Compréhension de la capacité d’une plante de Pois à récupérer entermes de croissance et d’acquisition d’azote après un stress hydrique : études écophysiologique et moléculaire

Understanding of pea capacity to recover in terms of growth and nitrogen acquisition after water stress : molecular and ecophysiologic studies

• Auteur / Autrice : Mégane Couchoud
• Direction : Christophe Salon, Marion Prudent, Vanessa Vernoud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences agronomiques
• Date : Soutenance le 13/02/2020
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Environnements, Santé (Dijon ; Besançon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Agroécologie [Dijon]
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Bourgogne (1970-....)
• Jury : Président / Présidente : Manuel Blouin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sandra Bensmihen, Thierry Simonneau, Christophe Robin, Sylvain Pluchon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sandra Bensmihen, Thierry Simonneau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écologie agricole

Nodosités (botanique)

Pois (légumes)

Azote

Plantes -- Effets du stress

Mots clés libres

Stress hydrique

Azote

Récupération

Pois

Pea

Nitrogen

Water stress

Recovery

Résumé

Le pois (Pisum Sativum L.) possède la capacité de fixer le diazote atmosphérique (N2) via une symbiose avec des bactéries du sol au sein d’organes racinaires que sont les nodosités. Bien que cette particularité rende cette espèce particulièrement intéressante dans un contexte de transition agro-écologique, la fixation symbiotique du N2 est cependant sensible aux stress abiotiques tels que le déficit hydrique du sol, ce qui contribue à l’instabilité du rendement du pois et réduit son attrait chez les agriculteurs. La stabilité du rendement dépend à la fois de la capacité de la plante à tolérer un stress, mais aussi de sa capacité à récupérer après ce stress. Or, les mécanismes impliqués pendant la phase de récupération demeurent peu explorés. Il est ainsi essentiel d’identifier des traits de plantes maximisant la résilience du pois au déficit hydrique, afin de proposer des idéotypes mieux adaptés à des conditions environnementales de disponibilité en eau ou nutriments fluctuantes.Les principaux objectifs de cette étude étaient dans un premier temps d’identifier les processus écophysiologiques impliqués pendant la phase de récupération, après un épisode de déficit hydrique, et en considérant en particulier la croissance de la plante et son acquisition d’azote. Dans un deuxième temps, il s’agissait de déterminer les composantes moléculaires sous-jacentes à ces mécanismes de récupération au sein des racines et des nodosités. Au cours d’une première expérimentation réalisée sur la plateforme de phénotypage 4PMI (Dijon, France) nous avons analysé en détail la dynamique de récupération de deux génotypes de pois après leur avoir imposé un déficit hydrique de deux semaines. Alors que pour l’un des génotypes (Kayanne) le rendement à maturité physiologique était maintenu sous ces conditions de déficit hydrique temporaire, le rendement du second génotype étudié (Puget) a été négativement affecté par le déficit hydrique. Nous avons utilisé conjointement une approche au niveau plante entière (en utilisant un cadre d’analyse écophysiologique axé sur les flux de carbone, azote et eau dans la plante) à des approches de type « omiques » (métabolomique, transcriptomique et dosages de phytohormones) dans les compartiments racinaires et nodulaires. Cette analyse a été complétée par une seconde expérimentation impliquant des marquages isotopiques au 13C et 15N2 qui nous a permis de mesurer précisément les flux de carbone et d'azote dans le continuum sol-plante-atmosphère.Nos analyses ont révélé que les deux génotypes étudiés avaient des capacités de résilience contrastées, en partie expliquées par la mise en place de différentes stratégies de récupération pendant la période de ré-arrosage, et impliquant des processus liés à la nutrition azotée de la plante. Nous avons démontré que pendant la phase de récupération, Kayanne pouvait rapidement ajuster la formation de ses nodosités en fonction de ses besoins en azote pour sa croissance, lui permettant ainsi de récupérer totalement après deux semaines de déficit hydrique. Au contraire, la restauration du statut azoté chez le génotype Puget a été initiée plus tardivement mais plus intensément aboutissant à une surcompensation en termes de nombre de nodosités formées. Nous avons donc émis l’hypothèse que le fort coût en énergie résultant de la surcompensation nodulaire s’est effectué aux dépends de la croissance de la plante, impactant in fine le rendement de Puget.

Pea (Pisum sativum L.) has the unique ability to fix atmospheric dinitrogen (N2) via a symbiosis with soil bacteria in root nodules. Although this specificity makes this crop particularly interesting in the context of agroecological transition, symbiotic nitrogen fixation is particularly sensitive to abiotic stresses such as water deficit, which contributes to the yield instability of this protein crop and reduces its interest for farmers. Yield stability depends both on plant's ability to tolerate stress and on its ability to recover after stress. However, the mechanisms involved during the recovery period have been for now poorly explored. It is, therefore, essential to identify traits of plants maximizing pea resilience to water deficit, in order to propose new ideotypes that are better adapted to environmental conditions of fluctuating water or nutrient availabilities.The main objectives of this study were: i) to identify the ecophysiological processes involved during the recovery period following a water deficit, considering in particular plant growth and plant nitrogen acquisition, and ii) to determine the underlying molecular processes within roots and nodules.During a first experiment in controlled conditions (4PMI Platform, Dijon, France), the dynamics of recovery of two pea genotypes were analyzed in detail after imposing plants before their flowering to a water deficit of two weeks. While one of the genotypes, (Kayanne), was able to maintain its yield under these conditions, yield of the other one (Puget) was decreased by water deficit. We have used both a) a whole-plant approach (using an ecophysiological framework focused on carbon, nitrogen and water fluxes in the plant) and b) so-called "omics" approaches (metabolomics, transcriptomics, and phytohormone assays) concerning root and nodule compartments. This analysis was completed by a second one where 13C and 15N2 isotopic labeling experiment allowed us to precisely measure carbon and nitrogen fluxes in the soil-plant-atmosphere continuum.Our analyses revealed that the two genotypes studied had contrasting resilience abilities, partly explained by different recovery strategies during the re-watering period, and particularly implying processes which were related to nitrogen nutrition. We have demonstrated that during the recovery period Kayanne was able to quickly and strictly re-adjust the formation of nodules to its growth needs, allowing this genotype to fully recover from the 2-week water deficit period. On the other hand, in Puget, the initiation of new nodules after water deficit was delayed compared to control plants, but numerous additional nodules developed. We hypothesized that the associated larger energy cost, which occurred to the detriment of growth, would finally negatively impact Puget’s yield.This difference in the dynamics of the root system response to re-watering was comforted by the molecular analysis performed in root and nodule compartments. The "omics" analysis also highlighted differences in antioxidant and osmoprotective responses between the two genotypes that could help to explain the delay observed for the recovery of the two genotypes.Altogether these results give new insights for the understanding of the regulatory mechanisms underlying the recovery of pea plant after a water deficit. Next step will consist in a statistical integration of the multi-scaled data (ecophysiological, hormonal, metabolomic and transcriptomic data), which should make it possible to identify the main regulators involved in recovery, for breeding strategies leading to the selection of pea ideotypes better suited to fluctuating water conditions.