Fonctionnement de la plante agressée : étude du pathosystème Tomate - Tuta absoluta en interaction avec la fertilisation azotée

How do plants defend themselves? : Study of the Tomato - Tuta absoluta pathosystem in interaction with nitrogen fertilization

• Auteur / Autrice : Victoire Coqueret
• Direction : Christophe Robin, Romain Larbat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences agronomiques
• Date : Soutenance le 12/12/2017
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire agronomie et environnement (Vandoeuvre-lès-Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Marielle Adrian
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marco Trevisan, François J. Verheggen, Sybille Unsicker
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marco Trevisan, François J. Verheggen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plantes -- Moyens de défense

Composés organiques volatils

Plantes -- Effets de l'azote

Lépidoptères parasites

Résistance aux insectes

Tomates

Plantes -- Écophysiologie

Mots clés libres

COV

Limitation azotée

Défense

Résistance

Tolérance

Tomate

Tuta absoluta

Defence

Nitrogen limitation

Resistance

Tolerance

Tomato

Tuta absoluta

VOC

Résumé

L’identification des réponses écophysiologiques des plantes est un préalable pour améliorer les défenses naturelles des plantes et réduire l’usage d’intrants chimiques dans les cultures. Les réponses des plantes vis-à-vis d’une agression herbivore fait intervenir des mécanismes de résistance et de tolérance. Les réponses à une agression d’une larve mineuse sont peu documentées contrairement aux insectes piqueurs ou broyeurs. L’objectif de ma thèse a été de caractériser les traits de réponse de la tomate vis-à-vis de Tuta absoluta afin de déterminer les réponses locales et systémiques en termes de composés solubles et volatils. Nous avons regardé les réponses de la tomate soumise à deux niveaux contrastés de la disponibilité en azote, sachant que l’azote est un levier sur lequel il est possible de s’appuyer pour modifier le niveau de défense des plantes. Nous avons travaillé sur la tomate, une solanacée cultivée en hydroponie et sujette à un ravageur Tuta absoluta. Notre stratégie de recherche s’est portée sur l’identification et la quantification des composés de défense solubles et volatils, et sur la détermination du pouvoir nutritionnel des tissus foliaires. Nous avons montré que la plante de tomate met en place une résistance induite par l’herbivore se traduisant par une augmentation de la concentration en acide chlorogénique, caffeoyl putrescine et tomatine localement au niveau de la zone parasitée et / ou de manière systémique dans les autres compartiments foliaires non infestés. Le rôle de ces molécules dans la défense de la tomate vis-à-vis de Tuta absoluta doit encore être confirmé. Nous avons montré aussi que la tomate met en place une défense indirecte contre Tuta absoluta, basée sur l’émission de composés volatils au voisinage des plantes. Nous avons identifié plusieurs nouveaux COVs synthétisés lors de l’herbivorie par Tuta absoluta (m-cymène, menthatriène, ß-cis-ocimène, ß-phellandrène, terpinolène, ß−caryophyllène, humulène). Parmi tous les COVs que nous avons identifiés, certains sont connus pour être émis en plus grande quantité lors d’une attaque herbivore et jouer un rôle dans l’attraction des insectes prédateurs ou la répulsion des femelles pondeuses. Ainsi, leur élicitation semble générique de l’herbivorie et pas spécifique de Tuta absoluta. La spécificité des interactions tomate - Tuta absoluta pourrait être renforcée par des analyses plus poussées en métabolomique, transcriptomique (expression de gènes RNAseq) et en s’intéressant aux voies de signalisation induite. Contrairement à ce qui était attendu, nos résultats montrent peu d’effets de la limitation en azote sur les réponses observées. Néanmoins, comme ce qui a été démontré précédemment, la limitation azotée impacte le développement larvaire. Mes travaux ont permis de renforcer l’hypothèse ''trophique'' du ralentissement du développement larvaire par la limitation en azote. Ainsi, la stœchiométrie du bol alimentaire est fortement modifiée et les larves doivent consommer plus de matières pour acquérir l’azote nécessaire à leur développement. Néanmoins nous ne pouvons pas écarter l’hypothèse ''composés de défense''. En effet, nous avons montré que les concentrations en composés phénoliques et tomatine et des émissions de COVs supposés être impliqués dans la défense constitutive, sont plus fortes en cas d’une limitation en azote. La diversité et la complémentarité des expérimentations permettront aux données acquises d’alimenter un modèle de fonctionnement de la plante agressée qui pourrait comporter une fonction de défense réactive à la nutrition azotée

The identification of ecophysiological responses of plants is a prerequisite for improving the natural defences of plants and reducing the use of chemical inputs in crops. Plant responses to herbivorous attack involve defence and tolerance mechanisms. Plant responses to a leafminer larva are pourly documented, in contrast to chewing and piercing insects. The objective of my Ph.D. was to characterize the tomato trait responses to Tuta absoluta herbivory in order to determine the local and systemic responses in terms of soluble and volatile compounds. We looked at the responses of tomatoes subjected to two contrasting levels of nitrogen availability, knowing that nitrogen is a lever to promote the basal plant defence level. We worked on tomato, a Solanaceae, grown in hydroponics and subjected to Tuta absoluta. Our research strategy has focused on identifying and quantifying soluble and volatile defence compounds and determining the nutritional value of foliar tissues. We have shown that tomatoes establish an induced- resistance against the herbivore, which results in a concentration increase of chlorogenic acid, caffeoyl putrescine and tomatine locally at the level of the parasite zone and / or systemically in the others non-infested foliar compartments. The defence role of these molecules on Tuta absoluta has yet to be confirmed. We have also shown that tomatoes set up an indirect defence against Tuta absoluta, based on the emission of volatile compounds in the vicinity of plants. We have identified several new herbivore-induced VOCs (m-cymene, menthatriene, ß-cis-ocimene, ß-phellandrene, terpinolene, ß−caryophyllene, humulene). Some of the identified VOCs are known to be emitted in greater quantities during a herbivorous attack and to play a role in attracting predatory insects or repelling egg-laying females. Thus, their elicitation seems generic to herbivory and not specific to Tuta absoluta. The specificity of tomato - Tuta absoluta interactions could be enhanced by further analysis in metabolomics, transcriptomics (expression of RNAseq genes) and by investigating the induced signaling pathways. Contrary to what was expected, our results show little effect of the nitrogen limitation on the observed responses. Nevertheless, as demonstrated previously, nitrogen restriction affects larval development. My work has reinforced the “trophic“ hypothesis of slowing larval development by a limited nitrogen availability. Thus, the stoichiometry of the food bowl is highly modified and the larvae have to consume more material to acquire the nitrogen necessary for their development. Nevertheless, we can not exclude the hypothesis “compounds of defence“. Indeed, we have shown that the concentrations of phenolic compounds and tomatine and of the VOC emission supposed to be involved in the constitutive defence are increased in the case of nitrogen limitation. The diversity and complementarity of the experiments will allow the acquired data to feed a functional model of the attacked plant. This model might include plant nitrogen regimes as a reactive plant defence factor