Cette thèse s’est focalisée sur les lavandes et en particulier sur trois lavandes retrouvées en France : la lavande fine (Lavandula angustifolia Miller), la lavande aspic (Lavandula latifolia Medik) et leur hybride le lavandin (Lavandula x intermedia). Capables de synthétiser de grandes quantités de composés organiques volatils (COV) et plus particulièrement des terpènes volatils tel les mono- et sesquiterpènes, les lavandes sont utilisées depuis l’antiquité par l’Homme pour les propriétés médicinales et aromatiques de ces terpènes, composants de l’huile essentielle de lavande. De par l’importance économique et écologique des terpènes volatils, ce travail de thèse présente différents aspects d’étude. Dans un premier temps la relation entre la diversité chimique, géographique et génétique de la lavande fine a été analysée sur l’ensemble de son aire de répartition. Les résultats ont mis en évidence des populations de lavande fine très différentes autant chimiquement que génétiquement au bord de leur aire de répartition. Dans un deuxième temps, l’impact du stress hydrique au cours du temps sur les contenus en terpènes volatils a été évalué sur la lavande aspic, le lavandin et six populations de lavande fine. Les résultats ont montré des tolérances différentielles en fonction des espèces et des populations ; ainsi le lavandin est plus rapidement affecté par le stress hydrique que la lavande fine. Les contenus terpéniques n’ont été que faiblement impactés par le stress hydrique et cela à des états hydriques différents selon les espèces et les populations. Malgré la grande diversité de réponse selon les composés, l’intensité du stress hydrique et les plantes ; les terpènes de la voie du camphre (bornéol, camphène et camphre) sont ceux qui présentent les plus grandes variations entre les plantes stressées et témoins. Il apparaissait alors intéressant d’étudier la voie de biosynthèse du camphre. Dans ce cadre-là, nous avons identifié et caractérisé la bornyl diphosphate synthase capable de former le bornéol à partir du bornyl diphosphate. L’ensemble de ces travaux permettent de mieux appréhender les relations entre production de terpènes volatils et environnement ainsi que de donner des outils génétiques afin de poursuivre ces investigations / The PhD was focused on lavenders and precisely on lavenders present in France: the fine lavender (Lavandula angustifolia Miller), the spike lavender (Lavandula latifolia Medik) and their hybrid the lavandin (Lavandula x intermedia). Skilled to synthetize huge organic volatils coumpounds (COV) amount and in particular volatils terpene such mono- and sesquiterpenes, lavenders are used by human from antiquity for medicinal and aromatic properties of these volatils terpenes, lavender essential oil is composed of. Due to economical and ecological volatils terpenes importance, several study aspects is considered in the PhD. In a first hand, on all the fine lavender’s repartition area, relationship between chemical, geographical and genetical diversities was assessed. Results showed chemical and genetical significant different populations, at the border of fine lavender repartition area. In a second hand, hydric stress impact over time on volatiles terpenes content was assessed on the spike lavender, lavandin and six fine lavender populations. Results put in evidence differential tolerances by species and populations; thus lavandin is more quickly affected by hydric stress than the fine lavender. Terpenes contents were slightly impacted by hydric stress and with different states amoung species and populations. Despite huge answer diversities amoung compounds, hydric stress intensity and plants; camphre pathway terpenes (borneol, comphene and camphre) are those which have the more important variations among stressed and controlled plants. Therefore study camphre biosynthesis pathway emerged. In this context, we have identified and characterized the bornyl diphosphate synthase able to produce the borneol from the bornyl diphosphate. These works allow a better understanding of relationships between volatils terpenes production and environment as well as give genetical tools to proceed to further investigations

