Th. doct.-ing.--Toulouse, I.N.P., 1979. N°: 72.

Th. 3e cycle--Biol. vég.--Lille 1, 1980. N°: 831.

Dans le cadre de l'étude de la morphogénèse des plantes, bien que la génétique soit intensivement étudiée, le concept clé de rhéologie à différentes échelles : cellulaire, tissulaire ou de l'organisme entier, qui gouverne directement la croissance des organismes et devrait permettre la connaissance de l'évolution de la plante reste encore très pauvrement analysé.Ce travail porte ainsi sur la description des paramètres mécaniques des cellules de plantes, à travers la réalisation de modèles numériques physiques et réalistes de différents sous-domaines de l'organisme Arabidopsis thaliana. Dans ce projet, une approche systématique sera développée pour la réalisation de ces modèles où nos structures s'appuieront sur des données expérimentales (images des différents organes de la plante) décrivant précisément la structure interne d'A. thaliana, ce qui permettra l'obtention de structures et maillages réalistes.Ensuite l'étape de modélisation permettra d'une part de retrouver, à travers le champs de déformation de l'organe décrit, les caractéristiques mécaniques sous-jacentes au modèle, ce qui constitue une forme de problème inverse biologique complexe. Nous appliquerons cette méthodologie à différents sous-domaine de notre plante archétype, commençant par les jeunes tiges, puis les racines et enfin le meristème qui constitue la zone première de croissance de la plante.D'autre part, nous développerons un cadre théorique, sur lequel pourront s'appuyer les biologistes, décrivant un modèle d'organe d'A. thaliana réaliste, typiquement le meristème, et qui permettra de valider ou d'infirmer certaines hypothèses de manipulations encore sujettes à débat, notamment dans le cadre d'utilisation de microscope à force atomique afin d'extraire expérimentalement les propriétés mécaniques des tissus.Enfin, nous présenterons une nouvelle approche mécanique hiérarchique couplant des modèles de simulation à différentes échelles : Multifarious Hierarchy of Mechanical Models. Cette nouvelle approche est à la fois éclectique, car elle permet de coupler des modèles physiques variés (sans maillages, physique modale, éléments finis...), mais aussi flexible, car elle autorise la modularité des différents domaines des modèles sous-jacents, et enfin efficace par l'obtention de gains de performance et de temps face à des simulations éléments finis s'appuyant sur le même niveau de détail. Cette approche devrait permettre le développement d'algorithmes rapides pour les simulations physiques où un niveau de détail local est requis. Par exemple, elle pourrait s'appliquer aux simulations de microscope à force atomique décrites dans la partie précédente. / Morphogenesis in plants is an active field of research. While genetics influence on plant shape has been extensively studied, rheology through scales: from cells to the whole organism through various tissues or organs, is still poorly analysed. Nevertheless, it should lead to the understanding of plants evolving, since it directly drives the organism growth.This work aims at understanding the mechanical caracteristics of plant cells, through several realistic and physically based models of various sub-domains of our plant archetype: Arabidopsis thaliana. In this project, a systematic approach has been developped, where the structures underlying such models rely on experimental data (images of different plant organs), describing precisely the inner structure of A. thaliana, which allows the use of realistic meshesfor our simulations.Then physical modelling allows us to retrieve, through the deformation field of different plant sub-domains, the mechanical properties underlying each type of structure described, which is a typical inverse problem form of a complex biological system. We apply this optimization methodology to several plant organs, beginning with embryonic stem, then with roots and finally with meristems, which constitute the zone where cells can divide and growthtypically takes place.Then, we develop a theoretical framework, on which biologists may rely, describing a realistic model of plant sub-system, typically a meristem. We hope that this conceptual framework will help experimentalists to validate some hypothesis regarding plant manipulations that are still subject to debate, as the use of Atomic Force Microscopy to experimentaly extract mechanical parameters from various plant tissues.Finally, we present a new approach coupling a coarse physically based simulation to a more detailed one : the Multifarious Hierarchiy of Mechanical Models. MHMMs are eclectics as they combine arbitrarily any type of physically based simulation (meshless, modal physics, Finite Elements, ...). Moreover, they are flexible as they allow the modularity of the various domainscontaining the underlying models. Finally MHMMs are much faster than full Finite Element simulation, at the same level of detail. This should allow the development of fast algorithm for local detailed simulation, as was the case for the numerical Atomic Force Microscope in previous part.

