« Conception et mise en oeuvre d'une lampe innovante à diode électroluminescentes (LEDs) UVC, destinée aux nouveaux traitements des maladies fongiques des plantes. Analyse de l'effet stimulant sur les défenses par la lumière UVC, complété par l'emploi d'une molécule issue de l'éco-extraction. »

par Wail Sabbani

Projet de thèse en Électronique

Sous la direction de Bernard Orsal et de Laurent Urban.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de I2S - Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec IES - Institut d'Electronique et des Systèmes (laboratoire) et de Département Photonique et Ondes (equipe de recherche) depuis le 01-03-2019 .


  • Résumé

    CONTEXTE (stratégie scientifique de la tutelle, nouvel axe de recherche, etc) : L'objet de ce travail consiste en la mise en œuvre de nouvelle source de lumière UVC dans une perspective de stimulation des défenses naturelles des plantes. L'idée est de mettre en œuvre des facteurs purement physiques (optiques). Celle-ci est par ailleurs une solution complémentaire idéale puisque très aisément combinable avec les approches écologiques existantes. Le développement de ce type de méthodes alternatives permettant la réduction voire une suppression du recours aux produits phytosanitaires tout en maintenant la productivité agricole et les résultats économiques des exploitations agricoles, est un défi de très grande ampleur dans le contexte de la mise en place du plan EcoPhyto 2 (plan national de réduction des pesticides). Au travers du plan ECOPHYTO, un effort national a été entrepris pour réduire l'utilisation des fongicides, insecticides et herbicides, et leur trouver des alternatives plus écologiques. Ce projet vise à développer des solutions alternatives ou complémentaires aux pesticides (permettant de diminuer leur utilisation), crédibles et qui contribuent à la sécurité alimentaire dans un contexte de pression croissante des ravageurs et des maladies. Les stimulants des défenses des plantes (réactions) sont en augmentation mais leur développement est limité par une efficacité incohérente, comme une conséquence, entre autres, des problèmes de formulation et de stabilité des conditions du terrain. Les solutions de bio-contrôle souffrent également d'une image de manque d'efficacité et de coût prohibitif par rapport au marché cible. Ces coûts sont en grande partie dus à de faibles rendements d'extraction mais aussi à l'utilisation de solvants chimiques qui augmentent les coûts de production et sont néfastes pour l'environnement. Les stimulants physiques ne présentent pas ces inconvénients et ont l'avantage supplémentaire de pouvoir être facilement combinés avec d'autres méthodes de traitement existantes, chimiques ou biologiques. Nous proposons ici de mettre spécifiquement l'accent sur la lumière UV-C sous la forme d'illuminations de courte durée / haut flux lumineux. De telles illuminations permettent des traitements courts, bien contrôlés, plus ou moins insensibles aux conditions climatiques régnant au moment des traitements. Notre proposition d'utilisation de la lumière UV-C en tant que stimulant est originale car il existe très peu de références sur les effets biologiques de ces rayonnements, si l'on exclut les effets germicides (Urban et al., 2016). Des observations préliminaires, réalisées par des équipes de l'UMR Qualisud (Urban et al., 2016) et de l'Institut d'Électronique et des Systèmes (IES, Orsal et al., 2015), sur des plantes pour lesquelles seuls quelques cm2 de surface foliaire sont exposés à la lumière UV-C AVANT l'inoculation, ont montré d'excellentes efficacités (-72% de surfaces nécrotiques pour Botrytis / tomate après 4 jours, -70% pour Phytophthora / poivre après 4 jours, -88% pour Plasmopara / Vitis après 12 jours ...), avec le bonus supplémentaire des effet systémiques généralement démontrés (Ouhibi et al., 2014, 2015, Urban et al., 2015). De façon évidente, les observations supplémentaires faites en utilisant la lumière pulsée avec des lampes à LEDs spécialement conçues et réalisées à cet effet montrent que les flashs de durée 1s voire inférieure sont nettement plus efficaces que les éclairements de 1mn pour une dose identique (0,1 J / m2) et à une longueur d'onde donnée de 265nm par exemple. Néanmoins les plantes se protègent des bactéries, des champignons et des insectes à l'aide de composés phénoliques répulsifs ou toxiques pour ces bioagresseurs. Afin de compléter les effets dus à la lumière pulsée avec l'aide d'extraits de ces composés naturels de plantes abondamment consommés par l'homme, nous recherchons à constituer des films en surface des fruits et légumes pour prévenir de l'attaque des champignons et des bactéries. Ce procédé serait plus spécialement utilisé pour traiter les fruits et les légumes en post-récolte et permettre leur plus longue conservation. Avec son produit de traitement biologique :Antoférine, Antofénol obtient de très bons rendements in vitro et in vivo contre Botrytis cinerea avec 100% d'inhibition de la croissance mais aussi contre d'autres pathogènes comme Fusarium culmorum, Byssochlamys nivea, Gibberella zeae et Necteria galigena avec 100% d'inhibition de la croissance in vitro. Aujourd'hui nous connaissons les différentes molécules responsables de cette inhibition et un premier brevet a été déposé sur le processus d'éco-extraction pour les obtenir. METHODE: Concrètement, le développement du rayonnement UVC et des flashs pour susciter les défenses naturelles des plantes, initier la photo-polymérisation radicalaire des composés phénoliques végétaux afin d'éradiquer les maladies est conditionné par: 1) la conception et la réalisation de lampes capables de délivrer la dose de lumière UV contrôlée en longueur d'onde, continue ou pulsée sur des surfaces végétales comprises entre 1 et 5 cm2 (objectif 1); 2) l'optimisation de la composition phénolique des extraits végétaux afin de favoriser leur polymérisation par la lumière UV et les flashs (Objectif 2). 