Analyse des déterminants génétiques contrôlant la résorption d'azote, relations avec les paramètres quantitatifs et qualitatifs de la récolte

Analysis of genetic parameters controling nitrogen resorption, relation with quantitative and qualitative harvest parameters

• Auteur / Autrice : Ingrid Vilmus
• Direction : Jacques David, Pierre Roumet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Evolution, Ecologie, Ressources Génétiques, Paléontologie
• Date : Soutenance le 17/10/2013
• Etablissement(s) : Montpellier, SupAgro
• Ecole(s) doctorale(s) : Systèmes Intégrés en Biologie, Agronomie, Géosciences, Hydrosciences, Environnement (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Amélioration Génétique et Adaptation des Plantes méditerranéennes et tropicales
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacques David, Bénédicte Quilot-Turion, Jean-Marc Bouvet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Charcosset, Jacques Le Gouis

Mots clés

Mots clés libres

Triticum turgidum ssp. durum

Spectroscopie proche infra-Rouge

Génétique

Teneur en protéines

Azote

Rendement

Triticum turgidum ssp. durum

Near infrared reflectance spectroscopy

Genetic

Protein content

Nitrogen

Yield

Résumé

Le développement de variétés performantes de blé dur (Triticum turgidum durum) doit prendre en compte la corrélation négative entre rendement et teneur en protéines (GPC). Une meilleure compréhension de ce phénomène nécessite une connaissance de l'élaboration des composantes de ces variables. Au cours de cette thèse nous nous sommes focalisés sur l'étude du déterminisme de paramètres foliaires pendant le remplissage du grain (morphologie, résorption d'azote/senescence) ainsi que leurs relations avec les caractéristiques post-récolte (rendement, GPC). La population d'étude est constituée de 282 lignées recombinantes issues d'un croisement demi-diallèle entre quatre lignées élites. Les données proviennent d'expérimentations menées en milieu contrôlé (3 expérimentations) et en plein champ (2 essais).En milieu contrôlé, plusieurs variables (teneur en azote, masse surfacique) ont été prédites par spectrométrie infrarouge à raison de mesures régulières au cours de la période d'intérêt. La résorption d'azote de la dernière feuille a été modélisée pour chaque génotype dont les paramètres ont été analysés. Un lien négatif fort a été établi entre la date d'initiation de la résorption (t0) en temps thermique post-floraison et sa durée et un lien positif entre cette date clé et le poids individuel des grains. A l'échelle de la parcelle, le suivi dynamique de la senescence par la mesure d'évolution d'un indice de végétation, le NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) a montré une relation forte entre vitesse d'évolution de la senescence et son ordonnée à l'origine, suggérant que la fin de la senescence était un phénomène très contraint dans les conditions environnementales de plein champ.En absence de stress azoté, l'analyse des 4 géniteurs a montré que des combinaisons linéaires de paramètres foliaires permettaient d'expliquer environ 2/3 des variations de la production en grains d'un épi et de la GPC. En considérant l'ensemble de la population, les effets antagonistes d'une résorption tardive sur la production de grains et la teneur en protéines ont été établis. Une carence en azote appliquée post-floraison provoque une résorption précoce et longue, ce qui semble d'avantage affecter la GPC que le rendement. Une carence en azote appliqué pré-floraison réduit la quantité d'azote disponible dans les feuilles drapeau (et par conséquent leur potentiel photosynthétique) ainsi que le nombre de grains alors que les apports tardifs en azote réalisés dans ce traitement vont retarder la résorption donc augmenter le poids individuel des grains et la GPC. L'analyse génétique en modèle mixte a permis de prendre en compte un apparentement entre lignées, calculé grâce aux pedigrees ou aux marqueurs. Ces deux estimateurs de l'apparentement sont très fortement corrélés ; l'ordonnée à l'origine de la relation (0.3) pouvant être interprétée comme une mesure de l'identité par état de la population de base à partir de laquelle les géniteurs sont issus. Par conséquent, les variances additives issues d'un apparentement marqueurs sont systématiquement supérieures à celles d'un apparentement pedigree. Les valeurs d'héritabilité des variables étudiées caractérisant la morphologie de la feuille drapeau à floraison et des paramètres de résorption d'azote sont du même ordre de grandeur que celles du rendement d'un épi et de la teneur en protéines des grains.En conclusion, nous discutons des stratégies de sélection autour de la corrélation négative rendement/GPC en lien avec la résorption d'azote et la senescence, de l'intérêt de l'utilisation du modèle dit « animal » pour les analyses génétiques et la recherche de QTL.

Performing cultivar development of durum wheat (Triticum turgidum durum) have to take in consideration the negative correlation existing between yield and grain protein content (GPC). A best comprehension of this phenomenon needs the knowledge of these variables elaboration. During this thesis, we focused on the study of foliar parameters determinism during the grain filling (morphology, nitrogen resorption/senescence) and their relations with post-harvest parameters (yield, GPC). The population was formed of 282 recombinant lines coming from a half-diallel cross between 4 elite lines. Data are from experimentations on controlled environment (3 experimentations) and on field (2 experimentations).In controlled environment, various variables (nitrogen content, mass area) were predicted using near-infrared spectroscopy and performing regular measures during the period of interest. Nitrogen resorptions of the last leaf were modeled for each genotype and parameters were analyzed. A strong negative correlation was established between the resorption initiation date (t0) in thermal time post-flowering and its duration and a positive correlation was established between t0 and the grain individual weight. At the plot scale, the dynamic monitoring of senescence through measures of NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) evolution showed a strong relation between the senescence evolution rate and its intercept, suggesting the senescence end was a very constraint phenomenon in field.Without nitrogen stress, the analysis of the 4 genitors indicated that linear combinations of foliar parameters could explain around 2/3 of one-spike grain production and GPC variations. Considering the entire population, the antagonist effects of a late resorption on grain production and on the GPC were established. A post-flowering nitrogen stress causes an early and long resorption which seems to affect more GPC than yield. A pre-flowering nitrogen stress reduces nitrogen quantity available in flag leaves (and consequently their photosynthetic potential) and the grain number whereas late nitrogen inputs of this environment delay resorption and raise grain individual weight and GPC.The genetic analysis in mixed model allowed taking into account relatedness among lines, calculated with pedigrees or markers. Those 2 relatedness estimators are strongly correlated; the regression intercept (0.3) can be interpreted as an identity-by-state measure of the base population from which genitors are derived. Consequently, additive variances from a marker-relatedness model are always superior to additive variances form a pedigree-relatedness model. Heritability values of the study variables (flag leaf morphology and nitrogen resorption parameters) have the same order of magnitude than those of one-spike yield and GPC.Field experimentations allowed highlighting the flag leaf weight as a contributor organ to yield and GPC. Nitrogen balance showed a link between post-flowering nitrogen fluxes and nitrogen available at flowering. Genotype-phenotype association's research was realized through a simple-marker analysis for all the experimentations and a Composite Interval Mapping analysis only for data obtained in greenhouses. A stable QTL was detected on the 3 controlled environments for t0. QTL comparison on controlled environment QTL and field QTL highlighted various area containing QTL on certain chromosomes: an area of foliar nitrogen content at flowering QTL on the 1A, an area of GPC QTL, Thousand Kernel Weight (TKW) QTL and grain number QTL on the 2A, an area of foliar morphology QTL on the 2B, an area of TKW QTL on the 3B and an area of senescence variables QTL on the 7B.In conclusion, we discuss about breeding strategies around the negative correlation yield/GPC in relations with nitrogen resorption and senescence and about the interest to use the “animal” model for genetic analysis and QTL research.