• Langue : Anglais
• Discipline : Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie
• Identifiant : 2024ULILS115
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 16/12/2024

Résumé en langue originale

Les fibres issues des plantes sont traditionnellement utilisées dans les textiles et représentent une alternative durable aux fibres synthétiques, notamment dans les matériaux composites. Les fibres de lin sont produites dans la tige, entre le parenchyme cortical et le phloème secondaire.L'extraction de ces fibres à partir de la tige commence par le processus de rouissage, au cours duquel les tiges de lin sont laissées sur le champ. Cette étape permet aux microorganismes de dégrader les polymères qui lient les fibres à la tige, principalement les pectines de la lamelles moyennes. Après le rouissage, des étapes mécaniques telles que le teillage, le peignage et la filature permettent de séparer et nettoyer les fibres.Le rouissage sur champs, pratiqué en Europe a l'inconvénient d'introduire de la variabilité dans les lots de fibres. Le rouissage est un processus biologique naturel complexe influencé par divers facteurs ce qui rend sa maîtrise difficile. Il est donc essentiel pour garantir une qualité constante des fibres de pouvoir contrôler ce process.Pour l'instant aucune méthode fiable permettant de mesurer l'avancée du rouissage directement sur champs n'a encore été établie. Nous pensons que l'utilisation de capteurs de l'intelligence artificielle pourraient être utilisés (Agriculture 4.0). Cependant, le déploiement de telles stratégies nécessite une connaissance plus approfondie des changements biologiques, biochimiques et physiques qui se produisent pendant le rouissage. Cette étape permettra d'identifier des marqueurs de rouissage fiables permettant de suivre l'avancée du rouissage. C'est l'objectif du projet Flaxtronic (I-Site PEARL 2021-24) dans lequel ces travaux de thèse s'inscrivent.Les principaux objectifs sont (i) d'accroître notre connaissance biologique du processus du rouissage en combinant des approches d'enzymologie, de chimie et de métaprotéomique, (ii) d'explorer la possibilité d'utiliser la spectroscopie vibrationnelle (FT-IR/Raman) pour suivre les modifications biochimiques qui s'opèrent pendant le rouissage, et (iii) Evaluer l'utilisation des changements de couleurs de la tiges au niveau du spectre comme marqueur physique et non destructif du rouissage.Dans ce travail, nous avons utilisé pour la première fois une approche basée sur la métaprotéomique pour étudier le rouissage sur champs du lin. La combinaison de la métaprotéomique et des approches enzymologiques et chimiques classiques, a permis, pour la première fois, d'identifier les enzymes microbiennes et végétales (CAZymes) impliquées dans la dégradation de la paroi cellulaire, ainsi que leur dynamique tout au long du rouissage. La comparaison de deux champs adjacents a montré que, malgré une majorité de microorganismes et d'enzymes soient communs, une certaine variabilité inter-champs (enzymes/microorganismes spécifiques) pourrait expliquer la différence de qualité dans les fibres obtenues pour chacun.Le suivi spectroscopique de pailles prélevées tout au long du rouissage et sur plusieurs champs a permis d'établir que la spectroscopie vibrationnelle FT-IR peut être utilisée pour suivre efficacement le rouissage. Des marqueurs clés ont pu être identifiés, comme par exemple le pic de 1733,8 cm-¹ pour la pectine estérifiée et le pic de 1317 cm-¹ pour l'hémicellulose. La significativité de ces liaisons chimiques permet d'indiquer le moment optimal de récolter les tiges rouies.Les changements de couleur des tiges qui s'opère pendant le rouissage ont été mesurés et quantifiés. L'analyse statistique des données a révélé que les changements associés aux longueurs d'onde spécifiques (450-460 nm et 610-620 nm) permettent de prédire de manière fiable la fin du rouissage.L'ensemble de ces résultats pourra faire l'objet d'intégrations statistiques poussées pour produire un modèle prédictif multimodale. Cela constituera une "boite à outils" sur laquelle un capteur permettant de suivre le rouissage sur champs pourra être construit.

Résumé traduit

Plant bast fibers, traditionally used in textiles, are gaining attention as sustainable alternatives to synthetic fibers, especially in composite materials. Flax (Linum usitatissimum L.) is a key crop in France's textile and materials industries due to its strong, flexible bast fibers found in the outer stem. The extraction of these fibers begins with the retting process, during which the flax stems are left in the field, allowing microbes to break down the pectic substances binding the fibers to the stem. After retting, mechanical steps like scutching, combing, and spinning are employed to fully separate and refine the fibers.Dew retting, the most common method used in Europe, is environmentally friendly but can introduce variability in the quality between fiber batches. Insufficient retting makes further extraction difficult and so fiber damages, while excessive retting weakens them by degrading fiber cell wall integrity. Retting is a complex natural process influenced by various factors that make it difficult to obtain fiber batches of standard quality. Standardizing the retting is essential to ensure consistent quality for sustainable textile production.Although several studies have attempted to develop tools for assessing the degree of retting, a reliable, non-destructive method has yet to be established. We believe that employing sensors and artificial intelligence could help overcome this challenge. However, this requires a deeper understanding of the biological, biochemical, and physical changes occurring during retting to identify reliable and consistent retting markers to monitor the retting from the fields. This is the objective of the FlaxTronic project (I-Site PEARL 2021-24) in which this thesis work is done.Key objectives of this thesis included (i) understanding biological and biochemical processes that occur during the retting, (ii) exploring vibrational spectroscopy (FT-IR/Raman) for monitoring chemical changes, and (iii) assessing stem color changes as non-invasive physical retting markers.While previous research has advanced our understanding of the bacterial and fungal communities involved in retting, the specific enzymes and their producing organisms remain unidentified. In this work, we employed a metaproteomic-based approach for the first time in the context of flax dew retting, significantly enhancing the understanding of retting dynamics by identifying microbial and plant enzymes (carbohydrate-active enzymes) involved in cell wall degradation. Comparing two adjacent field studies revealed that despite a majority of enzymes and microbes being commonly found, inter-field variability in retting enzymes and microbes might explain the obtained “in fine” contrasting fiber quality.FT-IR vibrational spectroscopy effectively monitors the retting process by identifying key markers, including the 1733.8 cm⁻¹ peak for esterified pectin and the 1317 cm⁻¹ peak for hemicellulose, whose changes indicate the optimal retting endpoint in both “a priori” and “without a priori” approaches.Our spectrophotometric analysis of stem color changes demonstrated promise for a predictive model to monitor retting progress by linking color intensity shifts at specific wavelengths (450-460 nm and 610-620 nm) to advanced stages.Integration of these multi-scale data obtained to build predictive models will be the next step to provide a comprehensive “toolbox” that can be used to develop a device solution for monitoring retting and optimizing fiber quality. This would contribute to the introduction of sustainable textiles under Agriculture 4.0.