Le froid altère les processus physiologiques tels que la photosynthèse et d'autres voies métaboliques telles que le métabolisme pariétal conduisant alors à une réduction de la biomasse. Des lignées pures de maïs présentant des caractères contrastés dans la structure de la paroi ou dans le processus photosynthétique ont été étudiées. Ces lignées ont été exposées à un froid modéré de manière prolongée et les variations d'efficacité photosynthétique et les modifications pariétales ont été caractérisées via des approches physiologiques, biochimiques et de transcriptomique. Le mutant naturel F2bm3 dont la teneur en lignines est réduite, augmente sa teneur en acides hydroxycinnamiques (HCA) associés aux parois, ainsi que celle en chlorophylle a et en violaxanthine en réponse au froid, indiquant une tolérance au froid accrue. Deux autres lignées sœurs ont été caractérisées. Les plantes CS présentent une croissance réduite en réponse au froid. Les plantes CT ont une meilleure activité photosynthétique et une meilleure redistribution des photoassimilats. Aucune corrélation entre la teneur en sucres pariétaux et en nucléotides sucres, issus des photoassimilats, n'apparait pour les CS et CT. En revanche l'accumulation de nucléotides oses tels que l’UDP-Glc, le GDP-Man et l’ADP-Glc observée chez CS, pourrait être un signal de la mort cellulaire programmée / Chilling may affect maize during early seedling growth by altering physiological process including photosynthesis and cell wall properties, leading to a biomass reduction. In our study, we investigated the photosynthetic variations and cell wall modifications in maize in response to a long chilling exposure. For this purpose, maize lines contrasted for these traits were selected and characterized using physiological, biochemical and transcriptomic approaches. A lignin deficient maize natural mutant F2bm3 developed a strategy to enhance its tolerance to chilling by increasing chlorophylle a, violaxanthine, cell wall bound hydroxycinnamic acids (HCA). HCA could reinforce the cell wall structure but also function as photoprotector. Two other lines CT and CS were investigated. Under chilling exposure, CS displayed a strong reduction in growth compared to CT. Chilling tolerance in CT was associated with higher chlorophyll content and a greater carbon partitioning. Like the first pair, we observed non-significant changes in cell wall composition in both lines and there was no correlation between the cell wall sugars and the nucleotides sugars contents. A strong accumulation of ADP-Glc, GDP-Man and a high content of UDP-Glc observed in CS, could be putative signaling molecules of programmed cell death

Les lignines ne sont pas suffisamment considérées dans les procédés de bioraffinerie. Pourtant, elles sont une source abondante de synthons aromatiques, et éléments essentiels de la rentabilité de transformation des lignocelluloses. A ce jour, les perspectives de production de synthons à partir des lignines se heurtent aux réactions de condensations des lignines, limitant leurs conversions en produits de faibles masses. Cette étude nous a permis de cerner les conditions propices à l’hydrolyse et/ou aux condensations grâce à l’étude de différentes lignines modèles soumises aux conditions d’acidolyse. D’une part, les conditions propices à l’hydrolyse des liaisons -O-4 sont l’utilisation d’une catalyse homogène (HCl), pour des températures comprises entre 120 et 140°C et une acidité de l’ordre de 0.05 M. A l’inverse, l’emploi d’une catalyse hétérogène (Montmorillonite K10) est peu efficace car elle doit s’affranchir des phénomènes d’adsorption du substrat tout en lui permettant d’accéder à ses sites actifs. D’autre part, les réactions de condensation secondaires sont exacerbées par l’emploi de l’argile de Montmorillonite, mais aussi par l’augmentation de l’acidité et de la température, elles mêmes nécessaires pour une bonne hydrolyse. La substitution de l’alcool coniférylique par le coniféraldéhyde permet de minimiser ces condensations secondaires du fait de sa forte stabilité dans les conditions d’acidolyse. Toutefois, l’incorporation de ce type de précurseur dans les lignines provoque une diminution de la fréquence des liaisons -O-4. Cette réduction du potentiel d’hydrolyse des lignines est compensée par l’exacerbation des réactions de rétroaldolisation. Pour les condensations primaires, l’acidolyse des lignines pures -O-4 nous permet d’affirmer que celles-ci, constantes face à l’augmentation de la concentration en acide et en nucléophiles aromatiques, seraient plutôt de type intramoléculaire. / Lignins are not sufficiently considered in the biorefinery processes. However, they are a rich source of aromatic building blocks, and essential elements of lignocellulose processing viability. Although the production prospects of building blocks from lignins exist, their strong affinities for condensation reactions limit the conversion into low molecular weight products. This study allowed us to identify hydrolysis or condensation suitable conditions by studying different models lignins subjected to acidolysis conditions. On the one hand, suitable conditions for the -O-4 bonds hydrolysis are the use of homogeneous catalysis (HCl), for temperatures and HCl concentration ranged from 120 to 140 ° C and from 0.05 M to 0.1M. In contrast, the use of heterogeneous catalysis (Montmorillonite K10) is inefficient because it has to overcome the substrate adsorption and allow an access to its active sites. On the other hand, secondary condensation reactions are exacerbated by the use of Montmorillonite clay, but also by acidity and temperature increases, themselves necessary for an efficient hydrolysis.The substitution of coniferyl alcohol by coniferaldehyde minimizes these condensation reactions due to its high stability in acid conditions. However, the incorporation of this precursor in lignin leads to a decrease of -O-4 bond frequency. This reduction of lignin hydrolysis potential is compensated for the exacerbation of retroaldolisation reactions. About primary condensations, pure -O-4 lignins acidolysis allows us to claim that this kind of reactions, unchanged at the hand of acid or aromatic nuclei concentration increase, are intramolecular.

