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Phénylpropanoïdes et benzénoïdes
Les phénylpropanoïdes et les benzénoïdes représentent la deuxième plus grande classe de COV végétaux (Knudsen et al., 2006), synthétisés par la voie de l’acide shikimique via deux voies alternatives, la voie b-oxydante et/ou non b-oxydante (Maeda et Dudareva, 2012, Rambla et al., 2014). Ces dérivés de la phénylalanine constituent une large gamme de composés volatils. Ils sont synthétisés sous l’action de la Phénylalanine Ammonia Liase (PAL). Parmi ces composés, on trouve les composés phénoliques et les flavonoides: méthyl salycilate et eugénol, l’acide chlorogénique, rutine et kaempferol.
COV d’autres origines métaboliques
Les végétaux émettent également divers COV oxygénés (COVO), par exemple le méthanol, l’éthanol, le méthylbutenol, le formaldéhyde, l‘acétaldéhyde ou l’acétone (Fall, 1999). Ces composés sont peu étudiés car on considère qu’ils impactent peu la chimie atmosphérique. Les COVO sont principalement des produits cataboliques de la dénaturation des parois et membranes cellulaires (Loreto et Schmiller, 2010).
Le méthanol est l’unique composé oxygéné à courte chaine, dont la source d’émission principale est biogénique. Jacob et al. (2005) ont estimé que les écosystèmes terrestres (biotiques et abiotiques) dominent les émissions mondiales de méthanol avec 78% de la production annuelle mondiale, le reste provenant de l’oxydation atmosphérique des COV (15%), de la combustion de la biomasse (5%) et des zones urbaines (2%). Les COV contenant de l’azote et du soufre sont dérivés du métabolisme des acides aminés. L’indole, le membre le plus répandu de ces groupes est formé par clivage direct du précurseur du tryptophane, l’indole-3-glycérol phosphate (Frey et al., 2000).
Composés de surface des feuilles
La surface des feuilles est recouverte d’un matériau cireux qui se compose d’hydrocarbures à longues chaînes. Les acides, les alcools et les esters sont les composants dominants de ces cires, mais il existe d’autres composés avec un poids moléculaire élevé et une faible volatilité, bien qu’une petite fraction peut se volatiliser en particulier à températures élevées.
Composés de stress et dérivés d’acides gras
Ces COV comprennent des substances émises à des niveaux relativement faibles dans des conditions non stressées, mais ils peuvent représenter plus de 50% des émissions des plantes stressées (Holopainen,2004). Ils regroupent l’éthène, les terpénoïdes, les benzénoïdes, les aldéhydes et les
volatils des feuilles vertes (GLV) qui sont dérivés des acides gras insaturés comme l’acide linoléique ou l’acide linolénique. Ils se forment par clivage (fracture) oxydant des acides gras C18, en présence d’oxygène et d’enzymes, telles que les lipoxygénases de type 2 (13-LOX) qui catalysent l’oxygénation de l’acide α-linolénique. Cette action résulte de la formation de l’acide 13-hydroperoxy linolénique (HPLA), la dégradation de ce dernier provoquant la formation des oxylipines volatiles.
Parmi ces composés on trouve l’hexanol, l’acide hexanoic, l’hexanal, les alkanals (ex. propanal, butanal, pentanal, furanes et furanones (ex. tétrahydrofuran, 2-ethyl furan) (Matsui et al., 2010).
Classification selon la source d’émission (constitutive ou induite)
Les COV peuvent être émis de manière constitutive ou induite. Dans le premier cas, les COV sont présents naturellement dans les plantes en absence de stress (Holopainen, 2011, Holopainen et Blande, 2012) et peuvent être libérées à tout moment, ce qui en fait des marqueurs possibles de la variabilité génotypique. A l’inverse, les COV induits sont produits/émis sporadiquement après l’exposition de la plante (ou une partie de la plante, feuille, tige, racines ou fruit) à un stress abiotique tels que le stress hydrique, thermique, lumineux ou l’exposition à l’ozone (Arimura et al., 2005, Staudt et Bertin, 1998), à une stress biotique tels que les attaques de pathogènes et d’herbivores (Cardoza et al., 2002, Loreto et Schnitzler, 2010) ou à une combinaison de stress multiples. Cependant, la dissociation entre les émissions constitutives et induites reste difficile.
