Les Bradyrhizobium photosynthétiques sont capables d'induire la formation de nodules fixateurs d'azote chez certaines légumineuses du genre Aeschynomene. La découverte récente que certaines de ces souches ne possèdent pas les gènes canoniques nodABC indique l'existence d'un nouveau processus symbiotique rhizobium-légumineuse indépendant des facteurs Nod. L'objectif de ce travail de thèse a consisté à avancer dans la compréhension des mécanismes mis en jeu lors de cette nouvelle interaction. Dans un premier temps, à travers différentes approches cytologiques, le processus par lequel la bactérie infecte la plante en l'absence de facteurs Nod a été décrit. Dans un deuxième temps, afin de mettre en évidence les bases moléculaires de cette interaction, une banque de 15 000 mutants Tn5 de la souche ORS278 a été criblée sur plante. Ce criblage a permit l'identification de plus d'une centaine de gènes bactériens intervenant durant le processus symbiotique. Les résultats obtenus nous ont conduits à proposer un modèle dans lequel la mise en place de la symbiose Nod-indépendante impliquerait, d'une part, la synthèse bactérienne d'une cytokinine permettant le déclenchement de l'organogenèse nodulaire, et d'autre part, d'autres signaux bactériens intervenant dans l'étape de reconnaissance avec la plante hôte. Enfin, nous avons mis en place une technique de transformation génétique d'Aeschynomene et validé cet outil à travers l'étude de l'expression hétérologue de la noduline précoce MtENOD11. Il peut à présent être envisagé de conduire des études fonctionnelles sur Aeschynomene en vue de caractériser la voie de signalisation Nod-indépendante. / The photosynthetic Bradyrhizobium are able to induce the formation of nitrogen-fixing nodules in some legumes of the Aeschynomene genus. The recent discovery that some of these strains lack the canonical nodABC genes indicates the existence of a new symbiotic rhizobium-legume process that is independent of Nod factors. The aim of this work was to improve our understanding of the mechanisms involved in this new interaction. First, through various cytological approaches, the process by which the bacterium infects the plant in the absence of Nod factors has been described. Second, in order to decipher the molecular basis of this interaction, a library of 15,000 Tn5 mutants of the ORS278 strain was screened on plant. This screening allowed the identification of about one hundred bacterial genes involved in this symbiotic process. These results led us to propose a model in which the establishment of the Nod-independent symbiosis involves, on one han d, the synthesis of a bacterial cytokinin that triggers nodule organogenesis, and on the other hand, others bacterial signals that permit the recognition with the host plant. Finally, we developed a genetic transformation procedure of Aeschynomene and we validated this tool by studying the heterologous expression of the early nodulin MtENOD11. Now, functional studies on Aeschynomene are possible to permit the characterization of the Nod-independent signaling pathway.

L'oxydase terminale plastidiale (PTOX) est une plastoquinol oxidase. Le mutant ghost de tomate, déficient en PTOX, présente un phénotype de feuilles panachées et accumule du phytoène (dans ses secteurs blancs) et montre un déficit en caroténoïdes dans les fruits mûrs. Pour élucider les différents rôles de PTOX, qui ont en commun la modulation de l'état redox de plastoquinones, nous avons utilisé différentes conditions expérimentales. Nous avons montré que l'importance du rôle de PTOX dans la désaturation des caroténoïdes, en tant que cofacteur redox, se limite à certaines étapes développementales comme la différentiation des chloroplastes et des chromoplastes. En effet, en faible lumière, ghost peut produire des feuilles adultes et des fruits verts, qui contiennent la même quantité des caroténoïdes que celle de la tomate nondéficiente en PTOX, et qui n'accumulent pas de phytoène. D'autre part, nous avons constaté que des plantes de tomates transgéniques surexprimant PTOX ne surproduisent pas les carotenoides. Tandis que la surexpression de PTOX a un effet minimal sur la photosynthèse, les feuilles et les fruits verts de ghost sont moins capables d'éviter des dommages oxydatifs et sont plus sensibles à la photoinhibition et aux dommages de PSII. Cette sensibilité vient d'un niveau élevé de surréduction non-photochimique des plastoquinones à l'obscurité et d'un état réduit plus important de la chaîne de transfert d'électrons photosynthétiques à la lumière. Ainsi, PTOX joue un rôle indispensable et direct dans la photosynthèse, notamment sur l'état redox du pool des plastoquinones entre PSII et PSI. Nous proposons que PTOX a un rôle régulateur dans la distribution des électrons photosynthétiques entre flux linéaire et circulaire, plutôt qu'un rôle de puits d'électrons, et que sa présence est importante dans la transition de l'obscurité à la lumière ainsi que de la faible lumière à la forte lumière.