Le travail effectué au cours de cette thèse a permis une avancée importante dans la connaissance de l’élicitation des cellules de vigne. Nous avons étudié les effets de deux éliciteurs, le méthyljasmonate et la méthyl-β-cyclodextrine, employés seuls et en élicitation croisée sur des suspensions de cellules de vigne (porte-greffe 41B et Vitis labrusca), pour la production de stilbènes (resvératrol et viniférines). Ceci a permis d’atteindre des concentrations de resvératrol très élevées pour un métabolite secondaire et les relations entre la concentration d’éliciteur, la biomasse à l’inoculum et la durée de l’élicitation ont été étudiées. D’autre part, le travail a également porté sur le changement d’échelle quant à la culture cellulaire et son élicitation et sur le suivi de plusieurs phénomènes et paramètres (croissance cellulaire, consommation des sucres, production du resvératrol, suivi du taux d’oxygène dissous et du pH). Des essais en bioréacteur clos de 5L ont ainsi abouti à une production significative de resvératrol à cette échelle et ont permis l’élaboration de modèles cinétiques rendant compte de la croissance de la biomasse et de la production du resvératrol. Un autre aspect de l’étude s’est intéressé à la localisation intracellulaire de la synthèse du resvératrol. Les résultats obtenus par microscopie confocale ont confirmé que le resvératrol s’accumulait majoritairement dans la paroi de la cellule et dans des vésicules cytoplasmiques (organites sphériques présents à proximité de la paroi), avant d’être excrété dans le milieu de culture. Enfin, une démarche a été initiée en vue de la production d’autres métabolites à partir du resvératrol notamment l’ε-viniférine. / The work presented here addressed two main subjects, namely that of grapevine cells elicitation for the production of stilbenes (resveratrol and viniferins) and the scale up of such culture in bioreactors. Shake-flask cultures of grapevine (rootstock 41B and Vitis labrusca) were elicited with methyl jasmonate or methyl-β-cyclodextrin, alone or in combination. This resulted in a significant accumulation of resveratrol in the medium. The relationship between the production of resveratrol and factors such as the elicitor concentration, inoculation rate and the duration of elicitation phase were studied. The second part of this work was concerned with scale up of the culture from shake-flask to 5 L bioreactor. Several parameters were monitored such as cell growth, sugars consumption, resveratrol production, dissolved oxygen concentration and pH. Kinetic models explaining growth and resveratrol production were developed using the results from three bioreactor batches. Preliminary work was performed to initiate the study of metabolites related to resveratrol such as ε-viniferin. The study also completed previous work that looked at the localisation of resveratrol synthesis within the cells using confocal microscopy. The results confirmed that resveratrol was accumulated mainly in the cell wall and in the cytoplasmic vesicles before being excreted/secreted into the culture medium.

