L'artichaut et le cardon, appartenant à la famille des Asteraceae (Compositae), sont des plantes pérennes herbacées natives du bassin méditerranéen, et qui sont traditionnellement cultivées comme plantes maraîchères, respectivement pour leurs têtes et leurs cardes. L'Italie est le pays possédant la plus importante collection de germoplasmes autochtones d'artichaut. Dans le centre de l'Italie, le type Romanesco est étendu. Ces dernières années, le développement des techniques in vitro a permis la multiplication de l'artichaut Romanesco et sa rapide expansion. Le clone Romanesco C3 a ainsi remplacé de nombreuses races locales de Romanesco, contribuant de la sorte à une érosion significative des ressources génétiques locales. Concernant le germoplasme de cardon cultivé, seules quelques études sont disponibles sur son identification et sa caractérisation génétique. Le cardon sauvage, n'est pas du tout cultivé; il est davantage considéré comme une adventice dans le paysage italien. La grande variabilité existant entre les espèces de Cynara n'est pas correctement décrite et il existe plusieurs cas d'homonymes. Le secteur de l'artichaut italien a du faire face ces dernières années à une crise causée principalement par l'apparition sur le marché de produits étrangers et par les coûts élevés de mise en culture et de récolte. Afin de surmonter cette crise, de nombreuses valorisations du Cynara ont été envisagées. Ces potentielles applications pour la culture ont pu voir le jour grâce au support de l'Union européenne pour la recherche sur les co-poduits issus de l'agriculture, et ont mené à un intérêt croissant pour la biomasse entière d'artichaut. Considérant ces remarques préliminaires, une stratégie, qui permettrait de valoriser le germoplasme italien par la production concomitante de biomasse et de biocomposés, a été mise en place durant ces trois ans de doctorat. Le premier objectif de ce travail de doctorat consistait en i) la caractérisation agro-morphologique du germoplasme italien par le biais de descripteurs UPOV, ii) l'évaluation de la variabilité génétique à l'intérieur et entre les races/clones et iii) l'identification et la préservation des ressources génétiques pour le développement de futurs programmes d'amélioration des plantes. Suite à cette caractérisation, trois génotypes ont été sélectionnés et enregistrés sous les noms de Michelangelo, Donatello and Raffaello. Afin d'analyser le germoplasme italien de Cynara d'un point de vue de la biomasse, différents traits expliquant la vigueur de la plante et la production de matière sèche ont été considérés. Le rendement en biomasse aérienne s'est révélé très élevé, soulignant la possibilité d'utiliser cette culture comme matière première industrielle. Un point particulier du programme de thèse était de mettre au point les méthodes d'extraction de biocomposés et les techniques d'analyse afin d'optimiser le rendement en polyphénols à partir de la biomasse de Cynara à l'échelle laboratoire. L'ASE a été reconnue comme étant la meilleure technique. De plus, les cinétiques de production de biomasse et de biocomposés ont été évaluées et le stade physiologique optimal pour collecter le matériel végétal en champ a été identifié. La caractérisation biochimique a été réalisée grâce aux méthodes mises au point et en collectant le matériel végétal au stade physiologique optimal identifié afin de distinguer les génotypes les plus appropriés pour la production de biocomposés. Le dernier point du programme de thèse était centré sur le développement d'une technique alternative de production de biomasse et de biocomposés en conditions de croissance sous serre. Les résultats obtenus mettent en exergue la possibilité d'utiliser avec succès certains génotypes de Cynara pour la production de biomasse et de biocomposés. La perspective réelle d'utiliser certains génotypes d'artichaut pour une double valorisation alimentaire et non-alimentaire a ainsi été soulignée. / Globe artichoke and cardoon, belonging to the Asteraceae (Compositae) family, are herbaceous perennial plants native to the Mediterranean area, which are traditionally grown as vegetables for the heads and the fleshy petiole leaves, respectively. Italy is the richest reserve of globe artichoke autochthonous germplasm, which is vegetatively propagated and well adapted to the different pedoclimatic conditions of the Country. In Central Italian environments, the Romanesco type is widespread. In the last years, the development of in vitro technologies allowed the propagation of Romanesco globe artichoke type and its rapid expansion. As a result, the micropropagated Romanesco clone C3 has replaced many landraces traditionally grown in the Latium Region and has led either to a significant erosion of local genetic resources. As regards Italian cultivated cardoon germplasm, there are few studies on its genetic characterization and identification and there is a lack of information about the genetic variability existing within and among accessions. For the wild cardoon, no specialized crop is present and it represents mainly a weed in Italian environments. The great variability existing in Cynara spp. has not been described, the nomenclature of Italian germplasm is not always very clear since there are many cases of homonyms. In addition, Italian globe artichoke sector is facing a crisis due principally to the appearance on the market of foreign products and to the high labor cost required for crop cultivation and harvesting. In order to overcome this crisis several possible industrial uses were considered for the species. Considering these preliminary