Classification selon le site de biosynthèse (Stockage ou synthèse DE NOVO)
Les émissions constitutives ou induites peuvent provenir d’un stockage au sein de structures spécialisées dans la plante, tels que les canaux résinifères chez les conifères (Bernard-Degan, 1988) ou les trichomes chez la tomate (Jansen et al., 2009). Les structures de stockage, trichomes sont
détaillées dans la partie 5. Le taux d’émission des COV dépend de la distance parcourue par les COV depuis leur lieu de stockage vers l’atmosphère, (transport) et des propriétés physicochimiques des membranes d’autre part (Tissier et al., 2017). Hormis ceux qui sont stockés, les COV peuvent être formés de novo dans le cytosol ou les plastides, traverser les membranes et diffuser directement à l’extérieur de la cellule végétale et de la cuticule vers l’atmosphère. Il a été proposé que dans ce cas le taux de diffusion est égal au taux de synthèse (sauf perte pendant le transfert) (Niinemets et al., 2010).
Les facteurs influençant l’émission des COV par les plantes
Les effets à court-terme de la température, de la lumière et du CO2
Les émissions des COV dépendent des facteurs environnementaux notamment, la température. La
synthèse des monoterpènes évolue positivement avec l’augmentation de la température dû aux effets positifs de la température sur l’activité des monoterpènes synthases (Grote et al., 2006, Niinemets, 2010) (figure 3). L’émission d’isoprène s’augmente généralement avec la température jusqu’à une température seuil (figure 3) (Velikova et Loreto, 2005). Les émissions des COV augmentent également avec l’intensité lumineuse (Loreto et Sharkey, 1990). Cette augmentation pourrait être liée à la disponibilité accrue du substrat lorsque la photosynthèse est stimulée, ou une activation accrue de l’isoprène synthase (Silver et Fall, 1991). En outre, de nombreuses études sur différentes espèces végétales ont montré une inhibition de la biosynthèse de l’isoprène sous enrichissement en CO2 (Sharkey et al.,1991). Les polluants atmosphériques tels que l’ozone troposphérique stimule également les émissions des COV (ce point est détaillé dans la partie 9). Figure 3. Représentation schématique de l’influence du rayonnement et de la température sur le taux de synthèse des COV (S), et leur taux d’émission (E). Pour les espèces dont les réservoirs de stockage sont importants, l’émission de COV dépend de la résistance du réservoir de stockage à la diffusion des COV (gouvernée par la température). Dans ce cas, l’émission de COV est indépendante du rayonnement solaire et les émissions ne dépendent pas directement du taux de synthèse (S ≠ E), Cependant, les émissions de COV non stockés (par exemple l’isoprène) dépendent directement du taux de synthèse (S≈ E) (d’après Laothawornkitkul ET AL., 2009, Kammer, 2016).
Les effets à long terme de la disponibilité en eau et en nutriments et des stress biotiques
Sharkey et Loreto. (1993) rapportent que chez Kudzu, les émissions d’isoprène représentent de 0,2 ±0,02 % du carbone fixé par la photosynthèse avant le stress hydrique à 14 ± 8% après le stress. La biosynthèse des COV pourrait être limitée par le manque de nutriments spécifiques (par exemple le fer, le soufre, le manganèse ou le phosphore utilisés comme intermédiaires. Ibrahim et al. (2008) rapportent que les sols pauvres en éléments nutritifs entraînent des baisses substantielles des émissions de COV induites par les herbivores. La flore microbienne et les stress biotiques ont des effets sur la production et les émissions des COV. Des augmentations des émissions de certains COV tels que β-Ocimème et Copaène ont été signalées dans des plantes de tomates infectés par Botrytis cinerea (Kasal-Slavik et al., 2017) et du méthyle Salicylate dans les infestations de pucerons sur le bouleau verruqueux (Blande et al.,2010).
Processus de stockage et d’émissions des COV au niveau de la plante
La composition et la quantité des COV produits et émis diffèrent entre les espèces et les génotypes, et dépendent de la taille, de la structure et de l’âge des organes (Niinemets et al., 2010). Les émissions dépendent à la fois de la capacité des plantes à synthétiser des COV (fonction de la disponibilité des substrats et des enzymes) et de leur aptitude à stocker ou non ces composés, ce qui est lié à la présence ou absence de structures de stockage.
