Thèse Outils et Méthodes Optiques pour la Transition Agroécologique Application à l'Étude de Blé en Mélange Variétal ou Mélange Blé-Légumineuse Soumis à un Stress Biotique H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Institut Agro Montpellier École doctorale : GAIA - Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau Laboratoire de recherche : ITAP - Technologies & méthodes pour les agricultures de demain Direction de la thèse : Ryad BENDOULA ORCID 0000000331318436 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-07T23:59:59 La septoriose du blé (Zymoseptoria tritici) et la rouille brune (Puccinia triticina) comptent parmi les principales maladies fongiques du blé en Europe. Les réponses des plantes à ces pathogènes sont aujourd'hui bien décrites : elles reposent sur la reconnaissance de l'agent infectieux, l'activation de voies hormonales - notamment celle de l'acide salicylique - et l'induction de défenses biochimiques telles que la production de flavonoïdes ou la synthèse de lignine.
Les mélanges variétaux de blé, en introduisant une diversité intraspécifique, réduisent généralement la sensibilité à ces maladies, aussi bien au champ qu'en conditions contrôlées. Ces effets sont classiquement attribués à des mécanismes épidémiologiques (effet barrière, modification du microclimat). Toutefois, des travaux récents suggèrent l'existence de mécanismes moléculaires indépendants de la dynamique de propagation des pathogènes. Encore peu caractérisés, ces processus nécessitent une approche intégrative tenant compte de la dynamique temporelle des réponses végétales et de leur variabilité entre organes, des feuilles aux racines.
Dans ce contexte, les méthodes optiques non invasives - imagerie hyperspectrale (VIS-NIR-SWIR), spectroscopies (NIR, Raman) et fluorescence chlorophyllienne - apparaissent particulièrement adaptées pour détecter et caractériser les altérations physiologiques induites par des stress biotiques ou abiotiques. L'équipe COMIC de l'UMR ITAP développe depuis plusieurs années des capteurs et des approches innovantes permettant de suivre l'état physiologique des plantes et les modifications induites par différents stress, en serre comme au champ. Plus récemment, elle a mis au point des dispositifs offrant une haute résolution temporelle afin d'identifier des signatures précoces et spécifiques des perturbations physiologiques.
À ce jour, une seule étude a montré que la communication entre plants de maïs soumis à l'herbivorie pouvait être détectée par imagerie hyperspectrale couplée à des analyses chimiométriques. Ce travail souligne la difficulté de distinguer les signaux liés aux stress biotiques de ceux provoqués par des stress abiotiques. Des approches multicapteurs sont désormais proposées pour améliorer la spécificité des diagnostics.
Afin de renforcer la robustesse des interprétations, il apparaît essentiel d'établir des liens directs entre signatures optiques et processus physiologiques sous-jacents. La combinaison de mesures optiques à haute résolution avec des approches métabolomiques et protéomiques constitue ainsi une stratégie particulièrement pertinente.
Cette étude repose sur l'hypothèse que la présence d'une plante voisine induit des modifications des profils phytochimiques foliaires, associées à des variations détectables par imagerie hyperspectrale et biospeckle. Elle postule également que les interactions entre cultivars au sein des mélanges variétaux modulent la sensibilité aux pathogènes via des signaux physiques et/ou chimiques, générant des signatures optiques spécifiques. En combinant données optiques acquises en temps réel et profils métabolomiques et protéomiques, l'objectif est d'identifier des signatures spectrales robustes du stress et de mieux comprendre le rôle de la communication inter-variétale dans la modulation des réponses aux pathogènes.

La septoriose du blé (STB), causée par Zymoseptoria tritici, et la rouille brune du blé (LR), provoquée par Puccinia triticina, figurent parmi les principales maladies fongiques du blé en Europe (Fones & Gurr, 2015). Les réponses des plantes à ces pathogènes sont désormais bien décrites : elles reposent sur la reconnaissance de l'agent infectieux, l'activation de voies hormonales - notamment celle de l'acide salicylique - et l'induction de défenses biochimiques telles que la production de flavonoïdes ou la synthèse de lignine (Brennan et al., 2019 ; Seybold et al., 2020).
La diversité intraspécifique dans les mélanges variétaux de blé réduit généralement la sensibilité à la STB et à la LR, aussi bien en conditions de plein champ (Kristoffersen et al., 2020 ; Montazeaud et al., 2022) qu'en conditions contrôlées (Mathieu et al., 2024). Si ces effets sont majoritairement attribués à des mécanismes épidémiologiques (effet barrière, microclimat), des travaux récents ont mis en évidence l'existence de mécanismes moléculaires indépendants de la dynamique de propagation des pathogènes (Pélissier et al., 2023). Encore peu caractérisés, ces processus nécessitent une approche intégrative tenant compte de la dynamique temporelle des réponses et de leur variabilité entre organes, des feuilles jusqu'aux racines.
Dans ce contexte, les méthodes optiques non invasive, telles que l'imagerie hyperspectrale (VIS-NIR-SWIR), spectroscopies (NIR, Raman) et fluorescence chlorophyllienne, apparaissent particulièrement adaptées pour détecter et caractériser les altérations physiologiques induites par des stress biotiques ou abiotiques (Zhang et al., 2019 ; Atanassova et al., 2023).