La production de lavande concoure au rayonnement de la région Rhône-Alpes. Les applications de l'huile essentielle (HE) de lavande reposent sur la culture de 3 espèces (L. aangustifolia, L. latifolia et L. stoechas et d'un hybride L. x intermedia) aux chémotypes marqués. Le genre Lavandula est un modèle idéal pour comprendre la structuration et l'origine de la diversité des composés organiques volatils (COV) en particulier des terpènes. Les lavandes ont l'avantage d'avoir une aire de distribution large avec des régions bioclimatiques différentes, un nombre d'espèces limité (39) ayant des caractéristiques morphologiques et écologiques variées. Pour caractériser la diversité des COV accumulés dans les espèces du genre et envisager leur évolution, nous avons analysé (GC-MS) les COV de 29 espèces (certaines pour la première fois). Comme souvent chez les plantes, la production de COV dans les inflorescences de lavande est soumise à une régulation spatio-temporelle. L'émission différentielle de COV au cours du temps chez L. angustifolia a été relevée par les agriculteurs qui ont observé une qualité d'HE différente suivant la maturité des inflorescences au moment de la récolte. Pour modéliser ces variations et les corréler avec des étapes du développement de la plante, nous avons analysé, au niveau chimique (GC-FID) et moléculaire (qPCR), les variations temporelles des principaux COV dans les feuilles et les inflorescences (plusieurs années et cultivars). En amont de ces recherches sur les COV du genre Lavandula, différent outils de bioinformatique ont été développés. En particulier, le module " MSeasy " qui permet d'automatiser le rapatriement de données de GC-MS. Ceci constitue un pré-requis pour utiliser la lavande comme modèle d'étude des COV chez les Lamiacées

La production de lavande concoure au rayonnement de la région Rhône-Alpes. Les applications de l’huile essentielle (HE) de lavande reposent sur la culture de 3 espèces (L. aangustifolia, L. latifolia et L. stoechas et d’un hybride L. x intermedia) aux chémotypes marqués. Le genre Lavandula est un modèle idéal pour comprendre la structuration et l’origine de la diversité des composés organiques volatils (COV) en particulier des terpènes. Les lavandes ont l’avantage d’avoir une aire de distribution large avec des régions bioclimatiques différentes, un nombre d’espèces limité (39) ayant des caractéristiques morphologiques et écologiques variées. Pour caractériser la diversité des COV accumulés dans les espèces du genre et envisager leur évolution, nous avons analysé (GC-MS) les COV de 29 espèces (certaines pour la première fois). Comme souvent chez les plantes, la production de COV dans les inflorescences de lavande est soumise à une régulation spatio-temporelle. L'émission différentielle de COV au cours du temps chez L. angustifolia a été relevée par les agriculteurs qui ont observé une qualité d’HE différente suivant la maturité des inflorescences au moment de la récolte. Pour modéliser ces variations et les corréler avec des étapes du développement de la plante, nous avons analysé, au niveau chimique (GC-FID) et moléculaire (qPCR), les variations temporelles des principaux COV dans les feuilles et les inflorescences (plusieurs années et cultivars). En amont de ces recherches sur les COV du genre Lavandula, différent outils de bioinformatique ont été développés. En particulier, le module « MSeasy » qui permet d’automatiser le rapatriement de données de GC-MS. Ceci constitue un pré-requis pour utiliser la lavande comme modèle d’étude des COV chez les Lamiacées / The lavender production is of significant importance for the international visibility of the french Rhône-Alpes region. Uses of lavender essential oil (EO) are based on the growing of 3 species (L. angustifolia, L. latifolia, L. stoechas and an hybride L. x intermedia) with marked. The genus Lavandula is an ideal model for understanding the origin of the diversity of volatile organic compounds (VOCs), especially terpenes. Lavenders have the advantage of having a wide range of distribution areas with different bioclimatic regions, a limited number of species (39) with diverse morphological