Reproduction de : Thèse de doctorat : Biosciences végétales : Toulouse, INPT : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 301 réf.

La phototransformation des matières actives à la surface des plantes après pulvérisation a une influence considérable sur l'efficacité des traitements. Dans ce travail, l'ensemble des réactions photochimiques se produisant sur des supports modèles des cires végétales dans des conditions proches des conditions environnementales ont été étudiées dans le cas d'un fongicide (le chlorothalonil) et d'un herbicide (la cycloxydime). Nous avons considéré les réactions photochimiques induites par l'absorption de lumière par les composés eux-mêmes et celles faisant intervenir des sensibilisateurs comme les métabolites secondaires des plantes. Dans chacun des cas, des études mécanistiques détaillées ont été conduites. Nous montrons que le chlorothalonil possède la capacité remarquable de produire de l'oxygène singulet avec un rendement quantique proche de l'unité. En parallèle, la réactivité de la cycloxydime avec l'oxygène singulet a été montrée. De ce fait, la phototransformation de la cycloxydime sur film de cire est accélérée lorsque des sensibilisateurs naturels, tels que les phytoalexines sont ajoutés à la cire, ou lorsque des traces de chlorothalonil sont présents à la surface du modèle foliaire. Ce travail a permis 1) de comprendre le mécanisme de phototransformation par excitation directe et sensibilisées du chlorothalonil et de la cycloxydime, 2) de mesurer de nombreuses données physico-chimiques (constantes de vitesse de réaction, rendements quantiques, durées de vie, caractéristiques spectrales des transitoires) et 3) de mettre au point un protocole expérimental permettant d'étudier la photochimie de molécules à l'état solide incluses dans des films de cire.

La phototransformation des matières actives à la surface des plantes après pulvérisation a une influence considérable sur l’efficacité des traitements. Dans ce travail, l’ensemble des réactions photochimiques se produisant sur des supports modèles des cires végétales dans des conditions proches des conditions environnementales ont été étudiées dans le cas d’un fongicide (le chlorothalonil) et d’un herbicide (la cycloxydime). Nous avons considéré les réactions photochimiques induites par l’absorption de lumière par les composés eux-mêmes et celles faisant intervenir des sensibilisateurs comme les métabolites secondaires des plantes. Dans chacun des cas, des études mécanistiques détaillées ont été conduites. Nous montrons que le chlorothalonil possède la capacité remarquable de produire de l’oxygène singulet avec un rendement quantique proche de l’unité. En parallèle, la réactivité de la cycloxydime avec l’oxygène singulet a été montrée. De ce fait, la phototransformation de la cycloxydime sur film de cire est accélérée lorsque des sensibilisateurs naturels, tels que les phytoalexines sont ajoutés à la cire, ou lorsque des traces de chlorothalonil sont présents à la surface du modèle foliaire. Ce travail a permis 1) de comprendre le mécanisme de phototransformation par excitation directe et sensibilisées du chlorothalonil et de la cycloxydime, 2) de mesurer de nombreuses données physico-chimiques (constantes de vitesse de réaction, rendements quantiques, durées de vie, caractéristiques spectrales des transitoires) et 3) de mettre au point un protocole expérimental permettant d’étudier la photochimie de molécules à l’état solide incluses dans des films de cire. / The phototransformation of active ingredients on plant surfaces after spraying has a significant impact on the treatment efficiency. In this work, the photochemical reactions taking place on leaf models and environmental conditions close to real ones have been overviewed for two pesticides: chlorothalonil and cycloxydim. We considered the photochemical reactions induced by light absorption by the compounds themselves and the reactions involving natural sensitizers such as plants secondary metabolites. Detailed mechanistic studies were conducted. We show that chlorothalonil has a noteworthy capacity to produce singlet oxygen with a quantum yield close to unity. Besides, the reactivity of cycloxydim towards singlet oxygen was demonstrated. Hence, the phototransformation of cycloxydim deposited on wax films is accelerated when natural sensitizers, such as phytoalexins, are included in the wax, or when chlorothalonil traces are present on the leaf model. This work allowed 1) to understand the mechanism of phototransformation by direct excitation and sensitization of chlorothalonil and cycloxydim, 2) to measure many physicochemical data (reaction rate constants, quantum yields, lifetime, spectral characteristics oft ransients and 3) to put in work an experimental protocol for the photochemical study of organic compounds in solid state and included in wax films.