Modifying root architecture is a strategy that aims to develop plants, which capture nutrients more efficiently and thus suitable for sustainable agriculture with fewer fertilizer inputs. The focus is on nitrate, since it is a major nutritional determinant of root morphology and because of its importance in determining yield. Low concentrations of nitrate in soil stimulate the development of lateral roots, thereby increasing the root surface available for the uptake. Conversely, uniformly concentrations of nitrate inhibit the elongation of lateral roots. The aim of the thesis was to study the natural variation of the root morphological responses to nitrate in Arabidopsis thaliana. First, the manuscript starts with the screening of a core collection of twenty-four accessions, which maximize the genetic diversity within the species, on agar medium at low and moderate nitrate levels. Our results showed that the variability for production and allocation of biomass and root architecture traits exists within the species. Second a detailed characterization is done with eleven accessions showing contrasting root morphological responses to nitrate supply. We demonstrated that at an early development stage, the nitrate uptake efficiency is not implicitly correlated with root system architecture. Third, the genetic determinism of the natural variation of the root system architecture is studied. A combination of genome-wide association mapping on a larger number of accessions (> 300), a linkage mapping with existing recombinant inbred lines and a bulk segregant analysis was carried in order to identify candidate genes involved in root morphological responses to nitrate. The perspectives of this work would be, through a model species to crop pipeline, to translate knowledge from Arabidopsis to Brassica crops that would have a root architecture redesigned to increase the acquisition of nutrients. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La grande majorité des plantes à fleurs se reproduisent grâce à leurs pollinisateurs. L’évolution chez les plantes est pourtant souvent étudiée sans prendre en compte ces interactions, et cette thèse vise à mieux comprendre leur impact sur l’évolution des plantes. Dans un premier chapitre, je présenterai les effets connus des pollinisateurs sur le taux d’autofécondation des plantes et sur son évolution. Dans un second chapitre, j’ai modélisé l’évolution du taux d’autofécondation des plantes lorsque celui-ci affecte la démographie des plantes et des pollinisateurs, et l’investissement des plantes dans la pollinisation. Cette étude montre que l’évolution vers l’autofécondation peut mener à l’extinction des plantes. Dans un troisième chapitre, je m’intéresserai à l’évolution des caractéristiques florales pour des espèces qui dépendent obligatoirement du transfert de pollen entre individus : les espèces dioïques. Cette étude montre que l’attractivité des plantes peut évoluer différemment chez les individus mâles et femelles, surtout dans les grandes populations qui subissent peu de limitation en pollen. Ce résultat suggère que le dimorphisme sexuel ne menacerait pas le maintien des populations dioïques. Enfin, même si elles prennent en compte les pollinisateurs de manière sommaire, les études précédentes ont montré leur importance pour la démographie et l’évolution chez les plantes. La dernière étude de cette thèse a donc pour but de mieux décrire et quantifier les mécanismes sous-jacents au comportement du pollinisateur, en particulier concernant l’impact des traits floraux. Elle permettra une meilleure intégration des interactions plantes-pollinisateurs dans les modèles. / The mode of pollination is often neglected regarding the evolution of plant traits, although the reproduction of most flowering plants is based on their interactions with pollinators. This thesis aims at a better understanding of the interplay between animal-pollination and the evolution of plant traits. First, I will present a detailed review on the interplay between plant mating system and pollinator behavior, which highlights the impact of pollinators on the immediate ecological selfing rate and on its evolution. Second, I modeled the evolution of plant selfing rate when it affects both the demography of plants and pollinators and the investment of plants in pollination. This study provides new theoretical evidence that evolution towards selfing can lead to an evolutionary suicide in some conditions. Third, I will present a modeling analysis of the impact of animal-pollination for species that compulsorily rely on outcross pollination: entomophilous dioecious species. This study revealed that under pollinator-mediated selection, attractiveness of males and females should evolve in large populations that do not suffer from pollen limitation. This result suggests that dimorphism may not be a threat for dioecious populations. Finally, although the previous models integrated pollinators in a basic way, they highlighted strong interplays between pollinators, plant demography, and the evolution of plant traits. The last study of this thesis, aims at defining and quantifying the mechanisms underlying pollinator foraging behavior, and especially the impact of plants floral traits on pollen transfer. This would allow for a better modeling of plant-pollinators interactions.

