Effet d'éliciteurs sélectionnés sur le métabolisme primaire et secondaire de la vigne (Vitis vinifera) : focus sur les stilbènes et les triterpénoïdes

Effect of selected elicitors on grapevine (Vitis vinifera) primary and secondary metabolism : focus on stilbenes and triterpenoids

• Auteur / Autrice : Aleksandra Burdziej
• Direction : Stéphanie Cluzet, Anna Szakiel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Œnologie
• Date : Soutenance le 17/12/2020
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec Uniwersytet Warszawski
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Bordeaux)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de recherche oenologie
• Jury : Président / Présidente : Maciej Garstka
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphanie Cluzet, Anna Szakiel, Ireneusz Kapusta, Benoît Poinssot, Laurence Geny-Denis, Ewa Świeżewska, Bernard Dumas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ireneusz Kapusta, Benoît Poinssot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résistance aux pesticides

Phosphonates

Mildiou de la vigne

Viticulture biologique

Mots clés libres

Vitis spp.

Stimulateurs de défense des plantes

Benzothiadiazole

Jasmonate de méthyle

Phosphonates

Mildiou

Vitis spp.

Plant defense stimulators

Benzothiadiazole

Methyl jasmonate

Phosphonates

Downy mildew

Résumé

Dans le cadre de la promotion d'une viticulture durable, le développement d'alternatives écologiques à l’utilisation de pesticides de synthèse pour le contrôle des maladies de la vigne (Vitis vinifera) gagne en importance. Une des méthodes de bio-contrôle proposée est l'induction de l'immunité des plantes par l’application de substances biodégradables, non toxiques pour la santé et l'environnement, appelées éliciteurs ou stimulateurs de défense des plantes (SDP). La résistance conférée contre divers agents pathogènes peut être obtenue grâce à l’emploi de molécules utilisant le plus fréquemment les voies de signalisation de l'acide jasmonique (JA), de l'acide salicylique (SA) et/ou de l'éthylène (ET). De telles voies peuvent déclencher l'induction de gènes liés à la défense tels ceux codant des enzymes responsables de la biosynthèse des stilbènes, des métabolites phénoliques antimicrobiens parmi les plus importants des Vitacées. Au vignoble, pour contrôler les maladies, les éliciteurs peuvent être appliqués en complément des pesticides de synthèse et non en remplacement total car leur efficacité est souvent variable selon les agents pathogènes et les conditions environnementales. Afin de développer leur utilisation, des études supplémentaires qui pourraient notamment élucider leur mécanisme d'action sont nécessaires. L’objectif de cette thèse était d'étudier les réponses de la vigne à des éliciteurs de différents modes d'action, comme le jasmonate de méthyle (MeJA), impliqué dans la voie de signalisation du JA, l’acide S-méthyl ester 2,1,3-benzothiadiazole-7-carbothioïque (BTH), un analogue synthétique du SA, des phosphonates (PHOS), molécules à double action stimulateur-fongicide. Le profil des stéroïdes et des triterpénoïdes pentacycliques a été caractérisé par des analyses en chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (GC-MS). Dans un premier temps, l'effet éliciteur du MeJA a été évalué dans des suspensions cellulaires (in vitro) de plusieurs cultivars de V. vinifera. Une surproduction de triterpénoïdes pentacycliques a été observée avec des différences selon la variété considérée : induction de l’accumulation de la bétuline et de l'acide oléanolique ou des phytostérols pour le Petit Verdot, le Gamay Teinturier) et le Cabernet Sauvignon, respectivement. Puis les élicitations ont été effectuées au niveau des feuilles de boutures de serre de V. vinifera cv. Cabernet Sauvignon. Un effet stimulant sur les triterpénoïdes pentacycliques liés à la défense a été démontré au détriment de la biosynthèse des stérols, composants structurels essentiels des membranes cellulaires. Par l’utilisation de puces NeoVigen et la chromatographie liquide à ultra haute performance couplée à la spectrométrie de masse (UHPLC-MS), l’induction de l’expression de gènes liés à la défense et l'accumulation de polyphénols (stilbènes, flavanols et flavonols) ont été notées suite aux trois traitements éliciteurs. La protection de la vigne conférée par les éliciteurs a été confirmée par des biotests sur disques foliaires inoculés par l’oomycète biotrophe Plasmopara viticola, l’agent responsable du mildiou. Par ailleurs, il est important d’avoir connaissance de l’impact des éliciteurs sur le métabolisme général afin d'obtenir l’effet optimal entre croissance, rendement et défense. Ainsi, une approche métabolomique utilisant la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire du proton (RMN 1H) a été menée. Une reprogrammation similaire et/ou spécifique selon l'éliciteur considéré a été notée en particulier au niveau des glucides, des acides aminés et de certains intermédiaires du cycle de Krebs. Les recherches présentées dans cette thèse, démontrent que la compréhension approfondie de l'interaction entre l'éliciteur, les réponses moléculaires et métaboliques de la plante et le pathogène, est cruciale pour le développement de stratégies de protection efficaces basées sur l'utilisation des SDP pour contrôler les maladies de la vigne.

