Plasticité du système racinaire du blé en condition de carence en N, P ou K révélée par développement d'une méthodologie de phénotypage intégrant les poils absorbants

Root system plasticity in wheat under N, P or K deficiency revealed by development of a phenotyping methodology integrating root hairs

• Auteur / Autrice : Ikram Madani
• Direction : Anne-Aliénor Very
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ecophysiologie et adaptation des plantes
• Date : Soutenance le 13/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Développement et Amélioration des Plantes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Claude Plassard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne-Aliénor Very, Claude Plassard, Marion Prudent, Jacques Le Gouis, Maïté Vicré-Gibouin, Claude Doussan, Hervé Sentenac, Jean-Benoît Peltier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marion Prudent, Jacques Le Gouis, Maïté Vicré-Gibouin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Phénotype

Plantes -- Assimilation

Blé

Mots clés libres

Blé

Nutrition minérale

Architecture racinaire

Analyses d’images

Plasticité

Phénotypage des poils absorbants

Wheat

Mineral nutrition

Eoot architecture

Image analysis

Plasticity

Phenotypage of root hairs

Résumé

Une faible disponibilité des macroéléments dans la plupart des sols cultivés limite fortement les rendements des cultures en absence de fertilisation. Une meilleure compréhension de l’adaptation des systèmes racinaires à des sols pauvres en ions nutritifs, et l’exploitation de la diversité génétique existante dans ce domaine, entre espèces et/ou variétés, sont susceptibles de contribuer au développement de nouveaux cultivars et de nouvelles pratiques agronomiques permettant de limiter les intrants de fertilisation chimique coûteux et polluants pour l’environnement. L'architecture du système racinaire et la production des poils absorbants à l'interface racine-sol, sont des déterminants majeurs de la capacité du système racinaire à explorer le sol et prélever les ions nutritifs. A ce jour, aucune méthodologie ne permettait de phénotyper les poils absorbants dans un système racinaire considéré dans sa totalité. Dans le cadre de cette thèse, j’ai développé une méthodologie de phénotypage global, intégratif, des systèmes racinaires, incluant les poils absorbants. Un dispositif original de type rhizobox a été développé, permettant d'acquérir des images à haute résolution, pour lesquelles j'ai mis au point une procédure d'analyse informatisée associant le logiciel libre Ilastik pour la segmentation des images, et les logiciels WinRHIZOTM et ImageJ pour l'analyse de traits globaux caractérisant le développement racinaire. Après validation de la méthodologie, les systèmes racinaires de deux génotypes de blé, un cultivar d’amidonnier (T.t. dicoccum, cv Escandia), ancêtre du blé dur, et une variété de pays de blé dur (T.t. durum, cv Oued Zenati) ont été comparés entre eux et par rapport à leur réponse à une faible disponibilité en phosphate (P), azote (N) ou potassium (K). Chez des plantules âgées de 15 jours (racines de ca. 30 cm de long), les carences en N, P ou K ont affecté différentiellement la croissance des plantes (allocation de la biomasse entre racines et feuilles, et développement préférentiel du système racinaire). Les trois carences se sont révélées entraîner une augmentation de la surface totale du système racinaire, qui s'est elle-même révélée comme résultant principalement d'une augmentation de la surface totale des poils absorbants sur le système racinaire entier (traduisant une augmentation de la densité et/ou longueur des poils sur tout le système). Le taux d'augmentation de la surface totale des poils absorbants était variable entre les deux variétés et selon l’élément limitant, plus fort en condition de carence en N chez l’amidonnier, et de carence en P chez la variété de pays. Toutes les réponses racinaires analysées, incluant ou non les poils absorbants, ont révélé une plus grande plasticité développementale en réponse aux carences nutritives chez la variété ancestrale. Une perspective ouverte par ce travail serait de comparer cette plasticité chez différentes variétés de blé récapitulant la domestication et l'amélioration de cette espèce. En perspective également, je montre que la méthodologie que j'ai développée peut permettre de phénotyper les réponses racinaires à des conditions biotiques (présence de bactéries de type Plant Growth Promoting Rhizobacteria).

Low macroelement availability in most cultivated soils severely limits crop yields in the absence of fertilization. A better understanding of the adaptation of root systems to nutrient-poor soils, and the exploitation of existing genetic diversity in this field, between species and/or varieties, are likely to contribute to the development of new cultivars and new agronomic practices allowing to limit costly and environmentally polluting chemical fertilization inputs. The architecture of the root system and the production of root hairs at the root-soil interface are major determinants of the capacity of the root system to explore the soil and take up nutrient ions. To date, no methodology has been available to phenotype root hairs in a root system considered entirely. In this thesis, I developed a methodology for global, integrative phenotyping of root systems, including root hairs. An original rhizobox-type device was developed, allowing to acquire high resolution images, for which I developed a computerized analysis procedure associating the free software Ilastik for image segmentation, and the softwares WinRHIZOTM and ImageJ for the analysis of global traits characterizing the root development. After validation of the methodology, the root systems of two wheat genotypes, a cultivated emmer wheat cultivar (T.t. dicoccum, cv Escandia), ancestor of durum wheat, and a landrace of durum wheat (T.t. durum, cv Oued Zenati) were compared with each other and with respect to their response to low phosphate (P), nitrogen (N) or potassium (K) availability. In 15-day-old seedlings (roots ca. 30 cm long), N, P or K deficiencies differentially affected plant growth (biomass allocation between roots and leaves, and preferential development of the root system). All three deficiencies were found to result in an increase in the total surface area of the root system, resulting primarily from an increase in the total surface area of root hairs over the entire root system (reflecting an increase in the density and/or length of hairs over the entire system). The rate of increase in total absorptive root hair area was variable between the two varieties and among limiting elements, stronger under N deficiency conditions in the emmer wheat, and P deficiency in the landrace. All the root responses analyzed, including or not the root hairs, revealed a greater developmental plasticity in response to nutrient deficiency in the ancestral variety. A perspective opened by this work would be to compare this plasticity in different wheat varieties recapitulating the domestication and improvement of this species. I also show that the methodology I have developed can be used to phenotype root responses to biotic conditions (presence of Plant Growth Promoting Rhizobacteria).