and ecological caracteristics. In order to characterize the diversity of the VOCs accumulated in the genus and consider their evolution, we have analyzed (GC-MS) the VOCS accumulated by 29 species (some for the first time). As often, in plants, the production of VOCs in the inflorescences of lavender is subject to spatial and temporal regulation. The differential emission of VOCs over time in L. angustifolia is a well known phenomenon for farmers who have observed a different quality of EO depending on the maturity of the inflorescences at harvest. To correlate these variations with stages of plant development, we have analysed the temporal variations of the main VOCs in leaves and inflorescences (several years and cultivars) at the chemical level (GC-FID) and the molecular level (qPCR). Upstream of this research on the genus Lavandula different bioinformatic tools have been developed. In particular, the module “MSeasy " which can automate GC-MS data retrieval. This is a prerequisite for using lavender in the future as a model study of VOCS in Lamiaceae

Le bois est un matériau renouvelable utilisé par l’Homme pour la construction, l’ameublement, la fabrication du papier, l’énergie, etc. Le bois contient des extractibles d’un grand intérêt économique appartenant à diverses familles chimiques telles que les terpènes, les flavonoïdes, les tanins, etc. Les nœuds (base de la branche englobée dans le tronc) de certaines essences sont extrêmement riches en extractibles.Ce travail a pour objectif l’analyse des variabilités interspécifiques, intraspécifiques et intra-arbre des extractibles nodaux, afin de cibler les essences, les stations et les parties de l’arbre les plus riches. Pour cela, les nœuds de vingt-trois essences, puis ceux de quinze sapins ayant poussé dans des conditions différentes ont été extraits par différents solvants et analysés. Les résultats confirment la richesse des nœuds par rapport au duramen et à l’aubier pour toutes les essences. Globalement, les nœuds des résineux contiennent plus d’extractibles que les feuillus. Les principaux composés identifiés chez les résineux sont des lignanes, des stilbènes, des flavonoïdes et des terpènes. L’acide gallique et des flavonoïdes sont présents chez les feuillus. L’étude du profil vertical montre que les concentrations diminuent de la base du houppier vers la cime de l’arbre. De plus, les résultats mettent en évidence l’influence des conditions de croissance puisque les arbres dominants, et/ou ayant poussé selon des sylvicultures dynamiques sont particulièrement riches en extractibles nodaux. Ces résultats permettent d’envisager la valorisation des coproduits des industries du bois en tant que ressource de molécules bioactives pour diverses applications. / Wood is a renewable material used by man for construction, furniture, paper making, energy, etc. Wood contains extractives of great economic value which belong to various chemical families such as terpenes, flavonoids, tannins, etc. The knots (base of the branch embedded in the trunk) of some tree species are extremely rich in extractives.This study aims at analysing the inter-specific, intra-specific and within-tree variabilities of knotwood extractives to target the richest species, stations and tree parts. For that purpose, the knots of twenty-three species and those of fifteen firs grown under different conditions were extracted using several solvents and analysed. The results confirm the richness of knots compared to heartwood and sapwood for all species. Overall softwood knots contain mainly more extractives than hardwoods. The main compounds identified in softwoods are lignans, stilbenes, flavonoids and terpenes Gallic acid and flavonoids are present in hardwoods. The study of the vertical profile shows that concentrations decrease from the base of the crown to the tree tip. In addition, the results highlight the influence of growth conditions since dominant trees and/or those grown according to dynamic silvicultures are particularly rich in knot extractives. These results allow considering the valorization of wood industries by-products as bioactive molecules resource for various applications.