Chez les plantes sécrétrices, on suggère que la diffusion des COV vers l’extérieur (atmosphère) est réalisée à partir des structures de stockage comme les trichomes dont la morphologie et la composition pourraient favoriser ou limiter la diffusion. La diffusion des COV à travers la cuticule dépend du poids moléculaire des substances, de leur concentration dans les tissus végétaux et principalement de la pression de vapeur de ces composés dans la feuille. Ce processus de diffusion est plus lent que l’émission par voie stomatique (Guenther et al., 2000). Il a été démontré que plusieurs COV (isoprène et quelques monoterpènes) passent par les stomates et que ces derniers ne limitent pas le flux d’émission à condition que l’accumulation du volatil ne limite pas sa propre vitesse de synthèse (Niinemets et Reichstein., 2003). En effet a été démontré que les taux d’émission d’isoprène (Fall et Monson, 1992) et de monoterpènes (Loreto et al.,1996) sont indépendants de la conductance stomatique. Cependant pour les isoprénoïdes oxygénés, les acides organiques ou le méthanol, la conductance stomatique pourrait avoir un petit effet sur les émissions (Niinemets et al.,2014).
Rôles éco-physiologiques des COV
Participation à la reproduction des plantes
Beaucoup de COV floraux tels que le linalool sont essentiels pour la reproduction des plantes en attirant les pollinisateurs (Raguso, 2016). Après la pollinisation, les COV à travers l’odeur des fruits peut aider à attirer les disperseurs des graines et leur permettre de localiser et de différencier la maturation des fruits (Luft et al., 2003). Ces substances jouent donc un rôle à toutes les étapes de la reproduction des plantes. Terry et al. (1995) ont rapporté que l’exposition des plantes de l’orge, du colza et d’Arabidopsis à l’isoprène favorise leur floraison.
Défense contre le stress biotique
Action de défense directe
Certains COV tels que le sesquiterpènes (E)-β-caryophyllène, le monoterpènes β-phellandrène (Ra-ghava et al.,2010), le méthyl salicylate et les green volatils (C6) libérés par les organes végétatifs de la plante peuvent les protéger des agents pathogènes par leur activité antimicrobienne ou antifongique (Shiojiri et al., 2006, Alfaro et al., 2002). Ils peuvent aussi affecter la physiologie et le comportement des herbivores par leurs propriétés toxiques (Aharoni et al., 2003). Corrado et al. (2007) ont montré que chez la tomate, les émissions de α-pinène, β-myrcène, 3-carène, limonène et β-ocimène attirent la guêpe parasitoïde Aphidius evri. Kang et al. (2010) ont montré qu’un mutant de tomate déficient en monoterpènes et sesquiterpènes constitutifs était sensible aux attaques des herbivores par rapport à un génotype de tomate qui contient des niveaux normaux de ces composés.