remarks, a strategy for valorizing Italian germplasm using biomass and biocompound production has been carried out during the three years of PhD program. The first objective of PhD work consisted in (i) characterizing agro-morphologically Italian germplasm using UPOV descriptors, (ii) assessing the genetic variability existing within and among landraces/clones and (iii) identifying and preserving genetic resources for the development of future plant breeding programs. As a result of this characterization, three genotypes have been selected and registered under the names of Michelangelo, Donatello and Raffaello. In order to analyze Italian Cynara spp. germplasm also from a biomass point of view, different traits explaining plant vigor and dry matter production have been considered. The aerial biomass yield resulted very high underlining the possibility of using this crop as raw industrial material. A focal point of PhD program was to set up biocompound extraction methods and analysis techniques to optimize polyphenol recovery from biomass of Cynara spp at a laboratory scale. In particular, ASE was found as the best extraction technique which allows to reduce extraction time and solvent consumption, increase nutraceutical yield and improvement of extract quality. Moreover, the kinetics of biomass and bio-compound production has been evaluated and the optimal physiological stage to collect plant material grown in open field has been identified. Biochemical characterization has been performed using the methods set up and collecting plant material in the optimal physiological stage identified in order to distinguish which genotypes were more suitable for bio-compound production purpose. The last focal point of PhD program was the development of an alternative technique for biomass and biocompound production in greenhouse grown conditions. Results obtained in the three PhD years, highlighted the possibility of using successfully some Cynara spp. genotypes for biomass and bio-compound production, in particular in open field condition. Also the real prospect of using some globe artichoke genotypes for food and non-food dual-production (biomass for biocompound extraction and heads for human food) has been underlined.

Chez les plantes supérieures, la distribution des sucres entre organes sources et puits requiert l'activité de transporteurs membranaires de sucre. Les flux de sucre variant au cours du développement de la plante et en réponse à des stress, il est logique de penser que les transporteurs de sucres sont impliqués dans ces changements. Le but du travail était de suivre la répartition des sucres et l'expression des transporteurs correspondants dans les racines de la plante modèle Arabidopsis thaliana, en réponse à un stress osmotique. Afin de pouvoir récolter des racines, un système de culture en hydroponie a été mis en place. Après avoir vérifié l'homogénéité des plantes cultivées dans ce système, une étude de l'expression des gènes de transporteurs de sucre a été effectuée au cours du développement des plantes et de d'une journée (24h), en utilisant la technique de macroarray. Cette étude a révélé l'expression dans les racines de 3 transporteurs de saccharose (AtSUC1, AtSUC2 et AtSUC5), 2 transporteurs de polyols (AtPLT5 et AtPLT6) et 2 transporteurs d'hexoses (AtSTP7 et AtSTP13). Le suivi de la teneur en sucres solubles et en amidon ainsi que du transport à longue distance de [U-14C]-saccharose a permis d'émettre des hypothèses quant au rôle des transporteurs de sucres exprimés dans la racine. Afin de mimer un stress hydrique en hydroponie, un protocole d'application progressif d'un agent osmotique (polyéthylène glycol 6000) dans le milieu de culture a été élaboré. Ce système a permis de mettre en évidence que 5 des gènes de transporteurs de sucre identifiés dans la racine ont une expression qui varie dans ces conditions. Trois d'entre eux sont fortement réprimés : AtSUC1 / In plants, sugar allocation between source and sink organs is based on the activity of membrane transporters for sugars. As sugar fluxes are changing during development and in response to stress, sugar transporters are supposed to be involved in those changes. The aim of this work was to study sugar allocation and the corresponding transporters gene expression in the roots of the model plant Arabidopsis thaliana during an osmotic stress. In order to have access to the roots, an hydroponic culture system was developped. The homogeneity of the plants obtained with this system was checked and the expression of sugar tranporter genes was followed during development and during a 24h period was studied by a macro-array technique. The expression in the roots of the following genes was found: 3 sucrose transporters (AtSUC1, AtSUC2 and AtSUC5), 2 polyol transporters (AtPLT5 and AtPLT6) and 2 hexose transporters (AtSTP7 and AtSTP13). The sugar and starch content and the long distance of 14C-sucrose were measured and used to build some hypothesis on the role of sugar transporters in the roots. To mimick a water stress, an osmotic stress due to the progressive addition of Polyethylene-glycol was applied. This system demonstrated that 5 of the identified transporter genes display a change in expression: 3 are repressed (AtSUC1, AtSUC5 and AtPLT6) and 2 are over expressed (AtSUC2 and AtSTP13). Moreover, soluble sugar and starch accumulate in the leaves and 14C-sucrose transport to the roots is decreased in plants subjected to an osmotic stress. The respective role of transporters is discussed. The gene expression data were also confirmed with plants grown in rhizoboxes.