Maîtriser l'impact des maladies sur les cultures est un défi majeur de l'agriculture moderne. Cette préoccupation est un aspect important de l'optimisation de la productivité, notamment en viticulture. En France, le mildiou de la vigne causé par Plasmopara viticola est une des maladies cryptogamiques responsable des épidémies les plus dévastatrices et les plus redoutées. Les traitements reposent sur l'utilisation préventive, systématique et onéreuse de composés chimiques antifongiques dont l'utilisation massive constitue un risque à la fois pour l'homme et l'environnement. La réduction de l'utilisation de fongicide implique le développement d'outils de diagnostic au champ, qui requiert la compréhension des interactions entre la plante et les agents pathogènes. Les travaux de cette thèse pluridisciplinaire ont porté sur le pathosystème Plasmopara viticola - Vitis vinifera, notamment pour répondre à l'intérêt croissant pour un outil de diagnostic en temps réel de la maladie utilisable au vignoble. Les stilbènes sont des phytoalexines impliqués dans la défense de certaines plantes supérieures vis-à-vis de stress biotiques et abiotiques. L'autofluorescence de ces composés phénoliques, dont la biosynthèse est induite dans les feuilles de vigne par P. viticola, en fait un potentiel marqueur naturel de l'infection. En effet, la faible autofluorescence bleu-verte des feuilles de vigne saines est considérablement renforcée par l'autofluorescence violet-bleue des stilbènes à la surface de feuilles de vigne infectée par P. viticola. Cette étude a montré que quelque soit le niveau de résistance du génotype, l'autofluorescence violet-bleue des stilbènes induit par l'infection est présente au niveau des parois des cellules de l'épiderme. En dehors de la concentration, la viscosité s'est révélé être la principale variable physico-chimique influençant l'intensité de l'autofluorescence des stilbènes dans les différents compartiments cellulaires des feuilles de vigne. Ceci explique la fluorescence intense des parois, particulièrement rigides, des cellules de garde (stomates) des feuilles infectées. Le suivi cinétique journalier a révélé la nature transitoire de l'autofluorescence des stilbènes lors de l'infection. La robustesse et l'intérêt de ce signal a également été validée par la mesure à différentes échelles (de la cellule à la feuille entière) et avec différentes méthodes fluorimétriques. Les résultats de ce travail ont permis des avancées sur la connaissance du rôle de composés phénoliques induits et constitutifs dans la défense contre P. viticola. En plus de la localisation de l'autofluorescence des stilbènes en surface des feuilles, la microscopie confocale couplée à la microspectrofluorimetrie a révélé différentes localisations de ces phytoalexines dans la profondeur des tissus en corrélation avec le niveau de résistance des génotypes. L'utilisation de l'autofluorescence des stilbènes comme marqueur de l'infection a permis de mettre en évidence : 1) le fait que les flavonols constitutifs des feuilles de V. vinifera retardent le développement de l'infection par P. viticola; et 2) le fait que les acides hydroxycinnamiques constitutifs ne semble pas participer à la défense contre P. viticola. Enfin, une nouvelle méthode de diagnostic non-destructive du mildiou sur feuille basée sur l'autofluorescence des stilbènes a été développée. Elle a montré une détection pré-symptomatique du mildiou sur les feuilles de vigne entières dès le premier jour après l'infection sur la face abaxiale et le troisième jour sur la face adaxiale. Cette méthode de diagnostic du mildiou a été validée au laboratoire notamment grâce à un prototype de capteur proximal développé en collaboration avec la société Force-A. La validation de la méthode au vignoble dans le cadre d'infection naturelle est la prochaine étape pour une utilisation de ce capteur optique dans le cadre de l'agriculture durable et de la sélection variétale.