Ce travail a porté sur la documentation des utilisations traditionnelles de six plantes médicinales maliennes, leur étude phytochimique ainsi que leur activité antioxydante. Une enquête ethnobotanique a été réalisée à l’aide d’un questionnaire semi-structuré pour la détermination des différentes utilisations médicinales de ces plantes et a montré que quatre de ces plantes seraient utilisées dans le traitement du paludisme et les deux autres, dans le traitement des affections douloureuses et inflammatoires ; ces dernières seraient d’ailleurs menacées de disparition. L’étude phytochimique a concerné d’une part l’isolement de deux alcaloïdes de V. heterophylla dont l’élucidation structurale à partir des techniques spectrales nous a permis de leur attribuer les formules de kokusaginine (a1) et de montrifoline (a2) et d’une part la détermination de leurs teneurs en polyphénols totaux à travers une méthode spectrophotométrique ainsi qu’une caractérisation en polyphénols à l’aide d’une analyse HPLC. Les résultats de cette quantification et ceux de l’activité antioxydante déterminée par le test d’ABTS et de DPPH ont montré clairement le potentiel biologique de ces plantes et pourraient justifier leur usage dans la médecine traditionnelle malienne / This work concerned the documentation of the traditional uses of six Malian medicinal plants, their phytochimic study and their antioxidant activity. Ethnobotanical survey was carried out using a semi-structured questionnairefor the determination of the various medicinal uses of these plants and showed that four of these plants would be used in the treatment of malaria and the two others, in the treatment of the painful and inflammatory affections; these last would be threatened of disappearance. The phytochimic study related to on the one hand the isolation of two alkaloids from V heterophylla their structures were elucidated using 1H- and 13C-NMR techniques and others spectral techniques as kokusaginine (a1) and montrifoline (a2) and on the one hand the determination of their contents total polyphenols through a spectrophotometric method as well as a polyphenol characterization using HPLC analysis. The results of this quantification and those of the antioxydant activity determined by ABTS and DPPH tests clearly showed the biological potential of these plants and could support their use in Malian traditional medicine

La découverte de nouveaux médicaments par le criblage biomoléculaire est au centre de la recherche pharmaceutique actuelle. La spectrométrie de masse, en tant que technique d’analyse fiable, reproductible, sensible, spécifique, compatible avec de nombreux types d’échantillons et permettant un débit d’analyse conséquent, trouve ainsi sa place dans les stratégies de recherche et développement de nouveaux médicaments. Le but de ce travail était de mettre en place et de valider une stratégie originale, impliquant la désorption/ionisation laser assistée par matrice couplée à la spectrométrie de masse (MALDI-MS) comme technique de détection, en vue du criblage de la liaison de composés à des cibles moléculaires applicable directement à des extraits de plantes. Le protocole que nous avons développé s’articule en trois étapes successives qui sont l’incubation des molécules à tester avec la cible moléculaire choisie (la tubuline ou la DHFR), l’élimination des composés non liés et enfin l’analyse par MALDI-TOFMS des composés liés. Notre démarche a fait l’objet d’une démarche de validation et les résultats pouvant être obtenus ont été discutés. Le débit pouvant être évalué à 60 échantillons en 1h50 à 3h30 soit de 18 à 32 échantillons à l’heure. Enfin, une démarche innovante nous a permis de prouver que notre approche pouvait être utile également en criblage secondaire. L’application de notre approche à des extraits bruts de plantes (Colchique d’Automne, Pervenche de Madagascar et Thé vert) à permis de mettre en évidence 20 molécules actives se liant à l’une ou l’autre des cibles moléculaires utilisées et d’évaluer l’affinité relative de l’une d’entre elles / Discovering new drugs by biomolecular screening is a central task of pharmaceutical research. Mass spectrometry, as a reliable, reproducible, sensitive and specific technique, compatible with a wide range of samples and offering an excellent throughput, shows its potential in different strategies of research and development. The aim of this work was to develop and validate a new strategy, involving matrix assisted laser desorption/ionization coupled to time of flight mass spectrometry (MALDI-TOFMS) to screen the ability of different compounds, including plant extracts, to bind to two biological targets (tubulin and DHFR). The protocol is therefore divided into three main steps : an incubation of the compounds to be tested with target, an elimination of all unbound compounds and the MALDI-TOFMS detection of target-bound compounds. Our protocol was validated and the results that can be obtained were discussed. The throughput offered by this technique was evaluated as 60 samples in 1h50 to 3h30, or 18 to 32 samples per hour. Finally, we developed a new approach to perform a secondary screening of active compounds. The protocol was applied to screen crude plants extracts (colchicum autumnale, catharanthus roseus and green tea) and allowed to find 20 tubulin-binding or DHFR-binding molecules, and the relative affinity of one of these was also evaluated

