être des sources potentielles d’anti-oxydants naturels. D’un point de vue technologique, les comparaisons de l’utilisation de l’hydrodistillation (HD), de la distillation à la vapeur (SD) et de l’extraction par eau sub-critique (SWE) ont montrées que si la HD et la SD ont des effets limités sur la composition des huiles essentielles, la HD semble être une méthode plus efficace pour la récupération des composés anti-oxydants à partir des résidus de distillation que la SD tandis que la SWE s’avère être une technologie prometteuse pour l’extraction directe de ces molécules à partir des plantes. Si la composition minérale de l’eau lors de l’hydrodistillation n’a que des effets très limités sur les rendements d’extraction, les teneurs en ions calcium et bicarbonate des eaux ont par contre des effets décroissants significatifs sur la capacité anti-oxydante et sur la teneur phénolique totale des extraits aqueux et méthanoliques. Au vue de ces résultats, un concept amélioré de MAP-raffinerie a été développé en intégrant une extraction à l’eau sub-critique pour l’extraction des composés anti-oxydants des résidus d’extraction primaire. Selon ce nouveau concept, cinq extraits peuvent être obtenus à partir des matières végétales: un extrait volatil, un extrait aqueux, un extrait méthanolique, un extrait à l’eau sub-critique et in fine un résidu solide. Les premiers résultats ont montrés que la "MAP-raffinerie améliorée" augmente de manière significative la récupération des antioxydants par rapport à la MAP-raffinerie originale et permet d’envisager une valorisation plus facile du résidu solide en agro-matériaux du fait de sa faible teneur en eau résiduelle. / In both Midi-Pyrénées region (France) and Chongqing region (China), there are rich and underutilized medicinal and aromatic plants (MAP). Aiming at fully exploiting different molecules in these plants, the concept of MAP-refinery was developed and applied to several underutilized medicinal and aromatic plants in these two regions. Several water-based green extraction technologies of natural products (e.g. hydrodistillation, steam distillation and subcritical water extraction) were also investigated to look at their effects on essential oil composition and antioxidants recovery from selected plants. Firstly, lists of forgotten or underutilized medicinal and aromatic plants in both regions were established according to the rules of selection. From the lists, six plants in the Midi-Pyrénées region (Tussilago farfara L., Calendula arvensis L., Robinia pseudoacacia L., Geranium robertianum L., Cytisus scoparius L. and Spartium junceum L.) and three plants in the Chongqing region (Tussilago farfara L., Citrum aurantium L. and Saussurea costus) were finally selected for investigations. Then the MAP-refinery was applied to the selected plants in two regions in order to realise their global valorisation. Volatile extracts composition in the roots of Tussilago farfara L. and Calendula arvensis L., as well as flower buds of Spartium junceum L. were firstly investigated. The main chemical compounds in volatile extract from Tussilago farfara L. roots were sesquiterpene hydrocarbons and aliphatic compounds while main chemical compounds in volatile extract from Calendula arvensis L. roots were oxygenated sesquiterpenes, oxygenated monoterpenes and oxygenated diterpenes. The volatile extract from flower buds of Spartium junceum L. was mainly composed of aliphatic compounds. Antioxidant capacity evaluation results (by DPPH, ABTS, FRAC, ORAC and Folin-Ciocalteu tests) showed that several plant samples like Cytisus scoparius L., Tussilago farfara L., Citrum aurantium L. and Robinia pseudoacacia L. could be potential sources of natural antioxidants. Comparisons of hydrodistillation (HD), steam distillation (SD) and subcritical water extraction (SWE) showed that HD and SD had limited effects on essential oil composition but HD, SD and SWE had significant impacts on the recovery of antioxidants. Hydrodistillation seemed to be a better method for recovery of antioxidant compounds from residues of distillation than steam distillation. However, SWE appeared to be a more efficient method for direct extraction of antioxidant molecules (or phenolic compounds) from plants. In the hydrodistillation process, mineral contents in water were found to have very limited effects on yields of extracts but calcium and bicarbonate ions, had significant decreasing effects on antioxidant capacity and total phenolic content of both aqueous and methanolic extracts. Finally, an improved MAP-refinery was developed. Subcritical water was used for further extraction of antioxidant compounds from residues in original MAP-refinery. In this way, five parts could be obtained from plant materials: volatile extract, aqueous extract, methanolic extract, subcritical water extract and the final residue. The results showed that the improved MAP-refinery significantly increased the recovery of antioxidants compared with original MAP-refinery. This promising process will also allow a better valorisation of the final solid residue due to the lower content of residual water.