La vigne est soumise à la pression de nombreux bioagresseurs dont des parasites obligatoires tels que l’oïdium et le mildiou. La lutte contre les maladies causées par les pathogènes biotrophes nécessite une utilisation souvent intensive de fongicides. Le vignoble consomme à lui seul 16% des fongicides commercialisés chaque année en France. Pour réduire leur impact environnemental qui conduit à l’acquisition de la résistance aux pesticides des pathogène et la présence de résidus dans les vins et dans l’atmosphère, des efforts doivent être entrepris pour développer des stratégies de protection innovante de remplacement ou complémentaire permettant de réduire les intrants pesticides.Les stimulateurs des défenses des plantes permettent de limiter le développement des bioagresseurs en conditions contrôlées. Toutefois, leurs efficacités in natura sont variables et souvent décevantes. Suite au grand nombre de produits potentiellement stimulateurs des défenses des plantes, et à l’intérêt que leur portent les viticulteurs, il est nécessaire de disposer de connaissances et d’outils qui permettent d’évaluer leus efficacités et mieux connaitre leurs potentiels de protection du vignoble. Pour ce faire, une méthode d’évaluation de l’efficacité de produits potentialisateurs ou éliciteurs a été développée au niveau biologique, moléculaire (expression de gènes impliqués dans les défenses) et biochimique (analyses qualitatives et quantitatives des polyphénols), nommée "BioMolChem". Cette méthode a permis d’évaluer l’efficacité de deux phosphonates et d’un analogue de l’acide salicylique, sur différents génotypes et phénotypes de mildiou de la vigne et d’oïdium. Cette approche méthodologique "BioMolChem" a permis d’établir des corrélations entre l’expression de gènes de défense, la présence de certains stilbènes et une efficacité des défenses de Vitis vinifera cv. Cabernet-Sauvignon vis-à-vis de l’oïdium et du mildiou. Les modifications des patrons d’expression des 19 gènes suivis dans les feuilles de vigne et les profils HPLC de polyphénols révèlent des mécanismes de défense multigéniques et complexes. Ainsi, les réactions de défense de la plante sont-elles modulées, en fonction de l’éliciteur considéré, mais aussi en fonction de la diversité phénotypique et génétique des agents pathogènes contre lesquels elle se défend. Ces défenses se caractérisent par une sur-expression d’un ensemble de gènes de défense et une accumulation de composés phénoliques spécifiques.Les marqueurs (gènes et molécules) ainsi identifiés, la méthode "BioMolChem" a été appliquée in natura et a conforté, pour partie, les résultats obtenus au laboratoire. Dans des conditions de fortes pressions parasitaires, il est donc possible de protéger les feuilles et les grappes, à l’aide de SDP et des essais d’association ou d’alternance avec des fongicides conventionnels montrent l’intérêt potentiel de l’emploi des SDP au vignoble. Chemin faisant, dans le cadre d’une viticulture innovante et durable, les SDP et la méthode "BioMolChem" ont été appliqués sur des génotypes hybrides (Vitis vinifera x Muscadinia rotundifolia). Nous révélons que selon le niveau de résistance intrinsèque des génotypes (plus ou moins résistants à l’oïdium et au mildiou), il est possible d’augmenter le niveau de la résistance exprimée par élicitation. Ainsi, les SDP pourraient-ils s’avérer des alliés d’intérêt pour l’utilisation de variétés partiellement résistantes et limiter potentiellement le contournement des QTL de résistance. L’ensemble de ce travail, à but appliqué, a conduit à l’obtention de résultats qui nous permettent de mieux comprendre comment la vigne réagit aux SDP dans son environnement agronomique. Leur exploitation et leur finalisation devraient nous permettre d’exploiter et de mettre en place une utilisation des éliciteurs mieux adaptée, à des stratégies alternatives ou complémentaires de la gestion des bioagresseurs de la vigne. / Powdery (Erysiphe necator) and downy mildew (Plasmopara viticola) are very important grapevine diseases (Vitis vinifera). These two biotrophic pathogens, which are native to the United States, infect green vine tissues and cause significant economic loss as well as environmental damage through the repetitive applications of fungicides. To reduce their environmental impact efforts should be made to develop strategies to protect innovative alternative or complementary to reduce pesticide inputs.In this study, the efficacy and the role of Benzothiadiazole (BTH), a salicylic acid analogue, and two phosphonate derivatives strengthen plant defence mechanisms against various isolates of downy and powdery mildews (Plasmopara viticola and Erysiphe necator). These