Parmi les matériaux qui ont été exploités dans l'Antiquité, les substances organiques sont probablement les plus difficiles à étudier en raison de leur altération partielle ou totale en raison de leur nature organique. Issus de biomatériaux organiques tels que les résines, la cire d'abeille, les graisses animales ou les huiles végétales, ils sont conservés en faible quantité comme résidus organiques amorphes et sont souvent difficiles à détecter sur le terrain archéologique. Ils témoignent de l'utilisation de produits d'origine animale, végétale et fossile qui ont une grande importance pour divers aspects de la vie humaine, notamment l'alimentation, la médecine, les rituels funéraires, ainsi que les activités économiques et techniques. Comme ils n'ont pas d'attributs morphologiques reconnaissables, la seule façon de déterminer leur nature et leur origine repose sur l'élaboration de stratégies analytiques qui permettent d'élucider leur composition chimique. Ces substances ont des caractéristiques communes dans le domaine de l'archéologie et de la chimie : elles sont constituées de mélanges moléculaires complexes qui sont souvent conservés en faible quantité. Dans certains cas, ces matériaux ont été mélangés avec divers adjuvants tels que la cire d'abeille, les huiles végétales, les graisses animales, l'argile et l'ocre, entre autres, qui devront également être pris en considération pour la caractérisation des objets qui appartiennent au patrimoine culturel. Nous concentrons nos recherches sur les exsudats et les goudrons de plantes frais et fossiles qui ont été largement utilisés depuis la préhistoire en Europe. Concernant l'étude des substances organiques fraîches, des recherches ethnoarchéologiques ont été menées en collaboration avec le projet ONGUENT (Goudrons végétaux à usage médicinal en Méditerranée : passés et présents. Burri, Sylvain/Traces, Toulouse) afin d'identifier et de caractériser la composition chimique et d'établir les biomarqueurs des goudrons de conifères ethnoarchéologiques de Cupressaceae et Taxaceae (Juniperus oxycedrus, Juniperus thurifera, Taxus baccata, Tetraclinis articulata) provenant de techniques anciennes du Haut Atlas au Maroc. En comprenant les méthodes de fabrication des échantillons ethnoarchéologiques et en évaluant les différentes techniques employées dans leur production, il est possible d'obtenir des données de référence sur les matériaux contemporains. D'autre part, des échantillons archéologiques ont été analysés sur différents sites entre l'Europe et l'Asie au moyen des méthodes FTIR, SEM, DI-MS, et GC-MS. La caractérisation biomoléculaire de produits naturels tels que le goudron d'écorce de bouleau et la résine de pin a été soulevée. Par ailleurs, des mélanges de résine de pin avec du goudron d'écorce de bouleau et de résine de pin avec une espèce appartenant à la famille des Burseraceae ont été identifiés. / Among the materials that have been exploited in ancient periods, organic substances are probably the most challenging to study due to their partial or total alteration in consequence of their organic nature. Issued from organic biomaterials such as resins, beeswax, animal fats or plant oils, they are preserved in low amount as amorphous organic residues and are often difficult to detect at the archaeological field. They give evidence for the use of animal, plant and fossil products that were of great importance for various aspects of human life, including diet, medicine, funerary rituals, as well as economic and technical activities. Because they lack recognizable morphological attributes, the only way to determine their nature and origin relies on the development of analytical strategies that allow elucidation of their chemical composition. These substances share common features in the field of archaeology and chemistry: they are made of complex molecular mixtures which are often preserved at low amount. In some cases, these materials were mixed with various adjuvants such as beeswax, plant oils, animal fats, clay, and ochre, among others, that will also need to be considered for the characterization of the objects that belong to the Cultural Heritage. We focus our research on fresh and fossil plant exudates and tars that have been largely used since prehistory onwards in Europe. Concerning the study of fresh organic substances, ethnoarchaeological research has been carried out in collaboration with the ONGUENT project (Goudrons végétaux à usage médicinal en Méditerranée: passés et présents. Burri, Sylvain/Traces, Toulouse) in order to identify and characterize the chemical composition and establishing the biomarkers of the ethnoarchaeological conifer tars from Cupressaceae and Taxaceae (Juniperus oxycedrus, Juniperus thurifera, Taxus baccata, Tetraclinis articulata) obtained from antique techniques in the High Atlas, Morocco. By understanding the manufacturing methods of ethnoarcheological samples and to assess the different techniques employed in their production, it is possible to obtain a reference data on contemporary materials.On the other hand, archaeological samples were analyzed from different sites between Europe and Asia by means of FTIR, SEM, DI-MS, and GC-MS methods. Biomolecular characterization of natural products such as birch bark tar and pine resin were raised. Besides, mixtures between pine resin with birch bark tar and pine resin with a species belonging to the family of Burseraceae were identified.