Brassica napus est une des cultures oléagineuse majeure dans le monde. En raison de sa faible efficacité d’utilisation de l’azote (NUE) comparée aux autres grandes cultures, la gestion de cette ressource présente un objectif écologique et économique majeur pour cette culture. La remobilisation des nutriments des organes sources vers les organes puits est une composante de la NUE qui se déroule durant la sénescence et qui est associée aux processus de recyclages métaboliques et à des modifications de la structure foliaire. L’objectif de cette thèse était de comprendre et de quantifier ces modifications structurales afin d’évaluer à travers ces processus les capacités de remobilisation du colza en fonction de son génotype et de son statut nutritionnel (eau et azote). La structure foliaire a été étudiée grâce à la relaxométrie RMN qui donne accès au statut et à la distribution de l’eau au niveau cellulaire. Ces travaux de thèse ont mis en évidence que la distribution des temps de relaxation transversale (T2) dépend non seulement de la structure cellulaire, mais aussi de l’organisation tissulaire. Cette étude a aussi mis en évidence le processus d’élargissement cellulaire et d’hydratation pendant la sénescence, spécifiquement dans le parenchyme palissadique. Il a été également démontré que le signal RMN reflète la déstructuration progressive se déroulant durant la sénescence au niveau subcellulaire et est un marqueur de sénescence précis permettant de suivre le développement de la feuille. De plus, le statut nutritionnel de la plante modifié par les carences azotées ou le stress hydrique, impacte grandement la sénescence séquentielle et les conséquences en termes d’efficacité de la remobilisation peuvent être suivies par RMN. Ce travail a permis de renforcer les connaissances sur la structure et le fonctionnement de la feuille au niveau tissulaire et cellulaire. De plus, il a été démontré que le signal de relaxométrie RMN donne accès à des informations sur la structure foliaire inaccessible par des méthodes courantes. Une des principales applications de ce travail serait le phénotypage, particulièrement la sélection de génotypes caractérisés par une forte efficacité de remobilisation en particulier en cas de carence azoté ou de stress hydrique.

Le colza d’hiver est une culture oléagineuse caractérisée par une faible remobilisation de l’azote au cours de son cycle. Son potentiel de rendement est aujourd’hui menacé par le changement climatique qui va induire des épisodes de sécheresse plus intenses et susceptibles d’impacter l’efficacité de cette remobilisation. La sénescence et la remobilisation source-puit associée sont soutenues au niveau cellulaire par la réorganisation du métabolisme central carboné, dont l’alimentation du cycle des acides tricarboxyliques (TCA). Ce cycle contribue au recyclage des composants du chloroplastes tout en maintenant la production d’énergie nécessaire au transport de métabolites. Ces travaux de thèse ont cherché à mieux comprendre le fonctionnement métabolique des feuilles sources et puits du colza au cours de la sénescence développementale et induite par la sécheresse, en se concentrant sur le métabolisme des sucres, le cycle TCA et le catabolisme des acides aminés branchés (BCAA). Pour répondre à ces objectifs, des approches de physiologie, de profilage métabolique, de dosages d’activités enzymatiques, de mesure d’expression de gènes et de fluxomique du 13C ont été mobilisées.Les résultats montrent que les feuilles puits conservent les teneurs en eau au cours de l’acclimatation à la sécheresse et accumulent de fortes quantités de proline mais aussi de façon transitoire de l’amidon. La diminution des teneurs en protéines et la régulation du métabolisme des sucres et du transport d’acides aminés suggèrent conjointement une participation active des feuilles sources à ces accumulations dans les feuilles puits via de la remobilisation. Au cours de la sénescence développementale et induite par l’obscurité, le catabolisme des BCAA était peu régulé transcriptionnellement et ne montrait pas de grandes variations en termes de contribution au cycle TCA. L’incorporation de sondes U-13C-BCAA et l’analyse isotopique associée ont montré que le catabolisme des BCAA contribuait faiblement à l’activité du cycle TCA, tant par la synthèse d’acetyl-CoA que par le recyclage du CO2 produit. En conclusion, ces travaux de thèse ont permis d’améliorer notre compréhension du fonctionnement métabolique des feuilles de colza au cours de la sénescence développementale et induite par la sécheresse.