compounds showed differences in their efficacy depending on the variability of mildews and highly dependent on plant genetics, environmental conditions and selection pressure. The plant defense stimulation could be an alternative or additional method to traditional pest management in the grapevine.Tools “BioMolChem” were developed to better assess the defence status of the plant defences in vitro and in natura. Transcript kinetics of selected defence-related genes and polyphenol contents profiles, during Vitis vinifera-biotrophic pathogen interaction, were characterized, and the impact of pathogen diversity was investigated in the absence or presence of elicitation. In vineyard, under strong pathogen pressures, it is thus possible to protect leaves and clusters, with SDP and assays of association or alternation with conventional fungicides show the potential interest of the use of these SDP in the vineyard.The grapevine defense mechanisms are complex, depending on the elicitor, leading to the coordinated accumulation of pathogenesis-related proteins (PR), the production of phytoalexins, and the reinforcement of plant cell walls.On the way, within the framework of an innovative and sustainable viticulture, the SDP was applied to hybrid genotypes (V. vinifera x M. rotundifolia). We reveal that according to the level of intrinsic resistance of the genotypes (more or less resistant to powdery and to downy mildew), it is possible to increase the level of the expressed resistance. The SDP could become allies of interest in the use of partially resistant grapevine varieties.The present findings provide insights into the potential use of transcripts and stilbenes as markers of the defense status of grapevine leaves with or without elicitation or infection, which should allow us to exploit and develop a better use of elicitors in alternative or complementary strategies in grapevine pest management.

Maîtriser l’impact des maladies sur les cultures est un défi majeur de l’agriculture moderne. Cette préoccupation est un aspect important de l’optimisation de la productivité, notamment en viticulture. En France, le mildiou de la vigne causé par Plasmopara viticola est une des maladies cryptogamiques responsable des épidémies les plus dévastatrices et les plus redoutées. Les traitements reposent sur l’utilisation préventive, systématique et onéreuse de composés chimiques antifongiques dont l’utilisation massive constitue un risque à la fois pour l’homme et l’environnement. La réduction de l’utilisation de fongicide implique le développement d’outils de diagnostic au champ, qui requiert la compréhension des interactions entre la plante et les agents pathogènes. Les travaux de cette thèse pluridisciplinaire ont porté sur le pathosystème Plasmopara viticola - Vitis vinifera, notamment pour répondre à l’intérêt croissant pour un outil de diagnostic en temps réel de la maladie utilisable au vignoble. Les stilbènes sont des phytoalexines impliqués dans la défense de certaines plantes supérieures vis-à-vis de stress biotiques et abiotiques. L’autofluorescence de ces composés phénoliques, dont la biosynthèse est induite dans les feuilles de vigne par P. viticola, en fait un potentiel marqueur naturel de l’infection. En effet, la faible autofluorescence bleu-verte des feuilles de vigne saines est considérablement renforcée par l’autofluorescence violet-bleue des stilbènes à la surface de feuilles de vigne infectée par P. viticola. Cette étude a montré que quelque soit le niveau de résistance du génotype, l’autofluorescence violet-bleue des stilbènes induit par l’infection est présente au niveau des parois des cellules de l’épiderme. En dehors de la concentration, la viscosité s’est révélé être la principale variable physico-chimique influençant l’intensité de l’autofluorescence des stilbènes dans les différents compartiments cellulaires des feuilles de vigne. Ceci explique la fluorescence intense des parois, particulièrement rigides, des cellules de garde (stomates) des feuilles infectées. Le suivi cinétique journalier a révélé la nature transitoire de l’autofluorescence des stilbènes lors de l’infection. La robustesse et l’intérêt de ce signal a également été validée par la mesure à différentes échelles (de la cellule à la feuille entière) et avec différentes méthodes fluorimétriques. Les résultats de ce travail ont permis des avancées sur la connaissance du rôle de composés phénoliques induits et constitutifs dans la défense contre P. viticola. En plus de la localisation de l’autofluorescence des stilbènes en surface des feuilles, la microscopie confocale couplée à la microspectrofluorimetrie a révélé différentes localisations de ces