Etude des effets du rayonnement UV-B sur la physiologie foliaire et la maturation des baies chez la Vigne (Vitis vinifera L. cv Tempranillo), dans le contexte du changement climatique (déficit hydrique, température et taux de CO2 élevés)

Effects of UV-B radiation on grapevine (Vitis vinifera cv. Tempranillo) leaf physiology and berry composition, framed within the climate change scenario (water deficit, elevated CO2 and elevated temperature)

Efecto de la radiación UV-B sobre la fisiología de la hoja y la composición de la baya de vid (Vitis vinifera cv. Tempranillo), en un contexto de cambio climático (déficit hídrico, CO2 elevado y alta temperatura

• Auteur / Autrice : Johann Martinez Lüscher
• Direction : Eric Gomes, Pascual Elizalde Inmaculada
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie végétale
• Date : Soutenance le 28/11/2014
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec Universidad de Navarra
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Bordeaux)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Écophysiologie et génomique fonctionnelle de la vigne (Villenave d'Ornon, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Serge Delrot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Gomes, Pascual Elizalde Inmaculada, Serge Delrot, Laurent Torregrosa, Fernando Martinez de Toda, Marielle Adrian, Aurelio Gomes Cadenas, José Miguel Martinez Zepater
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Torregrosa, Fernando Martinez de Toda

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayonnement ultraviolet B

Vigne

Changements climatiques

Mots clés libres

Acclimatation

Changement climatique

Rayonnement UV-B

Réponse photosynthétique

Vigne

Grapevine

UV-B radiation

Climate change

Photosynthetic response

Acclimation

Flavonoid profile

Résumé

Ce travail de thèse porte sur l’effet du rayonnement UV-B sur la physiologie foliaire et la maturation des baies chez la Vigne (Vitis vinifera L. cv Tempranillo), dans le contexte du changement climatique en cours. Dans ce but, des expériences ont été menées en conditions contrôlées en serre, sur des boutures fructifères. Les plantes ont été exposées à trois doses de rayonnement UV-B biologiquement actifs (0, 5,98 et 9,66 kJ.m-2.jour-1), soit à partir de la nouaison, soit à partir de la véraison, et ce jusqu’à la pleine maturité. Le rayonnement UV-B a été appliqué seul ou en combinaison avec d’autres stress abiotiques (déficit hydrique, taux de CO2 et température élevés). L’impact de ces stress sur l’activité photosynthétique, les contenus en pigments et en composés photoprotecteurs, ainsi que sur les activités des enzymes produisant des composés antioxydants, ont été étudiés. La phénologie, les profils d’accumulation des flavonols et des anthocyanes, ainsi que le contenu en acides aminés des baies ont également été analysés, de même que l’expression des principaux gènes régulateurs et structuraux de la voie de biosynthèse des polyphénols. Les résultats obtenus montrent que les effets des UV-B sur la physiologie foliaire peuvent être découpés en deux phases : une première phase transitoire de diminution de l’activité photosynthétique, suivie d’une phase d’acclimatation due à la production de composés photoprotecteurs (flavonoïdes essentiellement) et à l’activité d’enzyme de détoxification des forme actives de l’oxygène (superoxyde dimutase, catalase, ascorbate peroxidase). Le déficit hydrique, le stress thermique et un taux de CO2 élevé (700ppm, +4ºC) ne modifient pas le processus d’acclimatation aux UV-B ; en revanche on note une interaction positive entre les UV-B d’une part et la tolérance aux températures et au taux de CO2 élevé d’autre part, atténuant les dommages oxydatifs dus à l’induction de sénescence par ces deux derniers facteurs. La maturité des baies est retardée par les UV-B et le déficit hydrique, et ce phénomène et amplifiés lorsque ces deux stress sont appliqués en combinaison ; alors que les hautes températures et un taux de CO2 élevé ont l’effet inverse. Dans ce dernier cas, le UV-B rayonnement atténue les effets du couple température/CO2 élevés. Ces effets sur la phénologie de la Vigne ont pu être reliés à des modifications de l’activité photosynthétique des feuilles. En ce qui concerne la composition des baies, l’augmentation du rayonnement UV-B et le déficit hydrique ont augmenté les concentrations en anthocyanes et en potassium des moûts et diminué leur acidité, ce qui peut s’expliquer en partie par une augmentation du ratio de masse pellicule/pulpe. L’augmentation des teneurs en anthocyanes et flavonols des pellicules observée en réponse aux UV-B a pu être reliée à l’induction de gènes structuraux (CHS, F3’H, FLS, UFGT and GST) et régulateurs (MYBF1 et MYBA1) de la voie de biosynthèse des flavonoïdes. Ces changements quantitatifs étaient toujours associés à des changements qualitatifs, avec une augmentation de la part relative des flavonols mono- et disubstitués, en raison d’une compétition de la flavonol synthase avec les F3’ et F3’5’ hydroxylases pour les mêmes substrats. Une interaction notable a été observée entre le rayonnement UV-B et le déficit hydrique, sur les profils d’hydroxylation des flavonols, ce qui s’explique par le fait que ces deux facteurs agissent sur deux étapes distinctes de la voie de biosynthèse.