Action indirecte
Les COV servent aussi dans la communication chimique entre les différents organes et tissus de la plante, entre les plantes et les insectes et entre les plantes voisines. Cette communication peut activer directement les mécanismes de défense par attraction des prédateurs pour une défense précoce (Arimura et al., 2000). Au niveau racinaire, les COV peuvent participer à la défense contre les organismes qui colonisent la rhizosphère (Bonfante et Genre, 2010). Il a été montré que les racines des plantes de maïs synthétisent (E)-β-caryophyllène, et qu’en cas de stress, ce composé peut attirer les nématodes entomo-pathogènes pour défendre la plante (Turlings et al., 2012). Dans les racines d’Arabidopsis, le diterpène rhizathalène est considéré comme défenseur chimique constitutif (Vaughan et al., 2013). Certains terpenoïdes peuvent aussi agir comme des oxydants ou des phytotoxiques pour les racines et inhiber la flore microbienne utile pour les plantes (Jassbi et al., 2010) ou stimuler la croissance des plantes parasites (Rasmann et al.,2012). Les COV peuvent être aussi considérés comme une source de carbone : il a été montré que les rhizobactéries telles que Pseudomonas fluorescens métabolisent l’α-pinène comme unique source de carbone (Kleinheinz et al.,1999). En ce qui concerne la relation entre la partie aérienne et la partie souterraine de la plante, au sein des solanacées, il a été rapporté que des métabolites secondaires tels que les alcaloïdes et les composés phénoliques sont synthétisés dans les racines et transportés dans les feuilles, ces composés pourraient être volatiles ou des précurseurs de volatils émis ensuite par les feuilles (Sangwan et al.,2008, Senthil et al.,2009). En cas de stress les signaux chimiques peuvent donc être échangés entre les deux parties de la plante (Champagne et al.,2016). C’est le cas des alcaloïdes comme la nicotine qui sont formés dans les racines et ensuite exportés vers les feuilles, y compris leurs trichomes. Par exemple, l’infestation des feuilles de maïs par les insectes herbivores provoque des
changements dans le mélange des émissions des racines (Delory et al.,2016). Duan et al. (2019) ont rapporté que le transport interne des terpénoïdes par les plantes existe dans les conifères, et que les terpénoïdes sont transportés dans la sève de xylème. A la lumière de ces études, on suggère que les terpenoïdes peuvent être transportés des racines aux feuilles ou vice versa et on suppose que l’échange et la relation entre les émissions des plantes des parties aériennes et souterraines n’est pas exclue.
Implication dans la réponse aux stress abiotiques
Plusieurs études ont proposé que l’isoprène peut protéger l’appareil photosynthétique des plantes des dommages causés par les hausses de température (Singsaas et al., 1997, Behnke et al., 2007), et par la lumière excessive avec les mécanismes de dissipation de l’énergie ou la minimisation de la formation des ROS (Reactive oxygen species, en anglais, les espèces réactives à l’oxygène). En outre, les COV pourraient être des agents antioxydants en cas de stress oxydatif liés à l’ozone (Fares et al., 2011) (figure 4).
Structures de stockage des COV : trichomes
Chez certaines plantes sécrétrices, les COV sont stockés dans des structures spécialisées appelées trichomes glandulaires qui sont observés à la surface d’environ 30% des plantes vasculaires (Glas et al.,2012). Ces trichomes diffèrent entre les espèces et génotypes et ont un rôle important dans l’adaptation de la plante à son environnement. Presque tous les organes végétatifs portent ces poils (feuilles, tige, racine et fleurs) dont les types, la morphologie, la densité et la composition varient également. En général, il existe huit types de trichomes. Selon Luckwill, (1943) et Channarayappa et al. (1992) chez la tomate Lycopersicon esculumtum qui est considérée comme un modèle pour l’étude des trichomes, ils sont classés en trichomes glandulaires qui incluent les trichomes de type I, IV, VI et VII et en trichomes non glandulaires qui comprennent les trichomes de type II, III et V et VIII (figure 5). Kim et al. (2012) ont proposé que le cout de construction est plus élevé pour les trichomes glandulaires à cause de leur production et le stockage en métabolites secondaires.
Les trichomes non glandulaires n’ont pas de structures sécrétoires ; ils sont protégés par une couche de cire qui contient des hydrocarbures saturés oxygénés et non oxygénés à longue chaîne (Corsi et Bottega, 1999).
Les trichomes glandulaires produisent et stockent divers métabolites secondaires qui peuvent être volatils, semi-volatils ou non volatils ; les substances les plus stockées sont principalement les terpénoïdes mais aussi, les phénylpropénoïdes, les flavonoïdes, les méthylcétones, les sucres acyliques et les protéines défensives (Schilmiller et al., 2009, Kim et al., 2012). Les métabolites produits par les trichomes glandulaires peuvent présenter jusqu’au 15 à 20% du poids sec des feuilles (Wagner et al.,2004).
Les trichomes glandulaires sont de deux types: peltate et capitate qui sont structurellement différents.
