Mechanisms of genotypic differences in tolerance of iron toxicity in field-grown rice

Iron (Fe) toxicity is a major constraint to rice yields in much of the world due to the greater solubility of reduced ferrous Fe in paddy soils compared with ferric Fe in aerobic soils and resulting excess uptake into the plants. There is genotypic variation in tolerance in Oryza gene pools, but so far only weak-effect alleles have been identified, largely because multiple critical physiological processes determine the tolerance. Most past research has been done in nutrient solution screens at the seedling stage, and not under field conditions over the full life cycle. We investigated tolerance mechanisms in a diverse set of genotypes under field conditions in a highly iron toxic soil in the Central Highlands of Madagascar. We made repeated plant samplings of young and old tissues throughout the growth period until maturity. Multiple mechanisms were involved, and the importance of different mechanisms changed between growth stages. Higher grain yields were mainly due to healthy vegetative growth, achieved either by reducing Fe uptake (exclusion) or by minimizing the effect of excess uptake through compartmentalization in older tissues and tissue tolerance. Exclusion mechanisms were relaxed during reproductive growth, leading to increased Fe accumulation in shoots. But tolerant genotypes were nonetheless able to grow well through a combination of Fe compartmentalization and tissue tolerance, so that grain filling could proceed relatively unimpeded. Tissue phosphorus (P) and potassium (K) concentrations were close to or below deficiency limits throughout growth. Exclusion by ferrous Fe oxidation in the rhizosphere will impede access of P and K ions to roots, but the differences in their tissue concentrations were much smaller than differences in growth rates, so growth rates evidently drove the uptake differences and responses to Fe toxicity were the more important constraints. There was no relation between grain yield and visual symptoms. To identify useful donors and markers for breeding it is important to develop screening protocols that capture the individual tolerance mechanisms, allowing for the effects of growth stage on their relative importance and expression, and possible interactions with other factors such as mineral nutrition. Selection for tolerance based on visual symptoms, particularly at the seedling stage, is overly simplistic, though it can be useful in the study of specific tolerance mechanisms

Magnesium supply alleviates iron toxicity-induced leaf bronzing in rice through exclusion and tissue-tolerance mechanisms

Introduction: Iron (Fe) toxicity is a widespread nutritional disorder in lowland rice causing growth retardation and leaf symptoms referred to as leaf bronzing. It is partly caused by an imbalance of nutrients other than Fe and supply of these is known to mitigate the toxicity. But the physiological and molecular mechanisms involved are unknown. Methods: We investigated the effect of magnesium (Mg) on Fe toxicity tolerance in a field study in the Central Highlands of Madagascar and in hydroponic experiments with excess Fe (300 mg Fe L-1). An RNA-seq analysis was conducted in a hydroponic experiment to elucidate possible mechanisms underlying Mg effects. Results and discussion: Addition of Mg consistently decreased leaf bronzing under both field and hydroponic conditions, whereas potassium (K) addition caused minor effects. Plants treated with Mg tended to have smaller shoot Fe concentrations in the field, suggesting enhanced exclusion at the whole-plant level. However, analysis of multiple genotypes showed that Fe toxicity symptoms were also mitigated without a concomitant decrease of Fe concentration, suggesting that increased Mg supply confers tolerance at the tissue level. The hydroponic experiments also suggested that Mg mitigated leaf bronzing without significantly decreasing Fe concentration or oxidative stress as assessed by the content of malondialdehyde, a biomarker for oxidative stress. An RNA-seq analysis revealed that Mg induced more changes in leaves than roots. Subsequent cis-element analysis suggested that NAC transcription factor binding sites were enriched in genes induced by Fe toxicity in leaves. Addition of Mg caused non-significant enrichment of the same binding sites, suggesting that NAC family proteins may mediate the effect of Mg. This study provides clues for mitigating Fe toxicity-induced leaf bronzing in rice

Relations entre structure des exploitations et gestion des effluents d’élevage sur les Hautes Terres de Madagascar