L’utilisation de la biomasse végétale, que ce soit à des fins énergétiques, papetières ou valorisation dans le domaine des biomatériaux via des filières de biorafineries, nécessite la séparation des différents copolymères qui la composent par des méthodes physique et/ou chimique. Par exemple, les méthodes classiques utilisées pour extraire la cellulose mettent en jeu des réactions acido-basiques et provoquent des modifications de la structure des lignines à cause des réactions de recondensation, de déalkylation et de déshydratation. L’exploitation des lignines dans le domaine des matériaux est limitée par plusieurs facteurs notamment leur faible solubilité dans les solvants usuels, leur poids moléculaire élevé et leur faible nombre de phénols libres à l’origine de leur réactivité chimique. Ce projet s’inscrit dans un contexte de valorisation des lignines industrielles en tenant compte la structure chimique spécifique de chaque type de lignine Son objectif consiste à développer de nouvelles stratégies permettant la rupture des liaisons les plus labiles sur la chaine propyle des sous unités phénylpropanoïdes puis leur fonctionnalisation en optimisant la formation d’éthers d’énols ou en permettant leur rupture directe en évitant au maximum les réactions de recondensation en utilisant les liquides ioniques comme milieu réactionnel. Un focus particulier sera fait sur la fonctionnalisation possible des éthers d’énols conduisant à une dépolymérisation sélective des lignines papetières qui en contiennent un taux non négligeable. Selon les lignines industrielles, ces méthodes devraient permettre d’obtenir des oligomères de plus faible masse, d’augmenter également la fraction phénolique et d’améliorer la solubilité des lignines transformées ainsi que leurs propriétés antioxydantes. / The ability to use plant biomass in energy, paper industry or valorization in the field of biomaterials via biorefineries, requires the separation of the various copolymers by physical or chemical methods. For exemple, the classic methods used to extract the cellulose involve acido-basic reactions and cause modifications of the structure of lignins because of recondensation, dealkylation and dehydration reactions. The exploitation of lignins in the field of materials is limited by several factors as their low solubility in usual solvents, their high molecular weight and low number of free phenol fonctions. This project joins in a context of valuation of the industrial lignins by taking into account the specific chemical structure of every type of lignin. Its obvective consists in developing new strategies to cleave weak bonds on the propyl chain of phenylpropan units, then their fonctionnalization by optimizing the formation of enol ethers or their direct cleavage by avoiding the reactions of recondensation by using ionic liquids as reaction medium. A particular focus will be made on the possible fonctionnalization of enol ethers for a selective depolymerization of industrial lignins who contain a not insignificant rate. According to the structur of lignins, these methods should allow to obtain oligomers with low molecular weight, to increase also the phenolic fraction and improve the solubility of the transformed lignins as well as their antioxidant properties.

