Analyse multi-espèces de la croissance et du métabolisme des sucres en lien avec la qualité des fruits : approche par modélisation écophysiologique

Multi-species analysis of growth and sugar metabolism related to fruit quality : ecophysiological modelling approach

• Auteur / Autrice : Coffi Belmys Cakpo
• Direction : Michel Génard, Valentina Baldazzi, Gilles Vercambre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences Agronomiques
• Date : Soutenance le 17/12/2019
• Etablissement(s) : Avignon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et agrosciences (Avignon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Plantes et systèmes de culture horticoles (Avignon)
• Partenaire(s) de recherche : projet ANR FRIMOUSS : Agence nationale de la recherche (France)
• Jury : Président / Présidente : Huguette Sallanon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Huguette Sallanon, Christophe Bugaud, Gerhard Buck-Sorlin, Marion Prudent
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Bugaud, Gerhard Buck-Sorlin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Plantes -- Écophysiologie

Métabolisme

Glucides

Croissance

Qualité

Baies (fruits)

Mots clés libres

Fruits charnus

Qualité

Croissance

Multi-espèces

Métabolisme des sucres

Modélisation écophysiologique

Fleshy fruits

Quality

Growth

Multi-species

Sugar metabolism

Ecophysiological modeling

Résumé

Depuis quelques années, la demande de produits de qualité est devenue importante pour les différents acteurs de la filière « fruits », jusqu’aux consommateurs pour des aspects gustatifs et nutritionnels. Le métabolisme des sucres est une cible évidente pour répondre à ces exigences. En effet, le métabolisme des sucres solubles fournit les précurseurs pour la synthèse des composés nécessaires à la croissance et au développement (composés structuraux), mais également à la synthèse des composés qui confèrent les valeurs gustatives comme les sucres solubles et les acides organiques. C’est pourquoi la compréhension des processus impliqués dans leurs accumulations au cours du développement des fruits est nécessaire. Par conséquent, la compréhension de l’élaboration de la croissance et de la qualité des fruits charnus nécessite une approche holistique. La modélisation écophysiologique offre un outil puissant pour appréhender l’interaction entre processus et un cadre unificateur pour étudier la croissance du fruit et le métabolisme des sucres en lien avec la qualité des fruits. L’objectif de cette thèse a été de mettre l’accent sur les traits impliqués dans la croissance et l’accumulation des métabolites, observés chez différentes espèces de fruits charnus.Dans ce cadre, nous avons sélectionné 10 espèces de fruits charnus (nectarine, pomme, clémentine, concombre, kiwi, fraise, poivron, aubergine, tomate, raisin) et combiné des approches expérimentales et de modélisation pour comprendre les processus majeurs qui pilotent la croissance des fruits et les concentrations en métabolites primaires (en particulier, les sucres solubles et l’amidon). Une première analyse de ces données expérimentales nous a permis de mettre en évidence une grande variabilité des caractéristiques biophysiques (masses fraîches, sèches, conductance cuticulaires, potentiel hydrique du fruit, pression osmotique, …) en relation avec leurs compositions biochimiques (sucres solubles totaux, acides organiques, amidon). Par la suite nous avons pu distinguer, au moyen d’un modèle sucres solubles/amidon développé au cours de cette thèse, les processus impliqués dans la dynamique d’accumulation du sucre. Ceci nous a permis d’obtenir des paramètres métaboliques à partir desquels nous avons pu classer les espèces en 6 groupes. La dynamique des processus impliqués dans l'accumulation du sucre a révélé chez ces espèces différentes stratégies d’accumulation et de régulation des teneurs en sucres solubles au cours de leur développement. Ce modèle a ensuite été couplé au modèle de croissance biophysique du fruit (Fishman and Génard, 1998). Le couplage a été réalisé en intégrant l’effet des sucres solubles sur le potentiel osmotique, permettant de mettre en évidence le lien entre stratégie liée à la dynamique sucres/amidon et les flux d’eau vers le fruit. Ce couplage a également nécessité l’extension du modèle biophysique de croissance en intégrant des connaissances nouvelles, en particulier sur l’évolution de la fonctionnalité des réseaux vasculaires. Le couplage des deux modèles nous a permis de décrire la croissance des fruits et les variations de la concentration des métabolites primaires, notamment les sucres solubles et l’amidon, durant la croissance du fruit. Ce couplage nous a aussi permis d’identifier les points de régulations entre les processus biophysiques et biochimiques. L’estimation des paramètres du modèle a mis en évidence des stratégies de croissance différentes entre les espèces à durée de croissance courtes et longues, stratégies associées à la fois au transport des sucres et aux propriétés hydrauliques.

In recent years, demand for quality products, including taste and nutritional aspects, has become important for both fruit stakeholder and consumers. Sugar metabolism is an obvious target to meet these requirements. Indeed, the metabolism of soluble sugars provides the precursors for the synthesis of compounds necessary for growth and development (structural compounds), but also for the synthesis of compounds involved in fruit tasting value such as soluble sugars, organic acids, anthocyanins and aromatic compounds. In addition to these functions, the metabolism of soluble sugars contributes to the regulation of water import, which is essential for fruit growth. Therefore, understanding the development of fleshy fruit quality requires a holistic approach. Ecophysiological modeling offers a powerful tool to understand the interaction between processes and a unifying framework to study fruit growth and sugar metabolism in relation to fruit quality.The aim of this thesis was to investigate similarities and differences in fruit growth and sugar accumulation strategies across 10 contrasting species of fleshy fruits (nectarine, apple, clementine, cucumber, kiwi, strawberry, pepper, eggplant, tomato, and grape). We used a combination of experimental and modelling approaches to understand the major processes that control fruit growth and primary metabolite concentrations (in particular, soluble sugars and starch).A first analysis of experimental data allowed us to highlight a great variability both in the biophysical characteristics (fresh, dry masses, cuticular conductance, hydric potential of the fruit, osmotic pressure,...) and in the biochemical composition (total soluble sugars, organic acids, starch) of fleshy fruits.We then developed a generic sugar model and used it to quantify the effects of major physiological and dilution processes that affect sugar concentration in fruits.Results showed that the ten species of this study can be split up into 6 groups based on their metabolic profiles. Inspection of the dynamics of the processes involved in sugar accumulation revealed the existence of distinct accumulation patterns across species, during fruit development.The sugar model was then coupled to a biophysical model of fruit growth (Fishman and Génard, 1998). The coupling was carried out by integrating the effect of soluble sugars on osmotic pressure, making it possible to highlight the link between sugar/starch dynamics and water flows to the fruit. This coupling also required the extension of the biophysical growth model, in particular in what concerns the evolution of vessel functionThe integrated sugar-growth model allowed us to reproduce differences in fruit growth curves and in the evolution of metabolite concentration, including soluble sugars and starch, during fruit development. The estimation of the model parameters revealed different growth strategies between species with short and long growth durations, strategies associated with both sugar transport and hydraulic properties.