La dégradation de la fertilité des sols est un problème majeur en Afrique subsaharienne. La forte croissance démographique, la demande locale de nourriture et la réduction des terres arables disponibles risquent d’accroître ce phénomène. Alors que les engrais minéraux sont peu utilisés, notamment à Madagascar, la gestion de la fertilité des sols est largement dépendante des matières organiques produites à la ferme. Afin d’augmenter l’efficacité du recyclage des nutriments à l’échelle de la ferme, il est nécessaire de comprendre les facteurs favorables à l’amélioration des pratiques de gestion des effluents d’élevage. Cette étude propose d’analyser les relations entre la structure d’exploitations agricoles intégrant agriculture et élevage dans la région de Vakinankaratra (Hautes Terres de Madagascar) et leurs pratiques de gestion des effluents. Des entretiens semi-directifs ont été réalisés auprès de 300 exploitations. Une typologie a été réalisée à l’aide d’une analyse en composantes principales (ACP). Sept types d’exploitation ont été retenus, permettant de distinguer des exploitations laitières d’autres exploitations d’agro-élevage (bovins de trait, porcs). Un test de Khi2 indique un effet significatif de la structure des exploitations sur le mode de gestion des effluents. En particulier, la présence d’un élevage laitier et de porcins semble favoriser des modes de gestion améliorés. L’analyse typologique contribue à la compréhension de l’adoption de pratiques améliorées de gestion des biomasses par les agro-éleveurs. L’adoption de telles pratiques est un prérequis pour améliorer le recyclage des nutriments vers les parcelles agricoles, et donc améliorer la durabilité des exploitations agricoles des Hautes Terres du Vakinankaratra

Chapitre 2. Spatialiser les stocks de carbone

Introduction Dans les laboratoires d’analyse des sols à Madagascar, la mesure du carbone organique du sol (COS) sert à calculer la teneur en matière organique (MO), une information utile pour la gestion de la fertilité des sols. Outre son évaluation quantitative, diverses études sur le COS ont été menées sur (1) sa dynamique, en interaction avec les autres constituants du sol selon les pratiques et modes d’usage des terres ou (2) sur sa variabilité spatio-temporelle. Ces études ont été effect..

Carbone des sols en Afrique

Les sols sont une ressource essentielle à préserver pour la production d’aliments, de fibres, de biomasse, pour la filtration de l’eau, la préservation de la biodiversité et le stockage du carbone. En tant que réservoirs de carbone, les sols sont par ailleurs appelés à jouer un rôle primordial dans la lutte contre l’augmentation de la concentration de gaz à effet de serre. Ils sont ainsi au centre des objectifs de développement durable (ODD) des Nations unies, notamment les ODD 2 « Faim zéro », 13 « Lutte contre le changement climatique », 15 « Vie terrestre », 12 « Consommation et production responsables » ou encore 1 « Pas de pauvreté ». Cet ouvrage présente un état des lieux des sols africains dans toute leur diversité, mais au-delà, il documente les capacités de stockage de carbone selon les types de sols et leurs usages en Afrique. Il propose également des recommandations autour de l’acquisition et de l’interprétation des données, ainsi que des options pour préserver, voire augmenter les stocks de carbone dans les sols. Tous les chercheurs et acteurs du développement impliqués dans les recherches sur le rôle du carbone des sols sont concernés par cette synthèse collective. Fruit d’une collaboration entre chercheurs africains et européens, ce livre insiste sur la nécessité de prendre en compte la grande variété des contextes agricoles et forestiers africains pour améliorer nos connaissances sur les capacités de stockage de carbone des sols et lutter contre le changement climatique

Système de culture à rotation Voandzou - riz pluvial sur les Hautes Terres de Madagascar. Rôle du Voandzou (<em>Vigna subterranea</em>) sur la biodisponibilité du phosphore dans les ferralsols