Předložená diplomová práce byla zpracována s cílem vytvořit přehled poznatků v oblasti akvaponické potravinové produkce. Informace získané během tvorby tohoto přehledu pak měly vést, v kombinaci s daty získanými z funkčního provozu, k vytvoření matematického modelu akvaponického cyklu. Na akvaponické farmě provozované společností Flenexa plus s.r.o., která byla zdrojem potřebných procesních dat, měla být dále zpracována a vyhodnocena bilance energie a vody. Nakonec měla být v průběhu práce posouzena možnost implementace mikrořasového fotobioreaktoru do akvaponického cyklu. Úvod práce představuje motivaci vedoucí k potřebě inovovat dnešní potravinovou produkci. Kriticky jsou zhodnoceny predikce vývoje lidské populace, a to pak hlavně z pohledu dopadu, který by tento růst měl na zemědělskou produkci. Současná situace se na základě získaných poznatků ukazuje jako neudržitelná, primárně pak v oblastech vodohospodářství a energetické spotřeby. Následně je jako možné řešení vedoucí ke zlepšení udržitelnosti potravinové produkce zkoumána akvaponie. Akvaponie je definována a její jednotlivé komponenty jsou představeny z hlediska mechanismu jejich fungování a z pohledu jejich návrhu. Mezi popsané oblasti patří například principy tzv. coupled a decoupled akvaponie a popis možných typů hydroponického komponentu. V této části práce je pozornost věnována také představení cyklů jednotlivých živin v rámci akvaponie. Následující a poslední teoretická část práce je pak věnována mikrořasovému fotobioreaktoru. Jsou zde popsány mechanismy, jak motivující, tak odrazující od zakomponování bioreaktoru do akvaponie. V oblasti výhod se jedná hlavně o jeho roli ve stabilizaci pH a spotřebě toxikého amoniaku. Na druhou stranu jeho ekonomické dopady na profitabilitu akvaponie jsou velmi proměnlivé v závislosti na způsobu implementace. Samotný mikrořasový fotobioreaktor je pak v práci detailněji představen. Jednotlivé procesní ukazatele ovlivňující růst řas jsou rozebrány, a to společně s jednotlivými typy fotobioreaktoru, metodami sklizně a využitími pro vyprodukované mikrořasy. Na základě poznatků schromážděných v této práci pak lze jako nejvhodnější k implementaci do akvaponie doporučit hybridní fotobioreaktory, u kterých je většina osvětlení zajištěna v podobě slunečního svitu. Samotná experimentální část práce pak začíná popisem zkoumaného provozu společnosti Flenexa plus s.r.o. z pohledu aplikovaného akvaponického procesu. Jednotka podrobená měření byla provozně stabilní a využívala implementace hydroponického komponentu typu Deep Water Culture (DWC). Spolu s detailním popisem celého provozu jsou poskytnuty a vyhodnoceny vypracované bilance vody a energií. Pozornost je pak přesunuta k matematickým modelům vypracovaným a ověřeným na základě dat a poznatků shromážděných z provozu společnosti Felenexa plus s.r.o. Logika a algoritmy, na kterých jsou oba modely postaveny, jsou v této části vysvětleny a diskutovány společně s hlavními funkcemi a schopnostmi obou modelů. První, primárně statistický model je představen jako nástroj pro použití při uvádění akvaponie do provozu. Druhý, fyzikální model pak v uživatelsky přívětivém formátu představuje základ pro model řízení akvaponické farmy s mikrořasovým fotobioreaktorem. V neposlední řadě jsou nastíněny také cesty možného budoucího vývoje pro oba vytvořené modely. Práce je následně završena shrnutím a diskusí nad poznatky a výstupy získanými během celého tvůrčího procesu.