The aim of the thesis was to assess the effect of UV-B radiation on grapevine Vitis viniferacv. Tempranillo leaf physiology and grape berry composition, framed within the climatechange scenario. Experiments were conducted under glasshouse controlled conditions withfruit-bearing cuttings. Plants were exposed to three UV-B biologically effective doses (0,5.98, 9.66 kJ m-2 d-1) either from fruit set or veraison to maturity. The combined effects of UVand water deficit, as well as, UV-B and elevated CO2-temperature (700ppm, +4ºC), appliedfrom fruit set to maturity were also tested. Gas exchange, Chlorophyll a fluorescence, lipidperoxidation, antioxidant enzyme activity, UV-B absorbing compound levels and chlorophylland carotenoid concentration were determined in leaves. Berry development was assessedquantitatively (e.g. elapsed time to reach phenological stages). Amino acid, anthocyanin andflavonol concentrations and profiles were analyzed in berries, as well as, transcript profilingof regulatory and structural genes involved in flavonoid biosynthesis.The results show that initial down-regulation of photosynthesis was followed by anacclimation, mediated by the accumulation of UV-B absorbing compounds and antioxidantresponse elicitation (flavonoids and antioxidant enzymes). Water deficit and elevated CO2-temperature did not alter UV-B acclimation process, however, UV-B did led to certain degreeof cross-tolerance to elevated CO2-temperature, avoiding the senescence-induced oxidativedamage. Berry technological maturity (ca. 22ºBrix) was delayed by UV-B exposure and waterdeficit, especially when combined, whereas it was hastened by elevated CO2-temperature. Inthe last case, UV-B attenuated the effect of elevated CO2 and temperature. Changes in berryripening rates were associated with changes in photosynthetic performance.UV-B radiation and water deficit induced lower grape must acidity, mediated by increases inrelative skin mass or potassium levels rather than a decrease in organic acid concentration.In addition this increase in relative skin mass may have contributed to higher anthocyaninconcentration in the must. Grape berry skin flavonol and anthocyanin concentration wasincreased by UV-B, mainly due to the up-regulation of the structural (CHS, F3’H, FLS, UFGTand GST) and regulatory genes (MYBF1 and MYBA1) committed to their synthesis.Quantitative changes in flavonol concentration induced by UV-B were always associated withqualitative changes in flavonol profile (i.e. increased relative abundance of mono- anddisubstituted flavonols), as a result of the competition of FLS with flavonoid hydroxylases(F3’H and F3’5’H) for the same substrates. The independent up-regulation of FLS and F3’5’Hby UV-B radiation and water deficit, respectively, resulted in an intaractive effect on theflavonol B ring hydroxylation pattern. Under elevated CO2-temperature anthocyanin-sugaraccumulation was decoupled. However, UV-B partially alleviated this uncoupling by upregulatinganthocyanin biosynthesis and modulating berry ripening rates.UV-B radiation greatly influenced grapevine leaf physiology and berry composition. Theseresponses to UV-B were modulated, to a greater or lesser extent, by other factors linked toclimate change (water availability, atmospheric CO2 levels and temperature).