Les Trichomes peltés se composent d’une cellule basale, d’une courte tige et d’une tête comprenant de nombreuses cellules sécrétoires, qui s’élève au-dessus d’une grande cavité de stockage sous-cuticulaire (figure 6). Tissier et al. (2017) rapportent que les trichomes de type VI (peltés) de la tomate stockent des composés dans la cavité intercellulaire entre les cellules de sécrétion. Les auteurs suggèrent que cette cavité de stockage est produite par le fractionnement de la cuticule et la paroi cellulaire des cellules sécrétoires résultent des trichomes en forme d’ampoule (Turner et al.,2000). La cuticule de ce type de trichomes est dépourvue de composés. Ce mécanisme de répartition des composés est développé par la plante pour son auto protection contre des substances toxiques pour la plante elle-même en cas de synthèse ou stockage à fortes concentrations (Turner et al.,2000).
Les trichomes capités sont constitués d’une ou plusieurs cellules basales, d’une à plusieurs cellules pédonculées et d’une ou de quelques cellules sécrétoires à l’extrémité de la tige (Maffei et al., 2010) (figure 6). Ces trichomes produisent principalement de l’acyl glucose, des sucres acylés non volatils (Maffei et al., 2010) ou des composés non- et semi-volatils tels que les diterpènes qui sont directement sécrétés à l’extrémité du trichome et exsudent à sa surface (Tissier et al.,2012), dans une partie de la tige et aussi à la base du trichome (cela dépend de l’espèce et de génotype).
Les trichomes branchés ont été remarqués sur les plantes d’Arabidopsis et sur Artemisia annua. Ils sont unicellulaires, ramifiés avec deux à cinq branches (Mathur, 2000).
Les trichomes non glandulaires et glandulaires ont des rôles différents. Les trichomes non glandulaires servent principalement de barrières mécaniques à la surface des feuilles. Ils peuvent être impliqués dans la protection contre les insectes herbivores et les champignons en empêchant ou perturbant leurs mouvements sur les feuilles. Ils peuvent aussi avoir un rôle protecteur contre les UV par couverture de la couche épidermique et pourraient également affecter la transpiration de la plante en limitant la diffusion de l’eau (Karabourniotis et al., 1992, 1993). Les trichomes glandulaires sont des structures sécrétoires protégeant potentiellement les feuilles contre divers stress via la sécrétion et le stockage de composés de défense, tels que les terpénoïdes (Biswas et al., 2009). Ils peuvent accumuler de grandes quantités d’huiles essentielles et ont été associés à la résistance contre des insectes ravageur (Biswas et al., 2009). Ils participent également à la réduction de la perte d’eau et à la filtration des rayons UV (Biswas et al., 2009). Certaines plantes peuvent tolérer des niveaux élevés de métaux, grâce à des protéines défensives riches en cystéine (Liu et al., 2015) sécrétées dans les trichomes glandulaires, comme le montre le tabac tolérant au cadmium et au zinc via ses trichomes (Sarret et al., 2006). Les trichomes glandulaires peuvent également sécréter des ions salins, conduisant à l’équilibration au calcium dans la plante (De Silva et al., 2001).
COV et la chimie atmosphérique
Les COV sont impliqués dans les relations entre l’atmosphère et la biosphère (Levis et al., 2003). Les COV (biogéniques et certains COV anthropiques) étant très réactifs, une fois libérés dans l’atmosphère, ils peuvent être transformés et oxydés (figure 7). Bergström et al. (2014) estiment que les émissions des COV induits en réponse au stress environnementaux sont la source de 50 à 70% des aérosols secondaires. En plus, leur oxydation peut affecter le pouvoir oxydatif de la troposphère et donc influer le temps de vie d’autres gaz tels que le méthane et l’ozone (O3) et en conséquence leur concentrations et distances de transport dans l’atmosphère (Wayne, 2000). La dégradation des COV dans l’atmosphère sous l’effet du rayonnement solaire et de la chaleur affecte l’accumulation des gaz à effet de serre et des polluants atmosphériques photochimiques tels que l’O3. Ils peuvent donc avoir un impact sur l’environnement, la biodiversité et la santé humaine.
