Analyse écophysiologique et modélisation de l’interaction génotype x environnement x itinéraire technique chez le cotonnier (Gossypium hirsutum L.) au Cameroun pour la conception d'idéotypes

Ecophysiological analysis and modeling of genotype by environment by crop management interactions on cotton (Gossypium hirsutum L.) in Cameroon for the design of ideotypes

• Auteur / Autrice : Romain Loison
• Direction : Philippe Debaeke
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie intégrative des plantes
• Date : Soutenance le 10/06/2015
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : Systèmes Intégrés en Biologie, Agronomie, Géosciences, Hydrosciences, Environnement (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Agroécologie et intensification durable des cultures annuelles (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Luc Regnard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Debaeke, Jean-Luc Regnard, Philippe Grieu, Gilles Charmet, Edward Gérardeaux, Annabelle Larmure
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Philippe Grieu, Gilles Charmet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Coton

Cotonniers -- Cultures

Gossypium arboreum

Mots clés libres

CROPGRO-Cotton

Sélection

Idéotype

Modélisation

Cameroun

CROPGRO-Cotton

Breeding

Ideotype

Modeling

Cameroon

Résumé

La fibre de coton est la première fibre naturelle utilisée dans le monde. Le coton fournit un revenu à plus de 10 millions de personnes en Afrique occidentale et centrale. Au Cameroun, il est produit en conditions pluviales et le manque d'eau est le principal facteur abiotique limitant le rendement et la qualité de la fibre. Dans ce contexte, un programme de sélection a été initié en 1950 avec l'objectif d'augmenter le rendement, la qualité de la fibre et la résistance aux maladies. En 60 ans, plus de 20 cultivars ont été créés. Cependant, depuis une trentaine d'année, un plafonnement du rendement en coton graine est constaté. Cette étude a analysé la croissance et le développement des principaux cultivars vulgarisés de 1950 à nos jours, pour évaluer le progrès génétique, y compris celui de caractères d'adaptation au stress hydrique indirectement sélectionnés. Elle a analysé les interactions génotype x environnement x pratiques culturales (GEI) dans des conditions hydrique limitantes afin de pouvoir utiliser un modèle de simulation de la croissance du cotonnier. En utilisant ce dernier, les rendements ont pu être prédits et des idéotypes pour les conditions de culture du coton au Cameroun ont été conçus. Une application de ces travaux a été d'identifier des caractères d'adaptation au stress hydrique pour aider les sélectionneurs à choisir les cultivars qui résistent mieux au stress hydrique. Dans un premier temps, le progrès génétique et son interaction avec les conditions de culture au Cameroun ont été évalués au champ et en milieux contrôlés sur le développement du coton, la croissance (y compris racinaire), le rendement et la qualité de la fibre. Les résultats ont montré que la sélection a réussi à améliorer le potentiel de rendement et de qualité de la fibre lorsque la culture atteint la maturité physiologique, avant la fin de la saison des pluies. Cependant, lors de stress hydrique de fin de cycle, le programme de sélection a réduit la qualité de la fibre. La plupart des variables de développement et de croissance n'ont pas changé avec le temps, sauf le nombre de feuilles qui a été réduit. La sélection a créé des cultivars avec un meilleur potentiel de production et de qualité de fibres mais en perdant en plasticité en conditions sub-optimales et n'a pas amélioré l'accès à l'eau du sol. Dans un second temps, les analyses des GEI des caractères d'adaptation à la sécheresse ont montré que le déficit en eau a un impact négatif sur presque toutes les fonctions de la plante, à la fois au champ et en milieux contrôlés. Le cultivar récent L484, créé pour la zone de production la plus sèche, a maintenu le plus haut niveau de photosynthèse et de transpiration par unité de surface foliaire dans les conditions défavorables, maintenant ainsi le plus haut niveau d'efficience d'utilisation du rayonnement et de l'eau. Cependant, cela n'a pas permis d'améliorer la biomasse, l'indice de récolte et le rendement de ce cultivar. Le programme de sélection du coton au Cameroun a réussi à fournir un cultivar (L484) mieux adapté aux conditions locales, avec une plus grande stabilité et un développement plus rapide, mais sans aucune augmentation de rendement. Dans un dernier temps, le modèle de simulation de la croissance du cotonnier, CROPGRO-Cotton, a été utilisé afin de définir les idéotypes conduisant à des rendements plus élevés. Des expériences de terrain au Cameroun ont été utilisées pour constituer l'ensemble de données minimum pour l'étalonnage du modèle. Les cultivars AC, L484 et quarante-deux cultivars virtuels avec ± 20% par rapport aux valeurs de paramètres de L484 ont été comparés dans 99 années de temps généré en deux lieux. Par rapport à L484, les idéotypes avaient une durée réduite entre levée et floraison et plus longue de phase reproductive, un plus haut niveau de photosynthèse maximum avec des feuilles plus épaisses, et des feuilles plus petites pour la région de l'Extrême Nord ou plus grandes pour la région du Nord.