Une alternative prometteuse à la lutte chimique pour la régulation des ravageurs de culture consiste à favoriser les populations de leurs prédateurs en jouant sur la structure du paysage agricole. L'identification de structures spatio-temporelles favorables aux ennemis naturels peut se faire par l'exploration de scénarios paysagers via une modélisation couplée de paysages et de dynamiques de population. Dans cette approche, les dynamiques de populations sont simulées sur des paysages virtuels aux propriétés structurales contrôlées, et l'observation des motifs de populations associés permet l'identification de structures favorables. La modélisation des dynamiques de populations repose cependant sur une connaissance fine des processus écologiques et de leur variabilité entre les différentes unités du paysage. L'état actuel des connaissances sur les mécanismes écologiques régissant les dynamiques des ennemis naturels de la famille des carabidés demeure l'obstacle majeur à la recherche in silico de scénarios paysagers favorables. La littérature sur les liens entre motifs de population de carabes et variables paysagères permet de formuler un ensemble d'hypothèses en compétition sur ces mécanismes. Réduire le nombre de ces hypothèses en analysant les convergences entre les motifs de population qui leur sont associés, et étudier la stabilité de ces convergences le long d'un gradient paysager apparaît comme une première étape nécessaire vers l'amélioration de la connaissance sur les processus écologiques. Dans une première partie, nous proposons une heuristique méthodologique basée sur la simulation de modèles de réaction-diffusion porteurs de ces hypothèses en compétition. L'étude des motifs de population a permis d'effectuer une typologie des modèles en fonction de leur réponse à une variable paysagère, via un algorithme de classification, réduisant ainsi le nombre d’hypothèses en compétition. La sélection de l'hypothèse la plus plausible parmi cet ensemble irréductible doit s'effectuer sur la base d'une observation des motifs de population sur le terrain. Cela implique que ces derniers soient caractérisés à des résolutions spatiales et temporelles suffisantes pour sélectionner une unique hypothèse parmi celles en compétition. Dans la deuxième partie, nous proposons une heuristique méthodologique permettant de déterminer a priori des stratégies d'échantillonnage maximisant la robustesse de la sélection d'hypothèses écologiques. Dans un premier temps, la simulation de modèles de réaction-diffusion représentatifs des hypothèses écologiques en compétition permet de générer des données biologiques virtuelles en tout point de l'espace et du temps. Ces données biologiques sont ensuite échantillonnées suivant des protocoles différant dans l'effort total d'échantillonnage, le nombre de dates, le nombre de points par unité d'espace et le nombre de réplicats de paysages. Les motifs des populations sont caractérisés à partir de ces échantillons. Le potentiel des stratégies d'échantillonnage est évalué via un algorithme de classification qui classe les modèles biologiques selon les motifs de population associés. L'analyse des performances de classification, i.e. la capacité de l'algorithme à discriminer les processus écologiques, permet de sélectionner un protocole d'échantillonnage optimal. Nous montrons également que la manière de distribuer l'effort d'échantillonnage entre ses composantes spatiales et temporelles est un levier majeur sur l'inférence des processus écologiques. La réduction du nombre d'hypothèses en compétition et l'aide à l'échantillonnage pour la sélection de modèles répondent à un besoin fort dans le processus d'acquisition de connaissances écologiques pour l'exploration in silico de scénarios paysagers favorisant des services écosystémiques. Nous discutons dans une dernière partie des implications de nos travaux et de leurs perspectives d'amélioration.