L'équipe COMIC de l'UMR ITAP contribue activement à cette thématique en développant de nouvelles approches et de nouveaux capteurs optiques permettant de caractériser et de suivre l'état physiologique des plantes ainsi que les modifications induites par différents stress, biotiques comme abiotiques, aussi bien en conditions contrôlées (serre) qu'en milieu réel (champ) (Abdelghafour et al., 2023 ; Ryckewaert et al., 2022). Plus récemment, l'équipe COMIC a développé des approches permettant de caractériser, avec une haute résolution temporelle, l'évolution des réponses physiologiques de plantes soumises à un stress, en vue d'identifier des signatures précoces et spécifiques de ces perturbations. Ces travaux ont été réalisés dans le cadre des thèses d'Héloïse Villessèche (UMR ITAP/UMR PHIM - 2023) (Villesseche et al., 2022) et de Shérif Bouzaouia (UMR ITAP - 2024) (Bouzaouia et al., 2024).
À ce jour, une seule étude (Do Prado Ribeiro et al., 2018) a montré que la communication entre plants de maïs soumis à l'herbivorie pouvait être détectée par une approche non invasive combinant imagerie hyperspectrale et analyses chimiométriques. Malgré son caractère pionnier, cette étude présente des limites méthodologiques, soulignant la difficulté de discriminer les signaux liés aux stress biotiques de ceux induits par des stress abiotiques. Des approches intégratives reposant sur des dispositifs multicapteurs sont aujourd'hui proposées pour améliorer la spécificité des diagnostics (Zarco-Tejada et al., 2018).
Afin de renforcer la robustesse des interprétations, il est nécessaire d'établir des liens directs entre signatures optiques et processus physiologiques sous-jacents. La combinaison de mesures optiques à haute résolution et d'approches métabolomiques et protéomiques apparaît ainsi particulièrement pertinente.
Cette étude repose sur l'hypothèse que la présence d'une plante voisine induit des modifications des profils phytochimiques foliaires, associées à des variations détectables par imagerie hyperspectrale et biospeckle. Elle postule également que les interactions entre cultivars dans les mélanges variétaux modulent la sensibilité aux pathogènes via des signaux physiques et/ou chimiques, générant des signatures optiques spécifiques. En combinant données optiques acquises en temps réel et profils métabolomiques et protéomiques, l'objectif est d'identifier des signatures spectrales robustes du stress et de caractériser le rôle de la communication inter-variétale dans la modulation de ces réponses.
Cette thèse vise à développer des outils et méthodes pour la transition agroécologique qui intègrent la détection optique multimodale non destructive ainsi que l'analyse multi-omique afin d'étudier les réponses du blé cultivé à un stress biotique (infection fongique aérienne) et aux interactions entre cultivars médiées par les racines.
La thèse abordera les questions clés suivantes :
- les méthodes optiques proposées basées sur l'imagerie hyperspectrale et l'imagerie biospeckle sont-elles suffisamment sensibles pour différencier les réponses à des stress biotiques dans le cas d'une culture monovariétale par rapport au cas d'un mélange variétal ?
- Est-ce que nos approches sont suffisamment sensibles pour capter la modulation de la réponse de la plante au stress biotique pour différents mélanges variétaux ?
- Peut-on décrire temporellement le cycle de cette interaction au cours du développement du blé et ainsi identifier des phases clés à étudier au niveau moléculaire par les biochimistes ?
Les expérimentations végétales de culture de blé se tiendront dans les serres de l'UMR PHIM, tout comme les mesures de métabolomique et transcriptomique. Le matériel optique (spectromètres, imageurs hyperspectraux, imageurs speckle et biospeckle) est déjà disponible à l'UMR ITAP et sera installé dans les serres pour les mesures in situ.
D'un point de vue opérationnel, la méthodologie générale à mettre en oeuvre dans ce projet pluridisciplinaire comprendra les étapes suivantes :
- Différentes variétés de blé seront cultivées sous différentes modalités (monovariétale, mélange variétal). Un plan d'expérience devra être consciencieusement établi, avant de commencer les campagnes expérimentales, pour dimensionner les cultures. Les plantes seront cultivées dans des sols permettant ou non la communication racinaire entre les individus.
- Les plants seront mesurés au cours du temps dans la serre avec les outils optiques sélectionnés, avec un pas de temps régulier, sur l'ensemble de la culture (environ 6 semaines).
- Certaines plantes seront prélevées afin de mettre en place des mesures de métabolomique non ciblées par LC-MS et GC-MS.
Le projet de thèse mené sur une période de 36 mois suivra le programme suivant :
- Bibliographie et compréhension des différents phénomènes optiques et biologiques mis en jeu, appropriation des outils optiques et de traitement du signal existants,
- Définition du plan d'expérience et campagnes expérimentales sur matériel biologique. Ceci implique donc une prise en main et validation des protocoles de culture de blé mono- et inter-variétal, avec ou sans traitement de stress fongique aérien. En parallèle, aura lieu l'acquisition des données,
- Exploitation et traitements de la donnée acquise.

Le candidat recherché devra présenter une formation sciences du vivant/physiologie des plantes. Une expérience en spectrometrie et
en chimiométrie ou en statistique appliquée soit au travers de la formation initiale, soit au travers du stage de fin d'études est
demandée