Effets de l’élicitation par les UV-C et le peroxyde d’hydrogène sur le métabolisme de deux génotypes de piment

Effects of UV-C and hydrogen peroxide elicitation on the metabolism of two chilli genotypes

• Auteur / Autrice : Coline Pons
• Direction : Laurent Urban, Jawad Aarrouf
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Agrosciences et sciences
• Date : Soutenance le 04/07/2023
• Etablissement(s) : Avignon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et agrosciences (Avignon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UPRI
• Jury : Président / Présidente : Marie-Geneviève Dijoux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jawad Aarrouf, Raphaël Lugan, Camille Rozier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nathalie Vaillant-Gaveau, Christian Jay-Allemand

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capsaïcine

Métabolomique

Caroténoïdes

Peroxyde d'hydrogène

Rayonnement ultraviolet

Capsicum

Mots clés libres

Capsicum

UV-C

Peroxyde d’hydrogène

Élicitation

Caroténoïdes

Capsaïcinoïdes

Métabolomique

Capsicum

UV-C

Hydrogen peroxide

Elicitation

Carotenoids

Capsaicinoids

Metabolomics

Résumé

ID4FEED est une société dont le siège est basé à Annecy (74), qui contribue à la recherche et au développement d’aliments complémentaires pour les animaux d’élevage, basés sur des extraits de plantes. Certains composés naturels des plantes renforçant les défenses immunitaires des animaux sont particulièrement prometteurs en tant qu’alternatives aux antibiotiques, comme les capsaïcinoïdes, qui, et les caroténoïdes. Ces deux familles de molécules sont accumulées simultanément et en quantités importantes dans les plantes du genre Capsicum. Plusieurs facteurs de stress biotiques ou abiotiques modulent les flux de biosynthèse du métabolisme secondaire des plantes et influencent notamment les concentrations en capsaïcinoïdes et caroténoïdes des piments. Parmi les facteurs physiques susceptibles de stimuler la synthèse de ces composés d'intérêt, les rayonnements UV-C sont actuellement très étudiés car ils amorcent des voies de signalisations moléculaires régulatrices du métabolisme secondaire. Au cours de mes travaux de thèse, les effets des rayonnements UV-C, ainsi que du H2O2, un intermédiaire oxydatif des voies de signalisation du stress chez les végétaux, ont été étudiés sur la synthèse et l’accumulation des caroténoïdes et des capsaïcinoïdes dans les fruits de deux génotypes de piment. Le premier objectif a été de développer des méthodes de profilage ciblées pour doser les métabolites d’intérêt, pour identifier les modalités d’application des traitements capables d'augmenter ces concentrations dans les fruits de deux génotypes de piment, C. chinense ‘Habanero’ et C. frutescens ‘Bhut Jolokia’. L’innocuité des traitements de stimulation sur les plantes, fondamentale pour aboutir à un procédé valide industriellement, a été vérifiée systématiquement par la mesure de marqueurs physiologiques issus des courbes d’induction de la fluorescence maximale de la chlorophylle. Aucune des applications n'ayant permis d'augmenter la composition en caroténoïdes et capsaïcinoïdes des fruits, la réponse aux UV-C de plants de piment au stade végétatif a été étudiée. Des approches métabolomiques combinant profilages non ciblés et multiciblés en GC-MS et LC-MS/MS, couplées à des traitements de données par réseaux moléculaires et statistiques multivariées ont mis en évidence une protection très marquée des plantes traitées aux UV-C contre les effets physiologiques et métaboliques de la sécheresse. Les empreintes métaboliques (fingerprints) établies à partir de 1505 marqueurs ont révélé l'absence de perturbation du métabolome par le traitement UV-C, et au contraire une atténuation des symptômesmétaboliques de stress hydrique lorsqu’un épisode de sécheresse suivait le traitement UV-C. L'identification d'une centaine de composés a en outre montré l'implication de l’acide pipécolique, élément essentiel de la SAR au côté du SA, dans l'élicitation UV-C. En conclusion, les traitements d’élicitation testés n’ont pas permis de répondre à l’objectif industriel d’augmentation des concentrations en caroténoïdes et capsaïcinoïdes des fruits de piment. Plusieurs facteurs peuvent expliquer l'absence d’effets éliciteurs dans les fruits et sont discutés : comme la variabilité inter-individus, l'éclairage limitant dans nos conditions d’expérimentations ou simplement la physiologie des fruits. En revanche, lorsque la réponse a été étudiée à un stade plus précoce, sur des plantes en conditions contrôlées, les prétraitements aux UV-C ont amélioré considérablement la réponse des plantes au stress hydrique par effet de priming. La neutralité des traitements UV-C sur le métabolome et l'implication de l’acide pipécolique dans le priming aux UV-C sont rapportés, ouvrant à la fois des pistes de recherche inédites et des perspectives d'applications agronomiques.

ID4FEED is a company based in Annecy (74), which contributes to the research and development of complementary feeds for farm animals based on plant extracts. Some natural plant compounds that strengthen the immune system of animals are particularly promising as alternatives to antibiotics, such as capsaicinoids and carotenoids. These two families of molecules are accumulated simultaneously and in significant quantities in plants of the genus Capsicum. Several biotic or abiotic stress factors modulate the biosynthetic fluxes of secondary plant metabolism and influence capsaicinoid and carotenoid concentrations in peppers in particular. Among the physical factors likely to stimulate the synthesis of these compounds of interest, UV-C radiation is currently being studied because it initiates molecularsignaling pathways that regulate secondary metabolism. During my thesis work, the effects of UV-C radiation, as well as H2O2, an oxidative intermediate of stress signaling pathways in plants, were studied on the synthesis and accumulation of carotenoids and capsaicinoids in fruits of two pepper genotypes. The first objective was to develop targeted profiling methods to assay the metabolites of interest, to identify the modalities of application of treatments capable of increasing these concentrations in the fruits of two chili genotypes, C. chinense 'Habanero' and C. frutescens 'Bhut Jolokia'. The safety of the stimulation treatments on the plants, which is fundamental for an industrially valid process, was systematically verified by measuring physiological markers from the induction curves of maximum chlorophyll fluorescence. As none of the applications were able to increase the carotenoid and capsaicinoid composition of the fruits, the response to UV-C of pepper plants at the vegetative stage was studied. Metabolomic approaches combining non-targeted and multi-targeted profiling in GC-MS and LC-MS/MS, coupled with data processing by molecular networks and multivariate statistics revealed a very marked protection of UV-C treated plants against the physiological and metabolic effects of drought. Fingerprints from 1505 markers revealed the absence of metabolome perturbation by UV-C treatment, and on the contrary an attenuation of metabolic symptoms of water stress when a drought episode followed the UV-C treatment. The identification of about 100 compounds also showed the involvement of pipecolic acid, an essential component of SAR, in addition to SA, in the UV-C elicitation. In conclusion, the elicitation treatments tested did not meet the industrial objective of increasing carotenoid and capsaicinoid concentrations in pepper fruits. Several factors can explain the absence ofeliciting effects in fruits and are discussed: such as inter-individual variability, limiting lighting in our experimental conditions or simply the physiology of the fruits. On the other hand, when the response was studied at an earlier stage, on plants under controlled conditions, the UV-C pretreatments considerably improved the response of the plants to water stress by priming effect. The neutrality of UVC treatments on the metabolome and the involvement of pipecolic acid in UV-C priming are reported, opening both new research avenues and prospects for agronomic applications.