L'augmentation de la production d'huile de colza (Brassica napus L.) pour répondre à la demande alimentaire et industrielle exige d'optimiser le rendement dans un contexte de réduction des intrants, notamment azotés. Les approches de génétique offrent une voie pour répondre à ces enjeux. En effet, la connaissance des régions génomiques (QTLs) et des mécanismes qui contrôlent l'élaboration des composantes du rendement sous contrainte azotée est un prérequis à la création variétale. Dans ce contexte, les questions de recherche posées dans cette thèse sont les suivantes: i) quelle est l'architecture génétique du rendement en huile chez le colza cultivé en bas intrants azotés?, ii) quelles sont les interactions des QTLs avec l'environnement et plus particulièrement avec l'intensité du stress azoté?, et iii) comment la combinaison de données agronomiques, génétiques et génomiques peut-elle contribuer à l'amélioration de caractères d'intérêt chez le colza? Une stratégie de détection de QTLs par analyse de liaison et analyse d'association a été mise en place sur deux populations biparentales et un panel de colzas d'hiver. Ces populations ont été expérimentées sur sept lieux et six années de culture (2009-2014) en condition de nutrition azotée limitante ou suffisante. Pour chaque essai, sept caractères phénotypiques relatifs à l'élaboration du rendement ont été mesurés. Peu d'interactions génotype × azote ont été détectées sur les caractères étudiés et un nombre important de QTLs a été retrouvé dans les deux conditions azotées. A l'inverse, de fortes interactions génotype × environnement ont été mises en évidence pour la majorité des caractères et les QTLs étaient pour la plupart spécifiques d'un lieu de culture. Dix régions génomiques d'importance, stables entre environnement et populations ont ainsi été identifiés et leur organisation structurale dans le génome du colza a été analysée. Le contrôle génétique de la teneur en huile des graines de colza a ensuite été étudié en combinant à la fois les informations de dix études indépendantes, les informations procurées par la récente publication du génome de B. napus et la recherche de variabilité haplotypique dans une région d'intérêt identifiée sur le chromosome A1 dans une population de colzas d'hiver.

Les WSCPII, spécifiques des Brassicaceae, sont des protéines hydrosolubles non-photosynthétiques, qui peuvent se lier aux chlorophylles (Chls). Ces protéines font partie des inhibiteurs de protéases (IP) de type Kunitz et certaines sont surexprimées en réponse à des contraintes abiotiques. L’existence de telles protéines avec une double fonctionnalité de liaison aux Chls et/ou IP reste un sujet à débat et leurs rôles dans les processus physiologiques sont à ce jour très peu documentés. L’objectif de cette thèse est d’apporter des connaissances nouvelles sur ces protéines particulières par leur caractérisation fonctionnelle. Nous avons montré que BnD22, WSCPII majeure foliaire de colza, est une protéine bifonctionnelle capable d’inhiber les Cys protéases et de se lier aux Chls avec une affinité pour la Chla. Ces deux fonctions peuvent être simultanées avec un pouvoir d’inhibition accru lorsque les protéines sont complexées aux Chls. De plus, BnD22 n’est pas localisée dans le chloroplaste mais dans le réticulum endoplasmique et la vacuole. Par ailleurs, nos études phylogénétiques ont révélé chez le colza l’existence d’une famille multigénique divisée en groupes distincts en fonction de leur capacité ou non à se lier aux Chls. La présence des multicopies s’expliqueraient par des profils d'expression différents selon les organes et les stades de développement, et des propriétés fonctionnelles diverses ou redondantes. L’ensemble de ces travaux a permis de valider la diversité fonctionnelle naturelle (IP et/ou liaison aux Chls) des WSCPII du colza ce qui permettra à l’avenir de mieux appréhender les propriétés fonctionnelles des WSCPII et de comprendre leurs rôles physiologiques.