La lignine représente 25% de la biomasse des végétaux terrestre. Sa quantité et sa qualité sont variables au sein des populations naturelles et sont devenues des cibles de l’amélioration génétique des eucalyptus. L’identification des polymorphismes génétiques impliqués dans la variation de ces caractères permettrait de disposer d’outils de diagnostic moléculaire pour une sélection précoce des meilleurs géniteurs et ainsi contribuer à l’augmentation des gains génétiques par unité de temps. Dans ce travail de thèse nous avons décrit la variabilité nucléotidique de gènes impliqués dans la biosynthèse des lignines, ainsi que la part de la variation génétique de ces deux caractères chez trois espèces d’Eucalyptus. En intégrant ces deux niveaux de variabilité au sein de plans de croisement factoriels, nous avons identifié des polymorphismes associés à la variation des caractères. Ces travaux posent les bases de la sélection assistée par marqueurs chez l’eucalyptus. / Lignins represent 25% of plant biomass on earth. Lignins quantity and quality vary within natural populations and have become major targets for genetic improvement of eucalyptus. Identifying genetic polymorphisms involved in the variation of these traits could provide molecular tools for early selection of plus trees and contribute to increase genetic gains expected by time units. In this thesis work, we described the nucleotide diversity of genes involved in lignin biosynthesis and the genetic part of the variation of lignins quantity and quality in three eucalyptus species. Integrating these two levels of variation in a factorial matting design, we identified Single Nucleotide Polymorphisms statistically associated to the variation of lignin quality. This work paves the way to marker assisted selection in eucalyptus.

Dans un contexte de chimie verte, cette thèse a pour objet les propriétés de surface de matériaux lignifiés et se focalise sur l'impact d'un greffage par voie physique, avec comme objectifs : 1) conférer des propriétés hydrophobes à des films d'amidon thermoplastique, 2) contrôler les réactions de greffage/scission au sein du système amidon-lignine lors de l'irradiation et 3) évaluer la contribution de la topographie et de la structure chimique sur le mouillage. Un échantillon de lignine alcaline industrielle de graminées a été incorporé à hauteur de 20 % à deux types de matrice amidons plastifié par du glycérol (blé ou pomme de terre) pour former des bandes par extrusion. Des propriétés distinctes sont observées en fonction de l'origine de l'amidon, l'amidon de blé étant plus sensible à la formulation et aux conditions de mise en forme. Un traitement par irradiation sous faisceau d'électron à 300 et 350 kGy a été appliqué avant ou après compression des bandes. La compression et l'irradiation conduisent chacune à une diminution de la mouillabilité de surface des bandes, avec obtention de surfaces hydrophobes. L'effet hydrophobant est renforcé dans le cas de l'irradiation et augmente avec la dose d'irradiation. Des observations en MEB et AFM ont montré qu'il n'était pas corrélé à des variations de rugosité. La réactivité des composés phénoliques a été étudiée en fonction du traitement. Les acides p-coumarique et férulique extractibles subissent une conversion pouvant atteindre 60% suite au phénomène de greffage sous irradiation alors que l'extrusion a peu d'effet. La présence de ces composés favorise la condensation des lignines aux dépends de leur dépolymérisation.

La surexploitation des ressources de la planète est aujourd’hui une problématique de premier ordre, et fait du remplacement des sources non renouvelables, d'énergie et de matières premières, l’un des défis majeurs du XXIe siècle. Dans cet objectif, les lignines, par leur disponibilité et leur biocompatibilité, apparaissent comme l’une des alternatives aux ressources fossiles. C’est dans ce contexte que le Laboratoire PEIRENE a décidé de mener ce travail de thèse portant sur le développement de nouveaux matériaux photosensibles à base de lignines modifiées. Dans ce but, trois lignines d’origines différentes ont été acétylées. Leur étude par spectroscopie RPE a révélé que le blocage de leurs fonctions antioxydantes augmente considérablement la quantité d’espèces réactives de l’oxygène qu’elles sont capables de générer sous irradiation lumineuse, permettant ainsi d’envisager l’utilisation de ce biopolymère modifié dans de nombreux domaines tels que le traitement photodynamique antimicrobien. Afin de les rendre hydrodispersibles et d’élargir ainsi leur champ d’applications, ces matériaux aux propriétés prometteuses ont été mis sous forme de nanoparticules puis, leur comportement photosensible a été lui aussi évalué par spectroscopie RPE. Il a ainsi été démontré qu’une fois dispersées dans l’eau sous la forme de nanoparticules, les lignines acétylées étaient toujours capables de produire de l’oxygène singulet sous irradiation lumineuse. Cette activité, qui n’a pas encore été reportée dans la littérature à notre connaissance, reste cependant assez restreinte et nécessite donc d’être améliorée. Afin d’élargir le domaine du spectre solaire permettant leur activation, un photosensibilisateur a par ailleurs été associé à ces