UPThèses

La répartition des sucres requiert l'activité de transporteurs membranaires et représente une étape cruciale dans la réponse de la plante au déficit hydrique. Les séquences de 63 transporteurs de sucres ont été identifiées chez la Vigne. L'analyse in silico a identifié 7 sous familles de tranporteurs de monosaccharides et plusieurs élements cis de régulation dans les promoteurs. L'analyse d'expression par macroarray a permis d'identifier 4 gènes de transporteurs fortement exprimés dans tous les organes végétatifs (VvHT1, VvHT3, VvPMT5, VvSUC27), d'autres préférentiellement exprimés dans les feuilles matures (VvHT5), les racines (VvHT2) et les pépins (VvHT3, VvHT5) et 3 régulés au cours du développement de la baie (VvHT2, VvTMT1, VvTMT2). L'analyse par macroarray révèle que l'expression de VvHT5, VvSUC11, VvGIN2 et VvMSA est induite dans les feuilles matures, en réponse au déficit hydrique alors que l'expression de VvHT1 est inhibée. La carence en eau déclenche l'accumulation de glucose, fructose et saccharose dans les feuilles matures de Vigne. Le gène VvMSA a été surexprimé ou réprimé dans des cellules embryogènes de Vigne génétiquement modifiées. La répression de VvMSA diminue l'activité d'absorption du glucose et l'expression de VvHT1. Le phénotype des vitroplants régénérés ainsi que l'expression de VvHT1 et VvMSA ont été étudiés en condition in vitro et ex vitro. Les résultats obtenus suggèrent la présence d'une voie de régulation de l'expression du gène VvHT5 par le fructose. Un modèle de la signalisation glucidique dans l'expression du gène VvHT1 est proposé, comprenant une voie de régulation par les disaccharides et deux par le glucose, un VvMSA-dépendant et un VvMSA-indépendant.

La caractérisation des réponses des plantes à la sécheresse est un enjeu actuel majeur. La gestion du carbone dans l’adaptation des végétaux aux contraintes environnementales requiert l’activité de transporteurs de monosaccharides ERD6-like (Early Response to Dehydration six-like), transporteurs impliqués dans la compartimentation subcellulaire des sucres et leur remobilisation à l’échelle de l’organisme. Le premier axe de la thèse a été dédié à l’analyse phylogénétique des ERD6-like par une approche de génomique évolutive. L’identification de 519 ERD6-like dans les protéomes de 47 Embryophytes a permis de reconstituer l’histoire évolutive de cette famille en mettant en exergue des événements majeurs de duplications. Le second axe a permis d’établir la cartographie de l’expression des ERD6-like dans les différents organes d’Arabidopsis thaliana et a mené à l’identification de gènes exprimés de façon constitutive dans tous les organes, et d’autres, manifestant une expression préférentielle. Le troisième axe a permis d’étudier la réponse des ERD6-like à la carence en eau, dans les feuilles d’A. thaliana. Pour cela, le phénotypage morphologique, biochimique et physiologique des rosettes de plantes cultivées en conditions normales d’alimentation hydrique ou de stress hydrique a été réalisé. Le profil d’expression des AtERD6-like au cours de la cinétique de carence en eau a mis en évidence l’induction de quatre AtERD6-like en réponse au déficit hydrique. L’analyse de simples mutants pour ces gènes, a permis d’initier l’étude de la diversification fonctionnelle des ERD6-like d’A. thaliana.