Dans le cadre du changement climatique et de l'évolution de la réglementation concernant les intrants azotés, la culture du colza risque d'être fortement pénalisée dans la mesure où c'est une culture qui nécessite d'importants apports azotés pour atteindre son potentiel de rendement. Par ailleurs, comme chez le colza un déficit hydrique induit l'accumulation de certains composés azotés, il est vraisemblable que cela conduise au détournement d'une quantité importante d'azote vers les organes végétatifs aux dépens des organes reproducteurs et donc du rendement. Chez le colza, la réponse métabolique au déficit hydrique se traduit par une très forte accumulation de proline et dans une moindre mesure une augmentation de la teneur en GABA (acide γ-aminobutyrique), deux acides aminés connus chez la plupart des plantes pour leur réponse à de nombreux stress abiotiques. L'objectif de cette thèse est de déterminer comment le métabolisme de ces deux molécules contribue à l'allocation de l'azote au cours du développement de la plante en situation normale comme en condition de stress hydrique et/ou azoté. Pour répondre à cette question nous avons fait le choix de caractériser deux voies enzymatiques majeures impliquées dans le catabolisme de la proline et du GABA : la proline déshydrogénase (ProDH) et la GABA-transaminase (GABA-T) et d'évaluer l'impact de carences hydriques et/ou azotées sur ces voies. Cette étude nécessitait d'identifier au préalable les gènes codant ces enzymes afin d'aborder une approche fonctionnelle. Les résultats montrent l'existence de multiples copies de gènes ProDH et GABA-T dans le génome du colza. L'analyse de leurs profils d'expression suggère que des processus de sub-fonctionnalisation sont en cours conduisant à l'expression spécifique, de certaines copies en réponse aux stress, et d'autres dans les processus développementaux. La comparaison des profils métaboliques avec les profils spécifiques des transcrits a permis d'élaborer des hypothèses sur le rôle de ces voies dans la gestion de l'azote. L'étude conjointe des métabolismes de la proline et du GABA suggère l'existence de régulations connexes entre les deux. Enfin, l'utilisation de plantules a permis - d'approfondir la régulation des gènes étudiés à des stades précoces de développement - et de mettre en évidence les effets délétères de l'inhibition de la GABA-T par une approche pharmacologique. En conclusion ces résultats apportent des précisions sur la régulation de ces deux enzymes et fournissent des éléments de réponse quant au rôle fonctionnel des catabolismes de la proline et du GABA dans les processus de gestion de l'eau et de l'azote chez le colza. Ces travaux constituent donc une première étape dans une démarche de validation de ces gènes comme candidats pour des programmes d'amélioration du colza visant à sélectionner des génotypes mieux adaptés aux conditions environnementales futures.

Au sein des écosystèmes, les Composés Organiques Volatils (COVs) émis par les plantes jouent un rôle majeur dans les interactions trophiques. Ces signaux olfactifs vont renseigner les insectes phytophages sur la présence de leurs hôtes mais permettent aussi de recruter les ennemis naturels. Il a été montré que certains de ces composés pouvaient être utilisés pour manipuler le comportement des insectes phytophages s’attaquant aux cultures. La stratégie push-pull, vise à combiner des stimuli positifs et négatifs pour un insecte ravageur afin de le repousser d’une culture tout en l’attirant sur une plante piège implantée en périphérie du champ où il pourra être contrôlé. L’objectif de cette thèse est d’améliorer notre compréhension et nos connaissances sur la manipulation de la communication chimique entre les plantes et les insectes phytophages à l’aide de COVs de synthèse et de préférence d’hôte afin de mettre en place sur le terrain une stratégie de type push-pull pour protéger une culture de la mouche du chou (Delia radicum). Dans un premier chapitre, nous montrons que dans un système push-pull composé (i) de diffuseur de diméthyldisulfure DMDS (composante push) et (ii) d’une bordure de choux chinois supplémenté avec de l’acétate d’hexenyl (Z-3-HAC) (composante pull), il est possible de modifier fortement le comportement d’oviposition de D. radicum sans impacter de façon négative ses principaux ennemis naturels. Les limites agronomiques et d’utilisation du DMDS atteintes, nous avons recherché d’autres COVs