Le sclaréol est un diterpène produit par les organes floraux de la sauge sclarée (Salvia sclarea, Lamiaceae). Il est utilisé en parfumerie pour l’hémisynthèse de l’ambroxide, une substance caractérisée par une odeur ambrée et une grande capacité de fixation des parfums. L’augmentation de la demande mondiale en sclaréol stimule actuellement les tentatives d’accroître le rendement de la production de sclaréol à partir de la sauge sclarée. L’objectif du travail présenté dans ce manuscrit était d’améliorer notre compréhension de la biosynthèse du sclaréol et de sa régulation chez la sauge sclarée, afin de mettre en évidence des stratégies d’augmentation du contenu en sclaréol de la sauge sclarée. L'analyse de la surface des calices de sauge sclarée par imagerie par spectrométrie de masse suggère que le sclaréol est principalement sécrété par des structures épidermiques spécialisées appelées trichomes glandulaires. De plus, nous avons mis en évidence les contributions respectives des deux voies de biosynthèse des terpènes présentes chez les plantes, les voies MVA et MEP, à la biosynthèse de trois terpènes de la sauge sclarée. Des expériences de marquage au ¹³C indiquent que le sclaréol et l’acétate de linalyle sont tous deux issus de la voie MEP, alors que le β-caryophyllène semble être d’origine mixte. Nous avons également étudié le rôle potentiel d’une phytohormone, le méthyljasmonate, dans la régulation de la production de sclaréol chez la sauge sclarée. Enfin, nous avons exploré la diversité génétique et phénotypique de populations croates de sauge sclarée sauvage, et montrons que ces populations représentent une ressource génétique distincte par rapport aux populations de référence. L’ensemble de ces résultats met en évidence des pistes prometteuses pour l'amélioration génétique ciblée des performances de la sauge sclarée. / Sclareol is a diterpene produced by floral organs of clary sage (Salvia sclarea, Lamiaceae). It is used in perfume industry for the hemisynthesis of ambroxide, a high-valued perfume component characterized by an amber scent and a high perfume fixation capacity. The global demand for sclareol currently rises, prompting attempts at increasing the yield of sclareol production from clary sage. The purpose of the work presented in this manuscript was to improve knowledge on sclareol biosynthesis and its regulation in clary sage, in order to highlight strategies aiming at enhancing clary sage sclareol content. The analysis of the surface of clary sage calyces by mass spectrometry imaging suggests that sclareol is mainly secreted by specialized epidermal structures called glandular trichomes. Moreover, we have highlighted the respective contributions of the two terpenoid biosynthesis pathways present in plants, MVA and MEP pathways, to the biosynthesis of three terpenoids of clary sage. ¹³C-labeling experiments indicate that sclareol and linalyl acetate both originate from the MEP pathway, whereas β-caryophyllene seems to be of mixed origin. We have also investigated the potential role of a phytohormone, methyljasmonate, in the regulation of sclareol production in clary sage. Finally, we have explored the genetic and phenotypic diversity of Croatian wild clary sage populations and show that these populations represent a distinct genetic resource compared to reference populations. Taken together, these results highlight promising avenues for targeted genetic enhancement of clary sage performances.

Pelargonium sp., appelé aussi « géranium » à odeur de rose ou « Géranium rosat » est l’une des plantes aromatiques et médicinales les plus cultivées au niveau international, essentiellement pour son huile essentielle (HE), utilisée par les industries des cosmétiques et de la parfumerie. Cette essence est extraite des feuilles par distillation vapeur et donne une HE riche de plusieurs centaines de molécules volatiles. Cette complexité est le résultat d’un long processus évolutif et de sélections variétales. Parmi ces composés volatils, les monoterpènes comme le géraniol, le citronellol et l’isomenthone, ou les sesquiterpènes comme le 10- γ-épi-eudesmol et le 6,9-guaiadiène, jouent un rôle prépondérant dans le parfum du Pelargonium. Les proportions relatives de ces différents composés sont d’ailleurs utilisées comme marqueurs de la qualité de l’HE et déterminent la typicité du parfum des différents cultivars et origines (P. cv. ‘rosat Bourbon’, P. cv. ‘rosat Chine’, P. cv. ‘rosat Égypte’ et P. cv. ‘rosat Grasse’). Malgré de très nombreux travaux portant sur la chimie de cette HE, il