L'accroissement de la population mondiale et le besoin en protéines d'origine végétale ressenti dans le secteur de la nutrition humaine et animale mettent en avant la nécessité de développer de nouvelles méthodes de production de protéines non animales ayant des vertus nutritives et des procédés de production économiques et écoresponsables. Galdieria sulphuraria est une microalgue pouvant être cultivée en bioréacteur de type industriel et sa composition intracellulaire riche en acides aminés essentiels et phycocyanine en fait une source protéique d'intérêt. Cette espèce a la capacité d'utiliser de nombreux substrats carbonés. La consommation de lactose et d'autres sources de carbone organique présentes dans les coproduits d'industrie laitière n'a pas encore été étudiée ni exploitée. La valorisation du lactosérum ou des perméats lactés est l'une des préoccupations environnementales majeures de l'industrie laitière de nos jours, en particulier le lactosérum acide difficile à traiter à cause de ses fortes teneurs en acides organiques. L'objectif de ce travail est de développer un modèle de fermentation industrialisable permettant l'utilisation de ces sous-produits laitiers pour la production de biomasse micro-algale à valeur ajoutée. Ce travail démontre la capacité de G. sulphuraria à consommer 100% du lactose et la majorité des acides organiques présents dans le perméat de lait et à diminuer sa DCO (Demande chimique en oxygène) de 90% au cours du procédé de production. Le procédé de culture en mode chémostat a permis d'atteindre des performances de croissance de 1g/L/h de biomasse sèche avec une production de 0,45-0,5g/L/h de protéines et 25-35mg/L/h de phycocyanine. La caractérisation des systèmes de transport cellulaire de sucres chez G. sulphuraria suggère que le lactose serait absorbé par un système de co-transport sucre/H+ à faible affinité et capable de transporter plus efficacement le glucose et le galactose. Une analyse de l'expression différentielle des gènes en fonction des conditions de culture a révélé que des gènes codant des transporteurs de sucres et des enzymes du métabolisme carboné sont surexprimés en présence de perméat de lait. De même, l'expression de gènes responsables de la production de phycocyanine est induite en mixotrophie et dans un variant producteur de phycocyanine en hétérotrophie. Enfin, l'analyse des propriétés nutritionnelles de la biomasse de G. sulphuraria montre une teneur importante en acides aminés essentiels et une digestibilité des protéines de 92,2% donnant un PDCAAS (Score des Acides Aminés Corrigé en fonction de la Digestibilité des Protéines) de 0,9. Ce produit est également riche en vitamines, fer et magnésium et a des propriétés antioxydantes prouvées in vitro.

Le déficit hydrique est l'un des facteurs abiotiques les plus importants, qui affecte gravement la croissance et le développement des plantes ainsi que le rendement des cultures. Chez Arabidopsis thaliana, les transporteurs de monosaccharides ESL (Early response to dehydration Six-Like) forment l'une des plus grandes sous-familles de transporteurs de sucre, cependant leurs fonctions biologiques ne sont pas encore élucidées. Notre analyse phylogénétique a révélé l'émergence de cette famille de gènes chez les Streptophytes, leur répartition en trois principaux groupes (ESL1, ESL2 et ESL3) ainsi que leur diversification qui est étroitement liée à l'évolution des plantes terrestres. Dans le but d'élucider la diversité fonctionnelle des AtESL dans le développement des plantes et leurs réponses aux stress abiotiques, le phénotypage de plantes sauvages Col-0 et mutantes esl a été effectué aux niveaux morphologique, physiologique, biochimique et moléculaire, dans des conditions d'arrosage et de carence en eau. Le profil d'expression des gènes ESL, en réponse au déficit en eau, a révélé l’induction de quatre d’entre eux et la répression de huit autres gènes. Afin de comprendre les rôles des transporteurs ESL induits par la carence en eau, quatre simples mutants d'insertion T-DNA ont été identifiés et caractérisés. L’absence de phénotypes marquants pour ces simples mutants, nous a conduit à créer par croisements génétiques dans différentes combinaisons, trois doubles et deux triples mutants esl. Grace à des tests de germination de graines des simples, doubles et triples mutants esl, nous avons fourni des preuves de leur sensibilité/résistance différentielle à la germination à l'ABA, au glucose, à la salinité et au froid. Pour mieux comprendre l'activité de transport de sucres de AtESL3.5 et de AtESL3.3, nous avons réalisé une expression hétérologue dans S. cerevisiae, ainsi que des essais de transport de sucres sur des vacuoles isolées de la plante. Finalement, en utilisant des constructions de fusion de protéines avec deux marqueurs fluorescents différents exprimées de façon transitoire dans des protoplastes isolés de feuilles de tabac agro-infiltrées, nous avons démontré que AtESL3.5 est localisé dans le tonoplaste.