ayant un effet répulsif. Lors d’une seconde expérimentation en push-pull, l’eucalyptol (1-8 cinéol) à permis de réduire le nombre de pupes de D. radicum retrouvées aux pieds des plants de brocoli de 60%. Suite à ce résultat encourageant, nous avons qualifié au laboratoire l’effet inhibiteur de ce monoterpène sur l’oviposition de la mouche du chou et en avons conclu qu’il permet de masquer le bouquet de COVs attractif d’un hôte. L’efficacité de la composante push étant fortement liée à la diffusion des COVs, nous avons ensuite testé au laboratoire et sur le terrain un nouveau type de diffuseur à base de cires végétales, permettant d’émettre l’eucalyptol de manière passive mais régulière pendant plusieurs semaines. L’étude réalisée montre le fort potentiel du diffuseur qui est à la fois bon marché, facile d’utilisation et fiable en terme de diffusion, permettant ainsi d’envisager son utilisation dans des stratégies de lutte intégrée à grande échelle. Parallèlement à l’étude de la composante push, nous avons cherché à améliorer l’efficacité de la composante pull. Le chou chinois (Brassica rapa) permet grâce à sa forte attractivité de capter et détourner la pression de phytophagie de la culture d’intérêt. Nous montrons qu’au sein de sa grande diversité, certaines variétés comme Richi (appartenant à la sous espèce pekinensis) sont préférentiellement attaqué par la mouche du chou, ce qui en fait de bons candidats au développement d’une composante pull efficace. A la lumière de la bibliographie et de nos résultats, nous proposons une réflexion générale sur le système étudié. Ainsi, nous concluons que, au moins dans le cas de la mouche du chou, les COVs ne peuvent probablement pas être les seuls outils considérés dans le développement d’une stratégie push-pull.

Chez les insectes phytophages, la nature des signaux à l’origine de la reconnaissance d’un hôte est largement décrite dans la littérature, contrairement à leur implication dans les préférences inter- et intraspécifiques. Nous avons étudié les signaux impliqués dans la reconnaissance et l’acceptation de trois espèces (Brassica rapa, B. oleracea et Sinapis alba) et populations de Brassicaceae hôtes par les femelles et les larves de la mouche du chou (Delia radicum). Les composés volatils ubiquistes émis par la partie aérienne de la plante semblent être impliqués dans la discrimination interspécifique. Nous avons également montré que selon leur combinaison, ils agissent indépendamment sur des comportements pré- et post-atterrissage des femelles. De plus, les composés de surface foliaire ne semblent pas être un signal de reconnaissance commun à tous les hôtes de la gamme, et sont impliqués dans les préférences intraspécifiques seulement chez B. rapa. Enfin, nous avons montré que les choix effectués par les femelles ne sont pas toujours corrélés avec la performance de leurs larves, qui peuvent rejeter, sur la base des composés racinaires, l’hôte préféré par les femelles mais seulement à l’échelle intraspécifique chez S. alba. L’ensemble de ces résultats mettent en lumière la grande complexité de la nature et des effets des signaux qui sont impliqués dans les préférences de l’hôte, en soulignant la nécessité d’intégrer une certaine diversité végétale dans les études sur les interactions entre les plantes et les insectes phytophages.

Ces travaux de thèse reposent sur le double objectif de proposer des approches innovantes pour l’étude des relations entre un hôte et son microbiote, et de les appliquer à la description fine de l’holobionte du puceron du pois par des données métagénomiques. Les relations symbiotiques façonnent le fonctionnement et l’évolution de tous les organismes, mais restent décrites de manière imparfaite, notamment à cause de la difficulté à caractériser la diversité génomique des partenaires microbiens constitutifs des holobiontes. L’essor des technologies de séquençage métagénomique révolutionne l’étude de ces systèmes, mais pose également des problèmes méthodologiques pour analyser les jeux de données métagénomiques. La métagénomique est ici appliquée au puceron du pois, un modèle d’étude des relations symbiotiques qui abrite une communauté bactérienne d’une complexité modérée, idéale pour développer de nouvelles approches de caractérisation de la diversité microbienne. Cette thèse vise à mieux décrire la communauté de symbiotes qu’abrite cet holobionte, notamment en distinguant les différents niveaux de