In the frame of promoting sustainable vitiviniculture, the development of eco-friendly alternatives to synthetic chemical products for phytosanitary treatments against grapevine (Vitis vinifera) pests is gaining importance. One of the bio-control methods that can be proposed is the induction of plant immunity by using elicitors, also called plant defense stimulators (PDS), as these substances are biodegradable and, non-toxic to health and environment. A conferred resistance against various pathogens can be obtained with natural molecules acting most frequently through jasmonic acid (JA), salicylic acid (SA), and/or ethylene (ET) signaling pathways. These pathways are involved in the induction of defense-related genes such as those encoding enzymes responsible for the biosynthesis of stilbenes, which are the most important polyphenolic antimicrobial metabolites (phytoalexins) in Vitaceae. For vineyard protection, PDS can be applied as a complement for pesticides and not as a full replacement since their effectiveness is often variable according to pathogens and environmental conditions. In order to develop the strategies based on PDS use, more studies which could elucidate their mechanism of action are needed. The aim of this thesis was to examine the responses of grapevine to elicitors of different mode of action, as methyl jasmonate (MeJA), implicated in JA signaling pathway, 2,1,3-benzothiadiazole-7-carbothioic acid S-methyl ester (BTH), a synthetic analogue of SA, and phosphonates (PHOS), molecules of a double stimulator-fungicide action. Due to scarce information about steroids and pentacyclic triterpenoids in grapevine, their profile after PDS treatment were characterized in different grapevine experimental models using gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) analyses. Firstly, the effect of elicitation with MeJA was evaluated in cell suspension cultures (in vitro) of V. vinifera. An overproduction of bioactive pentacyclic triterpenoids occurred with differences according to the cultivar studied, i.e., acumulation of betulin and oleanolic acid or phytosterols was noted in respectively Petit Verdot, Gamay Teinturier and Cabernet Sauvignon cell suspension cultures. Then, elicitations were effectuated on the leaves of V. vinifera cv. Cabernet Sauvignon greenhouse cuttings. A stimulatory effect on the potentially defense-related pentacyclic triterpenoids at the expense of the biosynthesis of sterols, which are essential structural components of cell membranes, was shown. By the use of NeoVigen microarrays, and ultra-performance liquid chromatography-mass spectrometry (UHPLC-MS), the accumulation of defense-related transcripts and polyphenols (stilbenes, flavanols and flavonols) were noted after the three elicitors treatments. Grapevine protection conferred by these elicitors was confirmed on foliar discs against the biotrophic oomycete Plasmopara viticola, the causal agent of downy mildew. Furthermore, the impact of PDS on primary metabolism should be evaluated in order to ensure, in the longer term, the best trade-off between growth, yield and defense. Thus, a thorough metabolomic approach using proton nuclear magnetic resonance spectroscopy (1H-NMR) was performed. A reprogramming similar and/or specific to the elicitor applied was noted, particularly within carbohydrates, amino acids, and some of the Krebs cycle intermediates. The research presented in the current dissertation revealed that the thorough comprehension of the interaction between elicitor, plant molecular and metabolic responses and pathogen, is crucial for the development of effective protection strategies based on the use of PDS for grapevine diseases control.