n’existe aucune information sur les voies de biosynthèse de ces molécules et aucun gène intervenant dans ces voies n’a été isolé. Durant cette thèse, nous avons cloné et caractérisé fonctionnellement par expression et purification des protéines recombinantes chez Escherichia coli des gènes codant les enzymes clés de ces voies de biosynthèse, les terpène synthases. Nous avons ainsi pu caractériser quatre terpène synthases, dont une géraniol synthase mono-produit. Nous avons isolé deux autres monoterpène synthases multi-produits, produisant pour l’une majoritairement du myrcène mais aussi trois autres monoterpènes, et pour l’autre majoritairement du 1,8-cinéole ainsi que 10 autres monoterpènes minoritaires. Enfin, une sesquiterpène multi-produit, la 10-γ-épi-eudesmol synthase, a été caractérisée. Nous avons ensuite analysé l’expression de la géraniol synthase et de la 10-γ-épi-eudesmol synthase dans différentes accessions de Pelargonium par RT-qPCR et nous avons montré la relation entre la capacité de production des différents composés volatils et le niveau d’expression dans les feuilles de ces deux terpène synthases. L’efficacité de la transformation génétique du Pelargonium par Agrobacterium tumefaciens étant élevée, des expériences de transgénèse ont aussi été réalisées afin de compléter la caractérisation fonctionnelle des gènes isolés. Dans une deuxième partie, nous avons réalisé l’analyse des essences produites par 64 espèces et cultivars de Pelargonium d’odeurs très diverses (citron, menthe, rose, abricot, pin, épices…). A l’aide d’analyses statistiques (ACP, analyse discriminante…), nous avons mis en évidence des relations entre la biochimie de ces cultivars, leurs odeurs et leurs proximités génétiques et cela afin de nous donner des pistes sur des croisements potentiellement intéressants. Enfin, un dernier chapitre est consacré à l’amélioration de la production d’HE en Égypte. Grâce à ce programme commencé il y a trois ans, nous améliorons chaque année la qualité et le rendement en HE de plus de 10 Ha de plantation de Pelargonium en Égypte. Un travail d’optimisation de la distillation ainsi que des améliorations des pratiques culturales, nous ont permis de produire une HE de qualité avec un rendement de plus de 60 kg.Ha-1 d’HE. D’autres expériences présentées dans ce chapitre soulignent l’influence de l’environnement et notamment de la température sur le ratio entre le citronellol et le géraniol ainsi que sur la biosynthèse de l’isomenthone, du 10-γ-épi-eudesmol et du 6,9-guaiadiène / Pelargonium sp, also named rose scented « geranium » or « Geranium rosat » is one of the the most cultivated aromatic and medicinal plant worldwide, especially for its essential oil (EO), which is used by cosmetic and perfumery industries. This essence is extracted from leaves by steam distillation and gives an EO containing several hundreds of organic volatile compounds (VOC). This complexity is the result of a long evolutive process and varietal selections. Among these VOC, the monoterpenes like geraniol, citronellol and isomenthone and the sesquiterpenes like 10-γ-epieudesmol and 6,9-guaiadiene, play an important role for the Pelargonium fragrance. The relative proportions of these compounds are used as EO quality markers and determine the different cultivars origins (P. cv. ‘rosat Bourbon’, P. cv. ‘rosat Chine’, P. cv. ‘rosat Egypt’ and P. cv. ‘rosat Grasse’). Despite the important researches on the chemistry of these EO, there is no information on the biosynthesis pathways for these molecules and no genes involved in the pathways have been isolated. During this PhD thesis, we have functionally characterized by recombinant proteins expression and purification in Escherichia coli, four genes, three monoterpene and one sesquiterpene synthases, coding for key enzymes in terpene biosynthesis pathway. The first enzyme is a mono-product geraniol synthase. The second enzyme is a multi-product enzyme with a major peak of myrcene and 3 minor peaks of other monoterpenes. The third enzymes is also a multi-product protein, producing 1,8-cineol as major product and 10 others monoterpenes. The last one is a multi-products sesquiterpene synthase producing mainly the 10-γ-epi-eudesmol and other sesquiterpenes. We have also analyzed the level of expression of the geraniol and 10 γ-epi-eudesmol synthases in several Pelargonium accessions by RT-qPCR and we have demonstrated the relationship between the level of expression of these two terpene synthases and the quantity of the related terpenes produced in leaves. Pelargonium