Recherche de paramètres mesurables en plateforme à haut-débit et utiles à l'amélioration de modèles de culture

Connecting the Dots between Crop Growth Models, Root Architectural Models and Root Phenotyping Platforms

• Auteur / Autrice : Hong Anh Nguyen
• Direction : Bertrand Muller, Pierre Martre
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Ecophysiologie et adaptation des plantes
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 19/12/2023
• Etablissement(s) : Institut Agro
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale GAIA Biodiversité, agriculture, alimentation, environnement, terre, eau (Montpellier ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LEPSE - Ecophysiologie des Plantes Sous Stress Environnementaux
• Partenaire(s) de recherche : École d’inscription : L'Institut Agro Montpellier (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Jaques David
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bertrand Muller, Pierre Martre, Alexandra Jullien, Marion Prudent, Guillaume Lobet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexandra Jullien, Marion Prudent

Mots clés

Mots clés libres

Système racinaire

Blé

Modèle du culture

Azote

Déficit en eau

Root system

Wheat

Crop model

Nitrogen

Water deficit

Résumé

Les modèles de croissance des cultures (CGM) sont des outils puissants pour comprendre, prédire et optimiser les performances des cultures dans diverses conditions environnementales et pratiques de gestion. Cependant, alors que la croissance aérienne et le rendement des cultures ont été au centre des préoccupations des modèles de croissance des cultures, la représentation des racines est souvent simplifiée ou négligée, ce qui entrave notre capacité à prendre en compte les améliorations potentielles apportées par la sélection à l'architecture des racines, à la capacité d'absorption ou à la plasticité en réponse à l'environnement. Parallèlement, des modèles d'architecture racinaire (RAM) plus ou moins détaillés, basés sur le développement séquentiel, la ramification et l'élongation d'organes topologiquement connectés et hiérarchisés avec des fonctions définies, ont été développés afin de rendre compte d'une diversité d'architectures et d'interactions avec la rhizosphère environnante. Afin de mieux prendre en compte le rôle du système racinaire dans les performances des cultures, et plus particulièrement de permettre de prédire les avantages potentiels de caractéristiques architecturales spécifiques des systèmes racinaires telles que la capacité de ramification, l'orientation des racines et la vigueur, une stratégie consiste donc à coupler les RAM aux CGM. Le couplage d'un CGM de blé (SiriusQuality) et d'un RAM (ArchiSimple) a été réalisé avant cette thèse. Le travail actuel s'est appuyé sur ce modèle couplé pour explorer trois domaines. Tout d'abord, nous avons évalué la capacité de deux plateformes différentes de phénotypage racinaire à haut débit (aéroponique ou à base de rhizotubes®) dans des conditions contrôlées pour capturer les paramètres d'ArchiSimple. Un effet significatif de la configuration expérimentale a été trouvé pour tous les paramètres alors qu'aucune corrélation significative sur un petit panel de 14 cultivars de blé n'a pu être détectée. Les différences de température et/ou d'irradiation, mais aussi de stade de développement entre les expériences et les configurations peuvent expliquer en partie les différences observées, soulignant la nécessité de prendre en compte les facteurs développementaux et environnementaux dans les études phénomiques sur les racines et dans la construction et la paramétrisation des modèles RSA. Deuxièmement, grâce à l'observation non destructive de leur développement, nous avons remis en question les hypothèses trop simplistes d'ArchiSimple concernant l'émission de l'axe primaire ainsi que la dynamique de leur taux d'élongation et de leur diamètre. Nous avons confirmé que chez le blé, l'émission des axes primaires peut être facilement modélisée à partir de la connaissance de la dynamique du tallage, tandis que leur taux d'élongation et leur diamètre suivent des schémas prévisibles. Enfin, en utilisant le modèle couplé ArchiSimple::SiriusQuality, 4 idéotypes avec des architectures racinaires contrastées ont été simulés sur 7 sites européens dans 4 types de sols contrastés pendant 30 saisons de croissance consécutives (1990-2020). Les simulations confirment que les avantages des caractéristiques architecturales spécifiques des racines varient considérablement en fonction du sol et du climat. Le coût en carbone de ces architectures ainsi que leur impact environnemental sur l'eau et les minéraux doivent encore être pris en compte afin d'envisager pleinement leur équilibre coût-bénéfice, en faveur d'une agriculture vertueuse.

Crop growth models (CGMs) are powerful tools to understand, predict, and optimize crop performance under various environmental conditions and management practices. However, while above-ground growth and crop yield have been the main focus of CGMs, the representation of roots is often simplified or overlooked, hampering our capacity to account for potential improvement by breeding of root architecture, uptake capacity or plasticity in response to the environment. In parallel, more or less detailed root architecture models (RAMs) based on the sequential development, branching and elongation of topologically connected and hierarchized organs with defined functions have been developed in order to account for a diversity of architectures and interactions with the surrounding rhizosphere. In order to better account for the role of root system in crop performance, and specifically allow predicting potential benefits of specific architectural features of root systems such as branching capacity, root orientation and vigor, a strategy is thus to couple RAMs into CGMs. The coupling of a wheat CGM (SiriusQuality) and a RAM (ArchiSimple) was performed ahead of this thesis. The current work stepped into this coupled model to explore three domains. First, we evaluated the capacity of two different high throughput root phenotyping (aeroponic or rhizotubes® based) platforms under controlled conditions to capture ArchiSimple parameters. Significant effect of the experimental setup was found for all parameters while no significant correlation across a small panel of 14 wheat cultivars could be detected. Differences in temperature and/or irradiance but also of developmental stage between experiments and setups may partly explain the differences observed, highlighting the need for considering both developmental and environmental drivers in root phenomics studies and RSA model construction and parametrization. Second, using non-destructive observation of their development, we challenged the oversimplistic hypotheses of ArchiSimple about primary axis emission as well as the dynamic of their elongation rate and diameter. We confirmed that in wheat, primary axis emission can be easily modeled from the knowledge of tillering dynamic while their elongation rate and diameter follow predictable patterns. Finally, using the coupled ArchiSimple::SiriusQuality model, 4 ideotypes with contrasted root architectures were simulated at seven Europeans sites in 4 contrasted sites soil types during 30 consecutive growing seasons (1990-2020). Simulations confirm that the benefits of specific root architectural features greatly vary depending on soil and climate. The C cost of these architectures as well as their environmental impact on water and minerals remain to be accounted for in order to fully consider their cost-benefit balance, in support to a virtuous agriculture.