The literary part of the thesis contains basic information on the tomato (Lycopersicon esculentum Mill.) hydroponic culture and the nutrient solution parameters for hydroponic culture of the tomato. A big part of the thesis is dedicated to the photosynthesis process, its phases and factors affecting the process. It also describes various methods of photosynthesis related parameters. The chapter titled methodics records the observed varieties and the conditions they were cultivated in. The devices used to measure as well as the experiment methodology are described in the thesis. The practical part of the thesis is dedicated to observing physiological characteristics of the tomato such as: the photosynthesis intensity, transpiration levels and the stomatal conductivity of gaps. All characteristics were measured at spot conditions of the plants.

L'utilisation de machines lourdes et la fertilisation des sols ont été la solution pour améliorer le rendement agricole et augmenter les aires des sols cultivés. Les pays émergeants Est-Méditerranéens souffrent d'un manque crucial des législations et des règlementations qui organisent l'usage des fertilisants chimiques. Cela est principalement dû à l'insuffisance des données sur les caractéristiques des sols et les pratiques agricoles. La fertilisation excessive est devenue une source potentielle de contamination des sols par les éléments traces métalliques (ETM) susceptible de migrer vers les différentes chaines alimentaires. Dans ce cadre, l'Institut de Recherches Agronomiques Libanais (IRAL) avait comme préoccupation principale d'évaluer les risques associés aux apports en ETM issus des engrais phosphatés en usage dans des sols de nature alcaline sous un climat aride à semi-aride. Ainsi, l'investigation sur les engrais phosphatés commercialisés au Liban et les pays voisins ont montré que le cadmium est porté principalement dans une phase sulfate quand cette dernière est présente dans les engrais. L'apport moyen annuel du Cd, Cu, Pb et Zn aux sols est trouvé inferieur aux limites recommandées dans certains pays comme le Brésil et la Grande-Bretagne. Cependant, dans le contexte régional où l'étude est réalisée, cet apport est relativement élevé quand la nature alcaline du sol est prise en considération. Ainsi, une norme établie pour un sol acide n'est pas nécessairement adaptable dans un sol alcalin, sachant que ce dernier est un milieu favorable pour stabiliser les ETM et limiter leurs disponibilités. Les Lactuca sativa (laitues), étant une espèce amplement consommée dans les pays du bassin méditerranéen, ont été choisis comme une espèce cible dans l'objectif de suivre la distribution du cadmium dans les différents tissus de l'espèce et le coefficient de partage entre les compartiments eau, sol et plante. Les effets de la densité des sols, en présence du cadmium et des engrais phosphatés ont été étudiés dans des colonnes de sols cultivés par les laitues. Les caractères morphologiques et physiologiques de la plante, la mobilité du cadmium dans le sol et son transfert vers les laitues, la population microbienne (le nombre de bactéries totaux, champignons totaux, bactéries résistantes au cadmium BRC et micro-organismes solubilisant le phosphore MSP) et l'activité enzymatique des phosphatases alcalines (ALP) et acides et les déshydrogénases (DHA) ont été suivis. La présence du Cd et du phosphore dans le sol a diminué la mobilité du cadmium et la compaction a augmenté l'accumulation du Cd dans la partie aérienne des laitues et l'infiltration des nitrates. La combinaison entre la compaction du sol, la présence de cadmium et du phosphore en même temps a montré une diminution du nombre de bactéries, des champignons totaux et de l'activité d'ALP mais une augmentation du nombre de MSP, de BRC et de l'activité de la phosphatase acide est notablement identifiable. En absence de toute matrice d'interaction avec les ETM et les fertilisants phosphatés autre que les laitues, les effets du cadmium et de l'engrais phosphatés ont été évalués sur les caractères morphologiques et physiologiques des laitues en culture hydroponique et sur l'absorption du cadmium par ces laitues. En présence d'engrais phosphaté, la culture des laitues en hydroponie avait une influence positive sur le développement de ce végétal plus qu'en culture dans le sol. Malgré la croissance rapide des laitues en hydroponie, ce système est désormais une source de cadmium disponible aux laitues puisque ce métal est transféré des racines vers la partie aérienne de Lactuca sativa en induisant des