Cotton lint is the first natural fiber used in the world. Cotton provides income to more than 10 million people in West and Central Africa. In Cameroon, it is produced in rainfed conditions and water shortage is the major abiotic factor limiting yield and lint quality. In this context, a breeding program was initiated in 1950 to increase lint yield, fiber quality and disease resistance. After 60 years, this program has released more than 20 cultivars. However, seed cotton yield has been levelling off for more than thirty years.This study analyzed growth and development of main cultivars released from 1950 to-date to evaluate genetic gain including drought adaptation traits indirectly bred for. It also analyzed genotype by environment by crop management interactions (GEI) under water limited conditions in order to use a cotton simulation model in Cameroonian conditions. Then, crop simulation model was used to design cotton ideotypes under Cameroonian cropping conditions. An application of this work was in providing key drought adaptation traits to breed for cultivars that better withstand water stress.Firstly, phenotype evolution over breeding time and its interaction with cropping conditions in Cameroon was evaluated on cotton development, growth (including roots), yield, and fiber quality. Ten major cultivars were studied under rainfed conditions (field) and controlled conditions (greenhouse and phytotron). Classical GEI analysis of variance of cultivars and regression over their respective year of release were done. The results showed that the breeding program succeeded in improving cotton lint yield and the potential of fiber quality when the crop reached physiological maturity before the end of the rainy season. In late season drought, breeding reduced the fiber quality (fiber length, uniformity and strength). Most of the development and growth variables did not change with time, except the number of leaves which reduced. Breeding created cultivars with better potential fiber production and quality, but with reduced plasticity to sub-optimal environments and access to soil water. Secondly, an analysis of GEI for ecophysiological traits conferring a good response to drought was done in good and water limited conditions for a subset of four cultivars. The results indicated that water deficit had a negative impact on almost all plant functions, both under field and controlled environments. The recent cultivar L484 bred for the driest production area had the fastest development, thickest leaves with most chlorophyll and thus maintained the highest level of photosynthesis and transpiration per unit of leaf area in water-limited conditions. In these conditions, L484 had the highest radiation use efficiency and water use efficiency maintenances. Despite these traits this cultivar did not show any improvement in terms of biomass, harvest index and cotton yield across water conditions. Cotton breeding program in Cameroon succeeded in providing a cultivar (L484) better adapted to local conditions, with a higher stability and faster development coupled with a strategy of growth maintenance, without any improvement in yield. Thirdly, the crop simulation model CROPGRO-Cotton was used in order to design ideotypes with higher yield than existing cultivars. Field experiments in Cameroon were used to constitute the minimum dataset for the crop model calibration. Then, cultivars AC, L484 and forty-two virtual cultivars with ±20% from L484 parameter values were compared across 99 years of generated weather in two locations. Compared to L484, the cotton ideotypes in Cameroonian rainfed conditions had reduced emergence to anthesis duration, longer reproductive duration, higher maximum level of photosynthesis with thicker leaves, and smaller leaves for Far North region or bigger ones for North region.