Relations structure-fonction des cuticules végétales : architecture du continuum cutine-paroi, son assemblage et ses propriétés mécaniques

Structure-function relationships of plant cuticle : architecture of the cutin-cell wall continuum, its assembly and mechanical properties

• Auteur / Autrice : Nicolas Reynoud
• Direction : Bénédicte Bakan, Marc Lahaye
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie et physiologie végétales et animales
• Date : Soutenance le 15/05/2023
• Etablissement(s) : Nantes Université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Végétal, Animal, Aliment, Mer, Environnement (Angers ; 2022-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biopolymères, Interactions, Assemblages BIA (Unité de recherche INRA - Université de Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Simier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Notburga Gierlinger
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christiane Nawrath, Jean-Claude Mollet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éco-matériaux

Physiologie végétale

Mots clés libres

Cuticules végétales

Polymères

Imagerie multimodale

Tomate

Propriétés mécaniques

Cuticle

Polymer

Multimodal imaging

Tomato

Mechanical properties

Résumé

La cuticule est une matrice polymérique complexe qui protège tous les organes aériens des plantes et remplit de multiples rôles biologiques. Bien que ces propriétés fonctionnelles dépendent largement des caractéristiques structurales de la cuticule, son architecture n’est pas encore élucidée. L’objectif de cette étude était de déterminer les relations structure-fonction de la cuticule végétale en utilisant le fruit de tomate comme modèle, profitant également de la croissance amplement décrite du fruit et de sa grande diversité génétique pour étudier l’assemblage de la cuticule. Une méthodologie d’imagerie hyperspectrale a été mise au point révélant le fin remodelage de l’architecture de la cuticule au cours de l’expansion et de la maturation du fruit. Par ailleurs, la microscopie à force atomique (AFM) et la spectroscopie infrarouge (OPTIR) ont été intégrées dans une méthodologie d’imagerie corrélative multimodale. Les cartographies obtenues ont mis en évidence des corrélations entre les gradients chimiques et les propriétés mécaniques. Le fin remodelage permettant ainsi à la cuticule de s’adapter aux différentes phases de développement du fruit Des approches spectroscopiques et biochimiques ont été également employées pour caractériser la composition chimique et l’architecture de mutants affectés dans le dépôt de cutine, dévoilant divers mécanismes compensatoires impliquant tous les constituants de la cuticule. Enfin, l’analyse de l’épiderme interne a montré une cuticule fine avec une composition chimique particulière, résultant probablement d’une autre voie de biosynthèse de la cutine. Par ailleurs, le rôle essentiel de la cutine et des pectines dans l’assemblage de la cuticule a été souligné. Ces résultats fournissent de nouvelles pistes pour les stratégies de sélection végétale pour faire face aux dérèglements climatiques et pour la conception de matériaux biosourcés et biosinspirés.

The cuticle is a complex polymer matrix that protect all aerial organs of plants and fulfils multiple biological role. While these functional properties depend largely on the structural features of cuticles, its architecture is not yet elucidated. The aim of our study was to decipher the structure-functions relationships of plant cuticle using tomato fruit as a model, taking advantage of the well-described growth of the fruit and its large genetic diversity to study the assembly of the cuticle. A hyperspectral imaging methodology was developed revealing the fine tuning of cuticle architecture during fruit expansion and ripening. Besides, atomic force microscopy (AFM) and infrared spectroscopy (OPTIR) were further implemented in a correlated multimodal in-depth imaging methodology. The resulting maps highlighted correlations between chemical gradients and mechanical properties. This fine tuning enables the cuticle to accommodate the different phases of fruit development. Biochemical and spectroscopic approaches were also employed to elucidate the chemical composition and architecture of mutants affected in cutin deposition. Looking through lipids, phenolics and polysaccharides composition, compensatory mechanisms were evidenced. Finally, the inner epidermis was investigated and showed a thin cuticle with peculiar chemical composition likely resulting from another cutin biosynthesis machinery. Interestingly, in both inner and outer epidermis, cutin and pectin appeared essential for cuticle assembly. These results provide new leads for plant breeding strategies to cope with climate deregulations and for the specific design of biobased and bioinspired materials.