changements morphologiques. / Soil compaction and contamination with heavy metals were the response of the use of heavy machinery and phosphate fertilization to improve and expand agricultural productivity. The Eastern Mediterranean emerging countries suffer from lack in legislations and regulations organizing the chemical fertilizers use. This is due to the insufficient data on soil characteristics and agricultural practices. Thus, excessive fertilization can be considered as potential sources of soil contamination by trace metals susceptible to be transferred to the different food chains. One of the main occupations of the Lebanese Agriculture Research Institute (LARI) was to evaluate the associated risks to the trace metals inputs coming from phosphate fertilizers. The investigation of phosphate fertilizers used in Lebanon and neighboring countries showed that cadmium is well bonded to sulfate-phase when sulfate is present in the fertilizers. The annual average of the deposition of Cd, Cu, Pb and Zn in soil was found lower than the recommended limits in some countries like Brazil and Britain but such contribution is relatively high when considering the alkaline nature of the soil. Thus, norms and legislations for acidic soil cannot be necessarily adaptable and used for alkaline soil knowing that such soil is the best environment to stabilize the metals and limit their bioavailability. Lactuca sativa (lettuce), widely consumed specie in Mediterranean countries, has been chosen as target specie to be studied in order to follow cadmium in different parts of the plants and its partition between water, soil and plants. The effects of the compaction, cadmium and phosphate fertilizers were evaluated on morphological and physiological characteristics of Lactuca sativa cultivated in columns. Cadmium mobility in soil and its transfer to lettuce, the microbial population (the number of total bacteria, total fungi, cadmium resistant bacteria CRB and phosphate solubilizing microorganisms PSM) and the enzymatic activities of alkaline phosphatase (ALP), acid phosphatase and dehydrogenase activity (DHA) were also studied. Cadmium mobility was decreased in the soil amended with cadmium and phosphorus and compaction increased the Cd accumulation in the lettuce's aerial part and the nitrate infiltration. A decrease of the number of total bacteria, fungi, ALP and an increase in the number of PSM, CRB and acid phosphatase activity were observed in the treatment where the soil was compacted and amended with cadmium and phosphate fertilizers. In absence of any interactive matrix with the metals and the phosphate fertilizers other than the lettuces, the effects of cadmium and phosphate fertilizer were evaluated on morphological and physiological characteristics of lettuces grown in hydroponic culture. Cadmium absorption and transfer to aerial part was also studied. The lettuces development's was important in the hydroponic culture more than in soil cultivation in presence of phosphate fertilizer. Despite the rapid growth of lettuces in hydroponic culture, this system is a potential source of bioavailable cadmium that is absorbed by lettuces and transferred to roots and aerial parts conducting to morphological changes.

Some microorganisms are known to form mutualistic symbiosis with plant roots and by their impact they can improve some plant parameters. These symbiotic microorganisms, which are able to improve some plant parameters, include especially mycorrhizal fungi, plant growth promoting bacteria and some saprotrophic mycoparasitical fungi. Mechanisms of changes of these parameters, as influenced by symbiotic microorganisms, are known only in part and nowadays are being actively researched. Aims of this work were to find out if selected microbial treatments influence selected growth, physiological and yield parameters of plants and contents of selected substances in fruits. Within this work were made three pot greenhouse experiments (experiments 1, 2 and 3) and three pilot greenhouse experiments (experiments 4, 5 and 6), performed on tomato (Solanum lycopersicum) and cucumber (Cucumis sativus) plants. Plants were grown in hydroponics using a carrier of rockwool and they were watered by nutrient solution. As microbial treatments for plants in experiments have been used a mixture of arbuscular mycorrhizal fungi (AM), mixture of plant growth promoting bacteria (PGPB), saprotrophic mycoparasitical fungus Trichoderma harzianum (Th) and various mutual combinations of these treatments. There have been observed...