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Table des matières
Introduction générale
1. Les différentes classes de COV biogéniques produits et émis par les plantes
1.1. Classification selon les voies de biosynthèse
1.1.1. Les isoprénoïdes
1.1.2. Phénylpropanoïdes et benzénoïdes
1.1.3. COV d’autres origines métaboliques
1.1.4. Composés de surface des feuilles
1.1.5. Composés de stress et dérivés d’acides gras
1.2. Classification selon la source d’émission (constitutive ou induite)
1.3. Classification selon le site de biosynthèse (Stockage ou synthèse de novo)
2. Les facteurs influençant l’émission des COV par les plantes
2.1. Les effets à court-terme de la température, de la lumière et du CO2
2.2. Les effets à long terme de la disponibilité en eau et en nutriments et des stress biotique
3. Processus de stockage et d’émissions des COV au niveau de la plante
4. Rôles éco-physiologiques des COV
4.1. Participation à la reproduction des plantes
4.2. Défense contre le stress biotique
4.2.1. Action de défense directe
4.2.2. Action indirecte
4.3. Implication dans la réponse aux stress abiotiques
5. Structures de stockage des COV : trichomes
6. COV et la chimie atmosphérique
7. Formation de l’ozone
8. Interactions entre stress oxydatif causé par l’ozone et les différents systèmes antioxydants et de défense
8.1. Acide ascorbique et dérivées
8.2. Implication des trichomes et leurs exsudats dans la protection contre l’ozone
8.3. Implication d’autres traits l’anatomie et morphologie de feuilles
9. Effet de l’ozone sur les émissions des COV
10. Tomate : plante modèle
Objectifs scientifiques de la thèse et stratégies de recherche
Chapitre I. Insights into the Intraspecific Variability of the above and Belowground Emissions of Volatile Organic Compounds in Tomato
1. Introduction
2. Results
3. Discussion
4. Materials and Methods
Chapitre II. Identificatiion et quantification des émissions de COV constitutives des parents sauvages et de leurs mutants chez la tomate- Etude morphologique et histochimique des trichomes- Localisation des principaux COV dans les trichomes
1. Criblage des émissions de COV constitutifs des parents sauvages de tomate et de leurs mutants
1.1 Résultats d’analyse des émissions des COV constitutives des parents sauvages et leurs mutants
1.2 Analyse des teneurs des COV à la surface des feuilles des parents sauvages et leurs mutants
1.3. Analyses d’autres métabolites (sucres, vitamine C, polyphénols et flavonoïdes) chez Castelmart et Odorless
2. Caractérisation morphologique et histochimique des trichomes
2.1. Analyse micromorphologique des trichomes par microscope électronique à balayage MEB
2.2. Coloration histochimique
2.2.1. Coloration des terpènes au NaDI (Naphthol Dimethyl-p-phenylediamine dihydrochloride)
2.2.2. Coloration des aldéhydes au réactif de SCHIFF (fuchsine basique)
2.3. Résultats de Morphologie des trichomes
2.4. Résultats des analyses histochimiques
2.4.1. Coloration par le réactif de NaDI
2.4.2. Coloration par le réactif de Schiff
3. Localisation des principaux COV stockés dans les trichomes
4. Discussion
Chapitre III. Le rôle des trichomes et les COV dans la réponse de la plante au stress oxydatif causé par l’ozone
1. Matériels et méthodes
1.1. Déroulement de l’expérimentation, système de mesure du dépôt d’O3 plante total et du dépôt d’O3 chimique
1.2. Calcul de la photosynthèse, transpiration et conductance stomatique
1.3. Calculs des dépôts d’O3
1.4. Echantillonnage et analyse des COV
1.5. Mesure des teneurs en chlorophylle et Fv/Fm
1.6. Mesure des teneurs des COV après l’exposition des plantes à l’ozone
1.7. Quantification des dommages visibles sur les feuilles
1.8. Mesure de dépôt d’O3 chimique après application d’un stress mécanique sur la plante
1.9. Traitement et analyse des données
2. Résultats
2.1. Comparaison entre Cervil et LA0147
2.2. Comparaison entre les parents sauvages et leurs mutants
2.2.1. Comparaison entre Castelmart et son mutant Odorless
2.2.2. Comparaison entre Ailsa craig et son mutant GCR
2.2.3. Comparaison entre Maofen B02 et son mutant Maofen B02 poilu
2.3. Teneurs en chlorophylle, pourcentage de diminution de Fv/Fm et pourcentage de surface endommagée chez les parents et leurs mutants
2.4. Teneur des COV après l’exposition des plantes au stress oxydatif chez les parents et leurs mutants
3. Discussion
Discussion générale
Conclusion et perspectives
Références bibliographiques
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