transformation efficiency by Agrobacterium tumefaciens was tested in order to complete the functional characterization of the genes. In a second part, we have analyzed the essence of 64 species and cutivars of Pelargonium having very different fragrances like lemon, mint, rose, apricot, pine, spices… With different statistical tools (PCA, discriminant analysis…), we have highlighted the links between the biochemistry of these species and cultivars, their odors and their phylogenetic relationships. This worked gave us some interesting ideas for some new crossings. Finally, the last chapter concerns the EO production improvements in Egypt. Thanks to these researches, started 3 years ago, we are improving year after year our EO yield and quality in our 10 Ha R&D plantation. An important work was done to optimize the distillation process and improve the agricultural practices which abled us to reach a yield of 60 kg of EO per hectare. Some other experiments show the effect of the environmental factors such as the temperature on the biosynthesis of several important molecules like citronellol and geraniol, 6,9-guaiadiene and 10-γ-epi-eudesmol

Avec l’apparition de plus en plus de souches de bactérie résistante aux antibiotiques, le développement de nouveaux antibiotiques est devenu une important problématique pour les agences de santé. C’est pour cela que la création de nouvelles plateformes pour accélérer la découverte de médicaments est devenu un besoin urgent. Dans les dernières décennies, la recherche était principalement orientée sur la modification de molécules préexistantes, la méta-analyse d’organismes produisant des molécules activent et l’analyse de librairies moléculaires pour trouver des molécules synthétiques activent, ce qui s’est avéré relativement inefficace. Notre but était donc de développer de nouvelles molécules avec des effets thérapeutiques de façon plus efficace à une fraction du prix et du temps comparé à ce qui se fait actuellement. Comme structure de base, nous avons utilisé des métabolites secondaires qui pouvaient altérer le fonctionnement des protéines ou l’interaction entre deux protéines. Pour générer ces molécules, j’ai concentré mes efforts sur les terpènes, une classe de métabolites secondaires qui possède un large éventail d’activités biologiques incluant des activités antibactériennes. Nous avons développé un système de chromosome artificiel de levure (YAC) qui permet à la fois l’assemblage directionnel et combinatoire de gènes qui permet la création de voies de biosynthèse artificielles. Comme preuve de concept, j’ai développé des YACs qui contiennent les gènes pour l’expression des enzymes impliquées dans la biosynthèse de la -carotène et de l’albaflavenone et produit ces molécules avec un haut rendement. Finalement, Des YACs produits à partir de librairies de gènes ont permis de créer une grande diversité de molécules. / With the appearance of more and more antibiotic resistant strains of bacteria, the development of new antibiotics becomes an issue of utmost importance for society. It is for that reason that new platforms and methodologies to accelerate the discovery of novel antibiotics are urgently needed. For the last decades, research was mainly oriented on modifying existing antibiotics, mining natural producers or screening for synthetic molecules from giant chemical libraries but these approaches did not manage to keep the pipelines filled with a sufficient number of novel antibiotics. Therefore, our goal was to develop a way to create and screen new molecules more efficiently at a fraction of the cost when compared to traditional approaches and within a short time frame. As chemical scaffolds we use natural product-like compounds that modulate the function of individual proteins or of protein-protein interactions. To generate these compounds, I focused first on the terpene scaffold class, a class containing molecules with a wide range of biological activities and includes compounds with antibacterial activities. We developed a yeast artificial chromosome (YAC) platform that allows both directional and combinatorial assembly of biosynthetic genes that can be used to create artificial biosynthetic pathways. As a proof of principle, YACs were successfully assembled containing genes coding for enzymes involved in the biosynthesis of both B-carotene and albaflavenone, and that allowed high yield production of these compounds. Finally, YACs encoding terpene gene libraries were also created and which produced a diversity of terpenoid molecules.