Ce travail de thèse porte sur l’effet du rayonnement UV-B sur la physiologie foliaire et la maturation des baies chez la Vigne (Vitis vinifera L. cv Tempranillo), dans le contexte du changement climatique en cours. Dans ce but, des expériences ont été menées en conditions contrôlées en serre, sur des boutures fructifères. Les plantes ont été exposées à trois doses de rayonnement UV-B biologiquement actifs (0, 5,98 et 9,66 kJ.m-2.jour-1), soit à partir de la nouaison, soit à partir de la véraison, et ce jusqu’à la pleine maturité. Le rayonnement UV-B a été appliqué seul ou en combinaison avec d’autres stress abiotiques (déficit hydrique, taux de CO2 et température élevés). L’impact de ces stress sur l’activité photosynthétique, les contenus en pigments et en composés photoprotecteurs, ainsi que sur les activités des enzymes produisant des composés antioxydants, ont été étudiés. La phénologie, les profils d’accumulation des flavonols et des anthocyanes, ainsi que le contenu en acides aminés des baies ont également été analysés, de même que l’expression des principaux gènes régulateurs et structuraux de la voie de biosynthèse des polyphénols. Les résultats obtenus montrent que les effets des UV-B sur la physiologie foliaire peuvent être découpés en deux phases : une première phase transitoire de diminution de l’activité photosynthétique, suivie d’une phase d’acclimatation due à la production de composés photoprotecteurs (flavonoïdes essentiellement) et à l’activité d’enzyme de détoxification des forme actives de l’oxygène (superoxyde dimutase, catalase, ascorbate peroxidase). Le déficit hydrique, le stress thermique et un taux de CO2 élevé (700ppm, +4ºC) ne modifient pas le processus d’acclimatation aux UV-B ; en revanche on note une interaction positive entre les UV-B d’une part et la tolérance aux températures et au taux de CO2 élevé d’autre part, atténuant les dommages oxydatifs dus à l’induction de sénescence par ces deux derniers facteurs. La maturité des baies est retardée par les UV-B et le déficit hydrique, et ce phénomène et amplifiés lorsque ces deux stress sont appliqués en combinaison ; alors que les hautes températures et un taux de CO2 élevé ont l’effet inverse. Dans ce dernier cas, le UV-B rayonnement atténue les effets du couple température/CO2 élevés. Ces effets sur la phénologie de la Vigne ont pu être reliés à des modifications de l’activité photosynthétique des feuilles. En ce qui concerne la composition des baies, l’augmentation du rayonnement UV-B et le déficit hydrique ont augmenté les concentrations en anthocyanes et en potassium des moûts et diminué leur acidité, ce qui peut s’expliquer en partie par une augmentation du ratio de masse pellicule/pulpe. L’augmentation des teneurs en anthocyanes et flavonols des pellicules observée en réponse aux UV-B a pu être reliée à l’induction de gènes structuraux (CHS, F3’H, FLS, UFGT and GST) et régulateurs (MYBF1 et MYBA1) de la voie de biosynthèse des flavonoïdes. Ces changements quantitatifs étaient toujours associés à des changements qualitatifs, avec une augmentation de la part relative des flavonols mono- et disubstitués, en raison d’une compétition de la flavonol synthase avec les F3’ et F3’5’ hydroxylases pour les mêmes substrats. Une interaction notable a été observée entre le rayonnement UV-B et le déficit hydrique, sur les profils d’hydroxylation des flavonols, ce qui s’explique par le fait que ces deux facteurs agissent sur deux étapes distinctes de la voie de biosynthèse. / The aim of the thesis was to assess the effect of UV-B radiation on grapevine Vitis viniferacv. Tempranillo leaf physiology and grape berry composition, framed within the climatechange scenario. Experiments were conducted under glasshouse controlled conditions withfruit-bearing cuttings. Plants were exposed to three UV-B biologically effective doses (0,5.98, 9.66 kJ m-2 d-1) either from fruit set or veraison to maturity. The combined effects of UVand water deficit, as well as, UV-B and elevated CO2-temperature (700ppm, +4ºC), appliedfrom fruit set to maturity were also tested. Gas exchange, Chlorophyll a fluorescence, lipidperoxidation, antioxidant enzyme activity, UV-B absorbing compound levels and chlorophylland carotenoid concentration were determined in leaves. Berry