3) l'élimination des spores et des champignons par un traitement par Antoférine, biocontrôle issu de l'extraction Antofénol eco en complément du traitement UV (Objectif 3). L'objectif 1 est de concevoir et réaliser de nouvelles lampes, encore plus performantes que celles déjà existantes, basées sur des LEDs UV-C alimentées par la technologie de commutation d'alimentation et exploitant l'effet de superluminescence que nous avons découvert récemment à 265nm. Nous avons choisi la technologie LED à 265 nm pour atteindre l'objectif 1. Les LED UV-C sont toujours chères mais leur prix décroît rapidement. La question de l'efficacité lumineuse des LED UV-C est centrale dans notre approche car elle détermine notre capacité à atteindre des niveaux élevés de flux radiants dans le domaine UV-C plusieurs dizaines de mW/ cm2, soit sous forme d'éclairs ultra-courts ou de lumière continue. Actuellement, nous pouvons capitaliser non seulement sur nos prototypes existants et sur l'expérience que nous avons acquise en les concevant et en les utilisant, mais aussi sur la découverte que nous avons faite de la superluminescence à 265 nm. La superluminescence a été décrite dans les LED pour la première fois en 2012, dans le matériau semi-conducteur AlGaN (450 nm) (Kopp et al., 2012). La superluminescence est générée par l'inversion de la population électronique lorsque le courant est injecté dans la jonction émettrice. Lorsque la puissance est fournie avec une modulation adéquate, la superluminescence peut être utilisée pour générer des impulsions optiques brèves et très puissantes à 265 nm (Orsal et al., 2016). Nous faisons clairement l'hypothèse que les nouvelles lampes seront plus performantes que celles existantes. Le rayonnement initiateur de la polymérisation (UVC ou UVB) sera étudié et caractérisé sur un banc optique afin de modéliser la photopolymérisation radicalaire des composés phénoliques végétaux, prédire la dose De (J/ cm2) à appliquer, l'irradiance Dp (W/ cm2 ) et la durée d'exposition T. La courbe d'efficacité de polymérisation en fonction de la longueur d'onde et de la dose De sera aussi établie. La cinétique de photo-polymérisation sera suivie grâce à la déformation de la signature ATR-FTIR et de la signature RAMAN sur lame de verre (Mondal et al., 2018), la variation d'hydrophobie de la surface (mesure d'angle de goutte). L'épaisseur de polymérisation sera mesurée par AFM. La caractérisation biochimique de la surface se fera principalement par spectrophotométrie Maldi-TOF. L'analyse haute résolution du carbone en XSP (X-Ray Photoelectron Spectrometry) permettra d'observer les noyaux phénoliques. Le 2ème objectif de thèse consiste tout d'abord à optimiser la composition phénolique des extraits végétaux afin de favoriser leur polymérisation. Une prospection des agents de polymérisation naturels et non toxiques sera engagée. Les oligomères des flavanes-3-ols, de l'acide gallique ou encore des stilbènes présentent une efficacité antibactérienne et antifongique accrue comparée aux monomères (Fujimoto et al. 2010 ; Di Gennaro et al., 2018). C'est pourquoi des oxydations contrôlées des composés extraits seront conduites pour augmenter l'activité biologique de ces extraits. La caractérisation des produits d'oxydation sera réalisée par spectrométrie de masse. Il sera alors possible de définir les principaux paramètres thermodynamiques associés à la photo-polymérisation (énergie d'activation apparente, enthalpie, entropie) et l'influence de l'acidité du milieu, de la concentration en monomère, de l'abondance des cations métalliques (fer, cuivre…) sur la vitesse initiale de polymérisation. Nous avons déjà développé pour notre projet des prototypes de lampes de recherche exclusifs, utilisant des LED UV-C, qui permettent de contrôler très précisément les doses et les flux radiants, tout en maintenant les longueurs d'onde inchangées. Les lampes existantes seront utilisées dès le début dès le début de cette thèse pour les expériences de polymérisation mais nous pouvons les remplacer par les nouvelles lampes conçues pour être mises en œuvre à d'autres longueurs d'onde si nécessaire : UV ou rayonnements visible voire infrarouge, dès qu'elles seront disponibles (objectif 1, voir ci-dessous). Enfin, des tests biologiques seront mis au point pour évaluer l'efficacité des extraits en fonction de leur composition, de leur mode d'oxydation préalable, puis de leur polymérisation radicalaire. Ces tests seront conçus pour pratiquer la polymérisation sur banc optique, puis permettre une quantification de la croissance de champignons ou de colonies bactériennes. Ils pourront alors être transposés à une polymérisation sous lampes UV déjà commercialisées. Objectif 3 : En complément du traitement UV-C, afin de proposer aux agriculteurs une solution globale du cadre de gestion de la pression des pathogènes, Antofénol propose de tester sur les cibles fongiques sélectionnées in vitro et in vivo, sa solution de bio-contrôle, Antoférine. En effet, il a déjà été démontré que les molécules extraites du sous-produit du vin ont une forte action antifongique sur Plasmopara viticola (Pezet et al., 2004).