phytoalexines dans la profondeur des tissus en corrélation avec le niveau de résistance des génotypes. L’utilisation de l’autofluorescence des stilbènes comme marqueur de l’infection a permis de mettre en évidence : 1) le fait que les flavonols constitutifs des feuilles de V. vinifera retardent le développement de l’infection par P. viticola; et 2) le fait que les acides hydroxycinnamiques constitutifs ne semble pas participer à la défense contre P. viticola. Enfin, une nouvelle méthode de diagnostic non-destructive du mildiou sur feuille basée sur l’autofluorescence des stilbènes a été développée. Elle a montré une détection pré-symptomatique du mildiou sur les feuilles de vigne entières dès le premier jour après l’infection sur la face abaxiale et le troisième jour sur la face adaxiale. Cette méthode de diagnostic du mildiou a été validée au laboratoire notamment grâce à un prototype de capteur proximal développé en collaboration avec la société Force-A. La validation de la méthode au vignoble dans le cadre d’infection naturelle est la prochaine étape pour une utilisation de ce capteur optique dans le cadre de l’agriculture durable et de la sélection variétale. / Controlling the impact of diseases on crops is a major challenge of modern agriculture. This concern is an important aspect of optimizing productivity, notably in viticulture. In France, downy mildew caused by Plasmopara viticola is a fungal disease responsible for the most devastating epidemics. The preventive and systematic treatments are expensive, while the massive use of antifungal chemicals is a risk to both humans and the environment. Reducing the use of fungicide involves the development of diagnostic tools in the field, which requires understanding the interactions between plants and pathogens. The work of this multidisciplinary thesis focused on the pathosystem Plasmopara viticola - Vitis vinifera, especially to meet the growing interest in a real-time diagnostic tool of disease applicable in the vineyard. Stilbenes are phytoalexins involved in the defense of certain higher plants against biotic and abiotic stresses. The autofluorescence of these phenolic compounds, whose biosynthesis is induced in grapevine leaves by P. viticola, makes it a potential marker of natural infection. Indeed, the low blue-green autofluorescence of grapevine leaves is greatly enhanced by the violet-blue autofluorescence of stilbenes on the surface of leaves infected by P. viticola. This study showed that whatever the level of resistance in various genotypes, violet-blue autofluorescence induced by stilbene is present in the walls of epidermal cells. In addition to their concentration, viscosity proved the main physico-chemical variable affecting the intensity of the autofluorescence of stilbenes in different compartments of vine leaves. This explains the intense fluorescence of the walls, particularly rigid, of guard cells (stomata) of infected leaves. Daily monitoring revealed a kinetic with a transient rise of the autofluorescence of stilbenes during infection. The robustness and value of this signal was also validated by measuring at different levels (cellular to whole leaf) and with various fluorimetric methods (imaging, spectroscopy, proximal sensing). These results advance our understanding of the role of constitutive and induced phenolic compounds in plant defence against P. viticola. In addition to a common location of the autofluorescence of stilbenes on the leaf surface, confocal microscopy coupled with microspectrofluorometry revealed distinctive localizations of these phytoalexins in the deep tissue correlated with the level of resistance in genotypes. This aspect no doubt needs broader testing. The use of autofluorescence of stilbene as a marker of infection allowed us to ascertain that: 1) constitutive flavonols of the leaves of V. vinifera retard the development of infection by P. viticola and 2) the constitutive hydroxycinnamic acids do not seem to participate in the defence against P. viticola. Finally, a new method for the non-destructive diagnosis of leaf infection based on the autofluorescence of stilbenes has been developed. We have demonstrated a pre-symptomatic detection of downy mildew on whole grape leaves from the first day after infection on the abaxial surface and from the third day on the adaxial surface. This method of diagnosis has been validated in the laboratory thanks to a proximal sensor prototype developed in collaboration with the company Force-A. The validation of the method in the vineyard in a context of natural infections is the next step for use of this optical sensor as a tool for sustainable agriculture and for genetic screening.