development was assessedquantitatively (e.g. elapsed time to reach phenological stages). Amino acid, anthocyanin andflavonol concentrations and profiles were analyzed in berries, as well as, transcript profilingof regulatory and structural genes involved in flavonoid biosynthesis.The results show that initial down-regulation of photosynthesis was followed by anacclimation, mediated by the accumulation of UV-B absorbing compounds and antioxidantresponse elicitation (flavonoids and antioxidant enzymes). Water deficit and elevated CO2-temperature did not alter UV-B acclimation process, however, UV-B did led to certain degreeof cross-tolerance to elevated CO2-temperature, avoiding the senescence-induced oxidativedamage. Berry technological maturity (ca. 22ºBrix) was delayed by UV-B exposure and waterdeficit, especially when combined, whereas it was hastened by elevated CO2-temperature. Inthe last case, UV-B attenuated the effect of elevated CO2 and temperature. Changes in berryripening rates were associated with changes in photosynthetic performance.UV-B radiation and water deficit induced lower grape must acidity, mediated by increases inrelative skin mass or potassium levels rather than a decrease in organic acid concentration.In addition this increase in relative skin mass may have contributed to higher anthocyaninconcentration in the must. Grape berry skin flavonol and anthocyanin concentration wasincreased by UV-B, mainly due to the up-regulation of the structural (CHS, F3’H, FLS, UFGTand GST) and regulatory genes (MYBF1 and MYBA1) committed to their synthesis.Quantitative changes in flavonol concentration induced by UV-B were always associated withqualitative changes in flavonol profile (i.e. increased relative abundance of mono- anddisubstituted flavonols), as a result of the competition of FLS with flavonoid hydroxylases(F3’H and F3’5’H) for the same substrates. The independent up-regulation of FLS and F3’5’Hby UV-B radiation and water deficit, respectively, resulted in an intaractive effect on theflavonol B ring hydroxylation pattern. Under elevated CO2-temperature anthocyanin-sugaraccumulation was decoupled. However, UV-B partially alleviated this uncoupling by upregulatinganthocyanin biosynthesis and modulating berry ripening rates.UV-B radiation greatly influenced grapevine leaf physiology and berry composition. Theseresponses to UV-B were modulated, to a greater or lesser extent, by other factors linked toclimate change (water availability, atmospheric CO2 levels and temperature).

L'azote est une ressource importante pour la croissance des plantes, et pour les pathogènes des cultures. L'objectif de cette thèse est de proposer une modélisation mécaniste des dynamiques d'azote dans une plante de blé en post-floraison. Pour cela, une approche structure-fonction a été mise en oeuvre. Des expérimentations ont permis de caractériser les dynamiques spatio-temporelles d'azote dans la tige feuillée. La masse d'azote surfacique des limbes et des gaines diminuait avec la distance depuis le sommet du couvert, mais elle était homogène le long d'un limbe ou d'une gaine. Les dynamiques temporelles étaient identiques pour les gaines et les limbes suggérant que ces deux entités répondent de la même manière à la lumière interceptée et à l'état azoté de la plante. De plus, les dynamiques étaient synchrones pour tous les phytomères et identiques à un facteur d'échelle près. En période d'absence d'absorption d'azote racinaire, ces dynamiques suivaient une cinétique d'ordre un. Ces résultats ont permis de développer un modèle structure-fonction des dynamiques d'azote au sein de la structure botanique d'une tige feuillée. Les principales hypothèses de ce modèle sont: (i) la teneur en azote d'un limbe est déterminée par le turnover des protéines de l'appareil photosynthétique; (ii) les différentes entités de la tige feuillée partagent un pool commun d'azote mobile. Ce modèle a été validé sur une gamme contrastée de conditions environnementales avec un jeu unique de six paramètres. Les relations azote-éclairement sont une propriété émergente des processus décrits à l'échelle locale. Ce travail ouvre des perspectives pour simuler la régulation des dynamiques d'azote dans des modèles individus-centrés de peuplements végétaux.