  • Titre traduit

    « Design and placement of a innovating lamp with diode electroluminescent (LEDs) UVC intended for the new treatments of the fungic plant diseases. Analysis of the effect stimulating on defenses by light UVC supplemented by the use of a molecule res


  • Résumé

    We need to develop solutions alternative or complementary to pesticides (allowing to decrease their use), that are credible and that contribute to food security in a context of increasing pressure of pests and diseases. Stimulators of plant defences (elicitors) are on the rise but their development is limited by inconsistent efficiency, as a consequence, among others, of problems of formulation and stability in field conditions. Physical elicitors do not present these drawbacks and have the additional advantage that they can be easily combined with other existing methods of treatment, either chemical or biological. We propose here to specifically focus on UV-C light under the form of short duration/high radiant flux illuminations. Such illuminations allow for short, well-controlled treatments, more or less insensitive to the climatic conditions prevailing at the time of treatments. Our proposal for using UV-C light as an elicitor is an original one since there are very few references about the biological effects of these radiations, if we exclude the germicidal effects (Urban et al. 2016). Preliminary observations, made by teams of UMR Qualisud (Urban et al. 2016) and of the Institut d'Electronique et des Systèmes (IES, Orsal et al 2015), on plants for which only few cm2 of leaf surface were exposed to UV-C light BEFORE inoculation, showed excellent efficiencies (-72% necrotic surfaces for Botrytis/tomato after 4d, -70% for Phytophthora/pepper after 4d, -88% for Plasmopara/Vitis after 12d…), with the additional bonus of generally marked systemic effects (Ouhibi et al. 2014, 2015; Urban et al. 2015). Strikingly, our observations made with LEDs-based lamps, specifically designed and realized for that purpose, show that 1s illuminations are substantially more effective than 1mn illuminations at a given dose (J/m2) and at a given wavelength, 265nm for instance. Additional observations made by using pulsed light suggest that it would be even more effective to use flashes of much less than 1s.