Thermal stresses and spikelet sterility in rice : sensitive phases and role of microclimate

par Cécile Julia

Thèse de doctorat en Biologie intégrative des plantes

Sous la direction de Michael Dingkuhn.

  • Titre traduit

    Stress thermique et stérilité des épillets chez le riz : les phases sensibles et le rôle du microclimat


  • Résumé

    Les inflorescences de riz sont sensibles au froid et à la chaleur ce qui se traduit par une stérilité des épillets à floraison. Ce n'est cependant pas directement la température de l'air qui est en cause mais la température des tissus à des stades de développement précis. Les stratégies pour faire face au stress thermique sont : 1) la tolérance physiologique d'une variété particulière; 2) l'échappement temporel au stress par l'ajustement de la phénologie et de l'heure de l'anthèse (TOA); 3) l'évitement du stress par le microclimat généré par la culture. Cette thèse a pour but de caractériser l'effet des composantes climatiques sur 2) et 3), et pour ce, le même essai a été mené au champ sur quatre variétés de riz irrigué cultivées dans quatre environnements climatiques contrastés (Philippines, 2 saisons aux Sénégal, France). Bien que peu de différences variétales aient été observées au sein de chaque site, il existe une grande variabilité de l'heure de l'anthèse et de la différence de température (TD) entre panicule (Tp) et air (Tair) en réponse à l'environnement. La durée de l'anthèse est stable et limitée à environ 2 heures par jour, alors que l'heure de l'anthèse varie de 3.4 à 6.75 heure solaire. Au moment de l'anthèse, TD observée varie entre +2 et -9.5°C. TOA et TD sont principalement caractérisés par Tair et VPD (Vapour Pressure Deficit) observés antérieurement (TOA) ou pendant (TD) l'anthèse. De plus, il existe une corrélation significative entre la stérilité (chaud ou froid) observée à maturité et Tp aux stades sensibles. Ces résultats montrent qu'en termes de risque de stérilité paniculaire pour le riz irrigué à floraison, un climat moyennement chaud et humide est plus dangereux qu'un climat très chaud mais sec car un fort VPD favorise la transpiration de la canopée et des panicules. TOA et TD ont ensuite été intégrés au modèle de culture RIDEV V.2 (qui prédit la stérilité) et les simulations de TD ont été comparées aux résultats d'un autre modèle de Tp (IM2PACT) développé indépendamment au Japon. Ces deux modèles s'avèrent robustes, et de futures collaborations mèneront à une validation complète de chaque modèle voire une intégration de ceux-ci à un nouvel outil en vues d'étudier l'impact des changements climatiques sur les cultures.Les résultats de cette étude permettront dans un futur proche 1) d'aider les sélectionneurs en apportant de nouveaux traits d'intérêts, et 2) de définir un zonage des territoires à haut risque de stress thermique pour le riz irrigué, pour des scénarios climatiques actuels et anticipés. Des études complémentaires seront nécessaires pour permettre l'application de cette approche aux systèmes non irrigués.


  • Résumé

    At the reproductive stage, rice spikelets are sensitive to cold and to heat which can lead to spikelet sterility. However, it is not the air temperature but the temperature of the sensitive organ itself during some specific sensitive stages that is involved. There are three different strategies to cope with thermal stress: 1) physiological tolerance of a particular variety; 2) temporal escape of the stress thanks to phenology and time of day of anthesis (TOA) adjustments; 3) stress avoidance through microclimate generated by crop architecture and transpiration. This PhD aims to characterize the effect of environment on 2) and 3) and to attain this goal, the same experiment was conducted with four rice varieties irrigated and grown in four different climatic environments (Philippines, Senegal two seasons, France). Even though few varietal differences were observed within a site, a great variability of TOA and difference of temperature (TD) between panicle (Tp) and air (Tair) exists in response to the environment. Anthesis duration is stable and limited to 2 hours per day, whereas time of onset of anthesis varied between 3.4 to 6.75 hours after sunrise. During anthesis, observed TD varied between +2.5 and -9.5°C. TOA and TD are mostly explained with Tair and VPD (Vapour Pressure Deficit) observed before (TOA) or during (TD) anthesis. A significant correlation between spikelet sterility (due to cold or heat) and Tp at sensitive stages was established across sites and varieties. Those results showed that for irrigated rice, humid and moderately hot environments are more subject to heat stress sterility than very hot but dry environments, because panicle and canopy transpiration are favored by high VPD. Ultimately, RIDEV V.2 crop model (predicting spikelet sterility) was developed to integrate the previous results and Tp simulations were compared to another Tp model (IM2PACT) simulations, developed independently with a different approach in Japan. Those two models are robust and future collaborations will lead to complete model validations and maybe integration in a new modeling tool to answer the need in evaluating the impact of different climate change scenarios and the adaptation of crop response to those changes.In a short term, the results of this study will enable to 1) help breeders providing them new interest traits for thermal tolerance, and 2) define geographic zoning for high heat stress risk for irrigated rice, for present and future climate change scenarios. Complementary studies are needed to apply this approach to non irrigated system.


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