nano-objets par encapsulation et par greffage covalent. L’ensemble des résultats découlant de ces travaux permettent d’envisager le développement de systèmes à base de nanoparticules de lignines acétylées dans de nombreux domaines, notamment pharmaceutique et phytosanitaire. / The overexploitation of the planet's resources is nowadays a major problem and makes the replacement of non-renewable sources of energy and raw materials, one of the major challenges of the XXIe century. For this purpose, lignins, by their availability and their biocompatibility, appear as one of the alternatives to fossil resourcesIn this context, the PEIRENE Laboratory decided to carry out this PhD work on the development of new photosensitive materials based on modified lignins. For this purpose, three lignins from different origin were acetylated. Their study by EPR spectroscopy revealed that blocking their antioxidant functions considerably increases the quantity of reactive oxygen species they are able to generate under light irradiation. Thus it is possible to envisage the use of this modified biopolymer in many areas such as antimicrobial photodynamic therapy. In order to make them water-dispersible and thus to widen their field of applications, these materials with promising properties were put in the form of nanoparticles. Their photosensitive behavior has been also valuated by EPR spectroscopy. It has been demonstrated that once dispersed in water in the form of nanoparticles, the acetylated lignins were still capable of producing singlet oxygen under light irradiation. This activity, which has not yet been reported in the literature to our knowledge, however, remains quite limited and therefore needs to be improved. In order to widen the range of the solar spectrum allowing their activation, a photosensitizer has also been associated with these nano-objects by encapsulation and covalent grafting. The results of these studies make possible to envisage the development of systems based on acetylated lignins nanoparticles in in many field, in particular pharmaceutical and phytosanitary.

Les facteurs de transcription (FT) de la famille R2R3-MYB chez les plantes jouent un rôle important dans la formation de la paroi secondaire des cellules de bois, que ce soit en activant ou en réprimant leurs gènes cibles au sein d’un réseau régulationnel complexe. Dans ce travail, nous avons utilisé la transgénèse et l’immunoprécipitation de chromatine associée à un séquençage haut-débit (ChIP-SEQ) pour déterminer la fonction de 3 FT R2R3-MYB chez le peuplier. Les peupliers surexprimant MYB090 ont des rayons moins lignifiés ; les tiges présentent une réduction de croissance et de teneurs en lignines. MYB090 régule ses cibles à l’aide d’un motif très conservé, similaire au motif Gamyb. Ses cibles sont impliquées notamment dans la biosynthèse des lignines, cellulose et xylanes, constituants principaux des parois. Les plantes surexprimant MYB221-SRDX et MYB156 présentent une nette réduction de la lignification des parois de leurs fibres, associée à une réduction de croissance. MYB221 semble avoir pour cibles des gènes codant pour des enzymes du métabolisme, ainsi qu’un autre FT de type R2R3-MYB, dont la régulation passe par un motif conservé de type SMRE (Secondary wall MYB-Responsive Element). En conclusion, la combinaison des approches ChIP-SEQ et de transgénèse montre que MYB090 semble être un répresseur transcriptionnel de la lignification, notamment dans les rayons, et de la formation de la paroi secondaire. De même, MYB156 et MYB221 seraient également des répresseurs de la lignification, dans les fibres et les rayons. Cette thèse ouvre des perspectives sur l’établissement de réseaux de régulation transcriptionnelle de la formation de la paroi secondaire. / Plant R2R3-MYB transcription factors (TF) play an important role in secondary cell wall formation in wood cells, by activating or repressing their target genes within a complex regulatory network. Here, we used genetic engineering and chromatin immunoprecipitation technique, associated to next-generation sequencing (ChIP-SEQ) to determine the function of 3 R2R3-MYB TF in poplar. Plants overexpressing MYB090 had less lignified parenchyma rays. The stem growth and total lignin content were reduced. MYB090 regulates target genes through a highly conserved motif, similar to Gamyb. Its target genes are involved in lignin, cellulose and xylan biosynthesis, which are the major components of secondary cell wall. Poplars overexpressing MYB221-SRDX and MYB156 showed a decrease in fiber cell wall lignification, and a reduced growth. MYB221 have targets encoding for metabolic enzymes but also for another R2R3-MYB TF. MYB221 recognizes its target genes, most probably through SMRE (Secondary wall MYB-Responsive Element) conserved motif. In conclusion, the combination of ChIP-SEQ and genetic engineering approaches shows that MYB090 seems to be a transcriptional repressor of lignification, especially in parenchyma rays. MYB156 and MYB221 are also negative regulators of secondary cell wall lignification, in fibers and parenchyma rays. This work opens new avenues on the building of transcriptional regulatory networks involved in secondary cell wall formation.