variabilité génomique en son sein. Nous présentons une démarche pour l’analyse métagénomique d’holobiontes, qui repose d’abord sur l’assignation taxonomiques des lectures par alignement à des génomes de référence ou préalablement assemblés, puis sur la recherche de variants génomiques. L’étude de génotypes complets de symbiotes permet de retracer l’histoire évolutive des relations hôte-microbiote avec une résolution élevée. Chez le puceron du pois, nous mettons en évidence des niveaux et structures de diversité génomique différents selon les symbiotes, que nous proposons d’expliquer par les modalités de transmission ou l’histoire évolutive propre à chacun des partenaires microbiens. Cette approche repose sur la disponibilité d’un génome de référence adapté, qui est souvent difficile à obtenir en métagénomique. Dans un second temps, nous présentons donc une méthode d’assemblage guidé par référence en contexte métagénomique. Cette méthode se déroule en deux temps : le recrutement et l’assemblage de lectures par alignement sur un génome de référence distant, puis l’assemblage de novo ciblé des régions manquantes, permis par des développements complémentaires apportés au logiciel MindTheGap. Comparativement à un assembleur métagénomique, cette méthode permet l’assemblage d’un seul génome en un temps réduit, et permet de détecter d’éventuels variants structuraux sur le génome ciblé. Appliqué au puceron du pois, MindTheGap a réalisé l’assemblage du symbiote obligatoire Buchnera en un seul contig, et a permis d’identifier différents variants structuraux du bactériophage APSE. Ces travaux ouvrent la voie à la fois à une caractérisation plus précise des relations hôte-microbiote chez le puceron du pois par des approches fonctionnelles et métaboliques, ainsi qu’à l’application des outils présentés à des systèmes plus complexes.

Les associations symbiotiques entre microorganismes et eucaryotes sont omniprésentes dans le monde vivant. Ces microorganismes peuvent jouer un rôle crucial dans l’évolution et l’écologie de leurs porteurs en modifiant leur phénotype. Ces symbiotes étant le plus souvent héritables, les phénotypes étendus résultant de ces associations symbiotiques peuvent se transmettre aux générations suivantes. Certains microorganismes vont permettre l’accès à une ressource alimentaire, d’autres conférer une protection contre un ennemi. Une telle protection symbiotique est rencontrée chez le puceron du pois (Acyrthosiphon pisum) en interaction avec la bactérie Hamiltonella defensa. Cette symbiose confère au puceron une résistance face à l’attaque de son principal ennemi : le parasitoïde Aphidius ervi. Les populations de ce ravageur des Légumineuses sont structurées en biotypes (populations spécialisées sur des plantes hôtes). La distribution du symbiote protecteur au sein des populations de pucerons est singulière. De nombreux individus vivant sur la luzerne, la bugrane ou les genêts abritent ce symbiote alors qu’il est peu fréquent dans les populations d’autres biotypes d’A. pisum comme le pois ou le trèfle. Nous avons cherché à comprendre pourquoi H. defensa n’était pas retrouvé chez tous les biotypes du puceron du pois. Afin de prédire la dynamique de la symbiose protectrice et le potentiel de résistance dans les populations aphidiennes naturelles, nous nous sommes intéressés à plusieurs processus écologiques et évolutifs. L’incidence de la pression des parasitoïdes sur la composition des populations symbiotiques a été mesurée chez trois biotypes (luzerne, pois et trèfle) à travers une approche terrain. La distribution du symbiote H. defensa dans les populations est directement dépendante de la variabilité du phénotype associé exprimé dans les différentes populations, j’ai identifié les phénotypes associés au symbiote pour des pucerons issus de différents biotypes ainsi que l’influence du contexte local sur ces phénotypes. L’absence d’H. defensa chez certains individus peut s’expliquer par la redondance d’une fonction protectrice en place chez ces biotypes comme un alternative symbiotique autre que H. defensa ou encore une immunité forte. Enfin, nous avons testé si le cumule des protections symbiotiques conférées par deux bactéries du cortège du puceron du pois pouvaient se cumuler créant ainsi des super-organismes. Mon travail met en évidence l’implication de nombreux facteurs dans la prédiction des fréquences symbiotiques d’une bactérie facultative dans les populations d’hôte.