Phénotypage haut débit par imagerie multispectrale au verger : étude du déterminisme génétique de la réponse à la contrainte hydrique d'une population d'hybrides de pommier (Malus x domestica Borkh.).

High-throughput phenotyping by multispectral imagery at orchard : study of genetic determinism of response to water constraint of an apple (Malus x domestica Bork) hybrid population.

• Auteur / Autrice : Nicolas Virlet
• Direction : Jean-Luc Regnard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie Intégrative des Plantes
• Date : Soutenance le 03/07/2014
• 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/UMR AGAP Montpellier
• Jury : Président / Présidente : Christian Jay-Allemand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Laurens, Agnès Bégué
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Oliver Brendel, Frédéric Baret

Mots clés

Mots clés libres

Arbre fruitier

Télédétection

Indices spectraux

Infrarouge thermique

Génétique quantitative

Fruit tree

Remote sensing

Spectral indices

Thermal infrared

Quantitative genetics

Résumé

Dans le contexte des changements climatiques prévisibles et d'une demande évaporative accrue vis à vis des cultures, ce travail de thèse vise à évaluer la variabilité génétique du pommier pour sa réponse à la contrainte hydrique. Cette évaluation est d'un intérêt certain pour l'amélioration future de l'espèce, qu'il s'agisse de mieux tolérer le stress pouvant résulter d'une sécheresse temporaire du sol, ou d'une efficience accrue d'utilisation de l'eau. Les méthodes de phénotypage actuellement disponibles pour l'étude de la réponse à la contrainte hydrique ne permettent pas un haut débit de mesure compatible avec les comparaisons simultanées entre de nombreux individus. En conséquence, ce travail de thèse s'est focalisé sur l'application de l'imagerie multi-spectrale aéroportée comme outil de phénotypage à haut débit en condition de plein champ et sur l'évaluation de sa pertinence pour l'analyse quantitative des réponses à la contrainte hydrique et la recherche des déterminismes génétiques associés. Les essais ont été réalisés sur une population hybride de pommiers (croisement Starkrimson x Granny Smith) âgée de 4 ans au début de l'étude, implantée dans le sud de la France. A partir d'images acquises dans les longueurs d'onde du visible, du proche infrarouge et de l'infrarouge thermique, à une résolution spatiale proche de 30cm, différents indices de végétation et de stress ont été calculés permettant d'apprécier la vigueur des arbres et leur transpiration. La prise en compte, dans des modèles linéaires mixtes, de six dates d'expérimentation, couvrant deux campagnes d'acquisitions, et de régimes d'irrigation différenciés sur la population a permis de mettre en évidence l'héritabilité des indices phénotypiques et conduit à la détection de nombreux QTLs. 18 QTLs se sont révélés indépendants de la date d'acquisition. Pour quatre de ces QTLs, dits adaptatifs, c'est-à-dire exprimés en conditions de stress, un certain nombre de gènes candidats potentiellement impliqués dans les réponses précoces responsables de la régulation stomatique ont été identifiés.

In the context of foreseen climate changes and higher evaporative demand in crops, this PhD work is aiming at assessing the apple tree variability in response to hydric constraints. This could be of great interest for future breeding programs in this species, either in respect to temporary abiotic stress tolerance, or looking at a better water use efficiency. Phenotyping methods presently available for evaluating the plant response to hydric constraints do not allow the high-throughput that could be compatible with simultaneous comparison of a high number of individuals. As a consequence, this thesis focused on the application of airborne multispectral imagery as a tool for high-throughput field phenotyping, and it assessed the relevancy of this method for quantitative analysis of response to drought and further dissection of associated genetic determinisms. Trials were realized on a segregating hybrid apple population (Starkrimson x Granny Smith cross), 4-year old at the beginning of study, installed in the South of France. Images acquired in visible, near infrared and thermal infrared, with a spatial resolution close to 30cm, were the calculation basis of various vegetation and stress indices, allowing estimation of individual tree vigor and transpiration. Linear mixed models taking account of six flight dates, covering two acquisition campaigns and including two contrasted irrigation regimes over the apple population, made it possible to highlight the heritability of phenotypic indices and to perform numerous QTLs mapping. Eighteen QTLs were revealed independently from the acquisition date. Out of this QTLs set, a further analysis on 4 of them, which were adaptative i.e. expressed in stress conditions, allowed first identification of putative candidate genes potentially involved in the early stomatal closure.