Pour répondre à la demande mondiale croissante en huile et en protéines, le tournesol apparaît comme une culture très compétitive grâce à la diversification de ses débouchés et son attractivité environnementale et nutritionnelle. Pourtant, les teneurs en huile et protéines sont soumises à des effets génotypiques et environnementaux qui les rendent fluctuantes et difficilement prédictibles. Nous argumentons qu’une meilleure connaissance des effets les plus importants et leurs interactions devrait permettre de mieux prédire ces teneurs. Deux approches de modélisation ont été développées. Dans la première, trois modèles statistiques ont été construits puis comparés à un modèle simple existant. L’approche dynamique est basée sur l’analyse des relations source-puits au champ et en serre (2011 et 2012) pendant le remplissage. Les performances et domaines de validité des deux types de modélisation sont comparés. / Considering the growing global demand for oil and protein, sunflower appears as a highly competitive crop, thanks to the diversification of its markets and environmental attractiveness and health. Yet the protein and oil contents are submitted to genotypic and environmental effects that make them fluctuating and hardly predictable. We argue that a better knowledge of most important effects and their interactions should permit to improve prediction. Two modeling approaches are proposed: statistical one, where we compared three types of statistical models with a simple existing one. The dynamic approach is based on source-sink relationships analysis (field and greenhouse experiments in 2011 and 2012) during grain filling. Performances of both modeling types and their validity domain are compared.

A l’heure actuelle, les biocarburants renouvelables et qui ne nuit pas à l'environnement sont à l'étude intensive en raison de l'augmentation des problèmes de santé et de la diminution des combustibles fossiles. H2 est l'un des candidats les plus prometteurs en raison de ses caractéristiques uniques, telles que la densité d'énergie élevée et la génération faible ou inexistante de polluants. Une façon attrayante pour produire la H2 est par les bactéries photosynthétiques qui peuvent capter l'énergie lumineuse pour actionner la production H2 avec leur système de nitrogénase. L'objectif principal de cette étude était d'améliorer le rendement de H2 des bactéries photosynthétiques pourpres non sulfureuses utilisant une combinaison de génie métabolique et le plan des expériences. Une hypothèse est que le rendement en H2 pourrait être améliorée par la redirection de flux de cycle du Calvin-Benson-Bassham envers du système de nitrogénase qui catalyse la réduction des protons en H2. Ainsi, un PRK, phosphoribulose kinase, mutant « knock-out » de Rhodobacter capsulatus JP91 a été créé. L’analyse de la croissance sur des différentes sources de carbone a montré que ce mutant ne peut croître qu’avec l’acétate, sans toutefois produire d' H2. Un mutant spontané, YL1, a été récupéré qui a retenu l'cbbP (codant pour PRK) mutation d'origine, mais qui avait acquis la capacité de se développer sur le glucose et produire H2. Une étude de la production H2 sous différents niveaux d'éclairage a montré que le rendement d’YL1 était de 20-40% supérieure à la souche type sauvage JP91. Cependant, il n'y avait pas d'amélioration notable du taux de production de H2. Une étude cinétique a montré que la croissance et la production d'hydrogène sont fortement liées avec des électrons à partir du glucose principalement dirigés vers la production de H2 et la formation de la biomasse. Sous des intensités lumineuses faibles à intermédiaires, la production d'acides organiques est importante, ce qui suggère une nouvelle amélioration additionnel du rendement H2 pourrait être possible grâce à l'optimisation des processus. Dans une série d'expériences associées, un autre mutant spontané, YL2, qui a un phénotype similaire à YL1, a été testé pour la croissance dans un milieu contenant de l'ammonium. Les résultats ont montré que YL2 ne peut croître que avec de l'acétate comme source de carbone, encore une fois, sans produire de H2. Une incubation prolongée dans les milieux qui ne supportent pas la croissance de YL2 a permis l'isolement de deux mutants spontanés secondaires intéressants, YL3 et YL4. L'analyse par empreint du pied Western a montré que les deux souches ont, dans une gamme de concentrations d'ammonium, l'expression constitutive de la nitrogénase. Les génomes d’YL2, YL3 et YL4 ont été séquencés afin de trouver les mutations responsables de ce phénomène. Fait intéressant, les mutations de nifA1 et nifA2 ont été trouvés dans les deux YL3 et YL4. Il est probable qu'un changement conformationnel de NifA modifie l'interaction protéine-protéine entre NifA et PII protéines (telles que GlnB ou GlnK), lui permettant d'échapper à la régulation par l'ammonium, et donc d'être capable d'activer la transcription de la nitrogénase en présence d'ammonium. On ignore comment le nitrogénase synthétisé est capable de maintenir son activité parce qu’en théorie, il devrait également être soumis à une régulation post-traductionnelle par ammonium. Une autre preuve pourrait être obtenue par l'étude du transcriptome d’YL3 et YL4. Une première étude sur la production d’ H2 par YL3 et YL4 ont montré qu'ils sont capables d’une beaucoup plus grande production d'hydrogène que JP91 en milieu d'ammonium, qui ouvre la porte pour les études futures avec ces souches en utilisant des déchets contenant de l'ammonium en