Optimisation du rendement digestible du maïs fourrage dans des environnements contrastés

Optimising forage maize's digestible yield under contrasted environments

• Auteur / Autrice : Oscar Main
• Direction : Sylvie Coursol, Anthony Uijttewaal, Valérie Méchin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences végétales
• Date : Soutenance le 28/06/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences du végétal : du gène à l'écosystème (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean-Pierre Bourgin (Versailles ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Arvalis-Institut du végétal (France)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Biosphera (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Christine Dillmann
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Bertrand, Marie-Françoise Devaux, Vincent Ségura
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Isabelle Bertrand, Bernadette Julier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plantes -- Effets du stress

Paroi cellulaire végétale

Histologie

Digestion

Maïs (aliments pour animaux)

Mots clés libres

Rendement digestible

Sécheresse

Maïs fourrage

Répartition de la lignine

Acides p-Hydroxycinnamiques

Indice de stress

Digestible yield

Drought

Forage maize

Lignin distribution

P-Hydroxycinnamic acids

Stress index

Résumé

Le maïs occupe une place centrale dans le système fourrager français, son rendement et sa valeur énergétique étant deux critères clés pour l'inscription des variétés hybrides de maïs au catalogue officiel français. Des recherches antérieures ont montré une corrélation directe entre la valeur énergétique et la digestibilité de la matière sèche (MS), influencée par la digestibilité de la paroi, elle-même affectée par le déficit hydrique. Des études sur des lignées de maïs ont montré que le déficit hydrique sévère augmente la digestibilité de la MS et de la paroi, liées à une diminution de la teneur en lignine et à des changements dans sa distribution tissulaire. Cependant, comme la teneur en lignine a déjà été fixée dans les variétés hybrides, elle semble avoir peu de potentiel pour améliorer davantage la digestibilité de la paroi. Pour explorer d'autres cibles et l'impact du déficit hydrique sur ces caractères, ce travail de thèse a été mené dans le cadre du projet Carnot Plant2Pro INRAE-ARVALIS MAMMA MIA. Des variétés de maïs hybrides modernes, représentatifs du marché français actuel (maïs S0-S1 très précoces à précoces), ont été cultivés pendant deux ans dans seize conditions environnementales contrastées, dont six en conditions d'irrigation contrôlée. Tout d'abord, un indice de stress (SID) simple mais robuste a été établi, tenant compte du déficit hydrique du sol et de la température de l'air. Ce SID s'est révélé être un outil crucial en classant les différents environnements, mettant en évidence l'impact d'un stress sévère dû à des températures élevées sur la digestibilité de la MS par rapport à des conditions de stress modéré. Pour être en mesure d'étudier une large gamme de conditions environnementales, plusieurs équations de prédiction par spectroscopie proche infrarouge (NIRS) ont également été développées, capables de prédire de manière robuste et précise des caractères de la paroi et leurs relations, similaires à celles mesurées en biochimie au laboratoire. Bien que ces équations se révèlent suffisamment robustes pour être utilisées dans les programmes de sélection, une vigilance s'impose quant à l'exactitude des prédictions en conditions de stress, en particulier dans le cas des variétés hybrides où la gamme de variation des caractères est souvent limitée. L'ensemble des données obtenues a ensuite permis une analyse multi-échelle, intégrant des caractères agroclimatiques, agronomiques, biochimiques et histologiques, ainsi que des données expérimentales in sacco obtenues sur des vaches fistulées. Des cibles biochimiques et histologiques ont pu être proposées pour améliorer la qualité du maïs fourrager en fonction de l'intensité du stress. Nous avons montré qu'en condition de stress sévère, bien que la production d'épis diminue significativement, la digestibilité de la MS peut être maintenue grâce à une augmentation de la digestibilité de la paroi, due à une réduction de la teneur en acides p-hydroxycinnamique, alors que la teneur en lignine reste stable comme attendu. Nous avons également montré qu'en condition de stress modéré les caractères histologiques jouent un rôle aussi important que les caractères biochimiques, mais qu'une fois qu'un seuil est atteint, seuls les caractères biochimiques modulent les variations de la digestibilité de la paroi. Une fenêtre environnementale a donc pu être mise en évidence où le rôle accru de la distribution de la lignine aux côtés des caractères biochimiques permet une augmentation du rendement digestible. Ainsi, les agriculteurs pourraient exploiter cette fenêtre pour augmenter la productivité, en régulant l'irrigation en condition de sécheresse modérée et en intégrant le SID dans un outil de gestion de l'irrigation.

Maize stands as a pillar of the French forage system, with its yield and silage feeding value serving as key criteria for the registration of maize hybrid varieties in the official French catalogue. Previous research on this topic has revealed a direct correlation between silage feeding value and dry matter (DM) digestibility, which is, in turn, constrained by cell wall (CW) digestibility and significantly affected by water deficit. Studies on maize inbred lines have shown that under severe water deficit conditions, both DM and CW digestibilities increase. This increase correlates with a decrease in lignin content and changes in lignin distribution. However, it is noteworthy that breeding efforts have already fixed lignin content in hybrid varieties. Therefore, lignin content is unlikely to be a source of future digestibility improvement. To explore other CW targets and the impact of water deficit on these traits, this PhD study was conducted as part of the Carnot Plant2Pro INRAE-ARVALIS MAMMA MIA project. We grew a range of modern forage maize hybrids representative of the current S0-S1 (very-early to early flowering earliness) French market for two years under sixteen contrasted environmental conditions, including six in controlled irrigation conditions. First, we established a simple but robust stress index (SID) that considers the water deficit in the soil and the air temperature. This SID provided a key environmental ranking tool, highlighting severe stress due to high temperature that significantly impacted DM digestibility compared to moderate stress conditions. Secondly, to encompass a wide range of environmental conditions in biochemical quantifications, we developed several predictive near-infrared spectroscopy (NIRS) equations capable of robustly and accurately predicting fine cell wall traits and relationships, mirroring levels observed in laboratory experiments. While these equations prove sufficiently robust for use in selection programs, we emphasize the need for vigilance in accurately estimating prediction accuracy under stress conditions, particularly in equations applied to hybrid material where trait variation ranges are often limited. The core dataset of this work enabled a multiscale analysis, integrating agroclimatic, agronomic, biochemical, and histological traits, along with in sacco experimental data on cows. We proposed biochemical and histological traits to improve the quality of forage maize depending on stress intensity. We demonstrated that under severe stress, ear production decreases significantly, but DM digestibility can be maintained by increasing CW digestibility. This boost in CW digestibility was due to a reduction in p-hydroxycinnamic acid content, while lignin content remained stable, as anticipated. The significance of lignin distribution increased with the severity of stress, reaching an extreme threshold where biochemical parameters solely account for digestibility variations. This two-threshold model presents a window of opportunity located at the first threshold between non-stressed and moderately stressed environments, where the increased role of lignin distribution alongside biochemical traits enabled an increase in digestible yield. By controlling irrigation doses in the field under moderate drought conditions and integrating the SID into an irrigation management tool, farmers could exploit this window to increase productivity.