tant que substrats. Enfin, le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec la bactérie photosynthétique, Rhodopseudomonas palustris CGA009 a été examiné. La production d'éthanol avec fermentation utilisant des ressources renouvelables microbiennes a été traitée comme une technique mature. Cependant, la plupart des études du reformage de l'éthanol à H2 se sont concentrés sur le reformage chimique à la vapeur, ce qui nécessite généralement une haute charge énergetique et résultats dans les émissions de gaz toxiques. Ainsi le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec des bactéries photosynthétiques, qui peuvent capturer la lumière pour répondre aux besoins énergétiques de cette réaction, semble d’être plus prometteuse. Une étude précédente a démontré la production d'hydrogène à partir d'éthanol, toutefois, le rendement ou la durée de cette réaction n'a pas été examiné. Une analyse RSM (méthode de surface de réponse) a été réalisée dans laquelle les concentrations de trois facteurs principaux, l'intensité lumineuse, de l'éthanol et du glutamate ont été variés. Nos résultats ont montré que près de 2 moles de H2 peuvent être obtenus à partir d'une mole d'éthanol, 33% de ce qui est théoriquement possible. / Currently, renewable and environmentally friendly biofuels are under intensive study due to increasing health concerns and diminishing fossil fuels. H2 is one of the most promising candidates due to its unique characteristics, such as a high energy density and low to non-existent generation of pollutants. One attractive way to produce H2 is through photosynthetic bacteria which can capture light energy to drive H2 production with their nitrogenase system. The major aim of this study was to improve H2 yield of the purple non-sulfur photosynthetic bacteria using a combination of metabolic engineering and design of experiments. One hypothesis was that H2 yield could be improved by redirection of Calvin-Benson-Bassham cycle flux to the nitrogenase system which catalyzes the reduction of protons to H2. Thus, a PRK, phosphoribulose kinase, knock out mutant of Rhodobacter capsulatus JP91 was created. Analysis of growth with different carbon sources showed that this mutant could only grow in acetate medium without, however, producing any H2. A spontaneous mutant, YL1, was recovered which retained the original cbbP (encoding PRK) mutation, but which had gained the ability to grow on glucose and produce H2. A study of H2 production under different illumination levels showed that the yield of YL1 was 20-40% greater than the wild type JP91 strain. However, there was no appreciable improvement of the H2 production rate. A kinetic study showed that growth and hydrogen production are strongly linked with electrons from glucose being mostly directed to H2 production and biomass formation. Under low to intermediate light intensities, the production of organic acids was significant, suggesting further improvement of H2 yield is possible by process optimization. In a related series of experiments, another spontaneous mutant, YL2, which has a similar phenotype to YL1, was tested for growth in ammonium-containing media. The results showed that YL2 could only grow with acetate as carbon source, again, without producing any H2. Prolonged incubation in media not supporting growth of YL2 enabled the isolation of two interesting secondary spontaneous mutants, YL3 and YL4. Western blot analysis showed that both strains had constitutive nitrogenase expression under a range of ammonium concentrations. The genomes of YL2, YL3 and YL4 were sequenced in order to find the mutations responsible for this phenomenon. Interestingly, mutations of nifA1 and nifA2 were found in both YL3 and YL4. It is likely that a conformational change of NifA alters the protein-protein interaction between NifA and PII proteins (such as GlnB or GlnK), enabling it to escape regulation by ammonium and thus to be capable of activating nitrogenase transcription in the presence of ammonium. It is not clear how the synthesized nitrogenase is able to maintain its activity since in theory it should also be subject to posttranslational regulation by ammonium. Further evidence could be obtained by studying the transcriptome of YL3 and YL4. An initial study of H2 production by YL3 and YL4 showed that they are capable of much greater hydrogen production than JP91 in ammonium medium, which opens the door for future studies with these strains using ammonium-containing wastes as substrates. Finally, the biological reformation of ethanol to H2 with the photosynthetic bacterium, Rhodopseudomonas palustris CGA009 was examined. Ethanol production with microbial fermentation using renewable resources has been treated as a mature technique. However, most studies of the reformation of ethanol to H2 have focused on chemical steam reforming, which usually requires a high energy input and results in toxic gas emission. Thus biological reformation of ethanol to H2 with photosynthetic bacteria, which can capture light to meet the energy requirement of this reaction, seems to be more promising. A previous study had demonstrated hydrogen production from ethanol, however, the yield or the duration of this reaction were not examined. A RSM (response surface methodology) analysis was carried out in which three key factors, light intensity, ethanol and glutamate concentrations were varied. Our results showed that nearly 2 moles of H2 could be obtained from one mole of ethanol, 33% of what is theoretically possible.