Face à la pression démographique et la paupérisation sévissant les pays en développement comme le cas de Madagascar, atteindre la sécurité alimentaire n‘est plus une option mais une étape que les agriculteurs et les chercheurs devraient franchir afin d‘affronter la compétition nationale et mondiale. La valorisation des «tanety» peu exploités de type Ferralsols qui représentent la majeure partie des terrains potentiellement cultivables dans les hautes terres malgaches est actuellement une des meilleures alternatives pour sécuriser les agriculteurs et la population de la grande île. En collaborant étroitement avec les agriculteurs, les chercheurs notamment les agronomes devraient proposer un nouveau système agricole qui intègre les contraintes d‘ordre agronomique à savoir d‘une part, les déterminants socio-économiques, mais également les déterminantes biophysiques du système sol-plante. Concernant les cycles de nutriments, la contrainte majeure des Ferralsols concerne le cycle du phosphore (P) et les risques de fixation de cet élément dans ces sols réduisant sa disponibilité pour les plantes. Les légumineuses, par le biais de leur capacité de fixation de l‘azote peuvent avoir un rôle sur l‘augmentation de la biodisponibilité du P dans les Ferralsols. Dans ce cadre, l‘hypothèse principale est que l‘introduction de plantes légumineuses est nécessaire dans les systèmes de culture. Le voandzou ou Vigna subterranea, pourrait jouer ce rôle comme culture de redressement capable d‘améliorer la productivité du système de culture de riz pluvial qui se développe sur les ferralsols. Les objectifs spécifiques de la thèse sont : i) évaluer l‘effet du système de culture à rotation voandzou - riz pluvial en termes de rendement rizicole et de biodisponibilité du P ii) étudier l‘efficacité de la fertilisation organique, minérale et organo-minérale par une analyse comparative iii) évaluer l‘aptitude de voandzou en termes d‘efficience d‘utilisation de P (EUP) pour la fixation symbiotique de l‘azote (FSN) iv) identifier les cultivars et écotypes contrastantes en EUP pour la FSN. Les hypothèses de recherche qui sous tendent ces objectifs ont été : - La rotation Vigna subterranea - riz pluvial est possible et durable sur les terres de « tanety » des Hautes Terres malgaches. - La légumineuse (Vigna subterranea) améliore la disponibilité du phosphore dans les sols acides de type Ferralsol - Une variabilité génotypique de la FSN pour l‘EUP existe chez différents cultivars et écotypes de Vigna subterranea . Des séries d‘expérimentations ont été conduites à l‘échelle rhizosphérique à travers des essais in situ et en mésocosme afin d‘évaluer la potentialité de voandzou comme culture pouvant améliorer la disponibilité de P. Une forte potentialité de voandzou a été confirmée au cours de l‘essai au champ de longue durée où le système de culture à rotation a été comparé avec le système monocultural du riz pluvial avec une fertilisation organique et/ou minérale. Les résultats obtenus ont montré l‘efficacité du système de culture à rotati on comparé avec le système monocultural en termes de rendement et de mobilisation de phosphore par une meilleure efficience d‘utilisation en P spécifiquement sous traitement organique combiné avec le TSP. L‘expérimentation en pots sous condition semi-contrôlée a montré que la légumineuse a utilisé plus efficacement le phosphore du sol spécifiquement sous apport organique combiné avec le TSP comparé à la céréale notamment le riz. Cette forte potentialité a été marquée par une meilleure teneur en P plante (augmentation de 20 à 50% du riz pluvial), statut phosphaté et efficience d‘utilisation du P. L‘expérimentation de criblage variétal des 54 cultivars - écotypes de voandzou de Madagascar, de Niger et du Mali sous culture hydroaéroponique ont permis de montrer l‘existence de variabilité génotypique sur le voandzou et d‘identifier les lignées contrastantes ou les cultivars à forte potentialité à la fixation symbiotique de N2 (FSN) pour l‘efficience d‘utilisation du phosphore (EUP). Les cultivars et écotypes de Madagascar ont présenté une forte potentialité par rapport à ceux du Niger et du Mali en termes de nodulation et de biomasse végétale. A l‘issu de cette présélection, quatre cultivars-écotypes ont présenté une meilleure efficience d‘utilisation de la symbiose rhizobienne. Parmi eux, les deux cultivars-écotypes les plus contrastants ont présenté une meilleure consommation d‘O2 des racines nodulées sous P déficient marqué par une forte perméabilité nodulaire à la diffusion en O2, 4 fois plus élevées comparées au P suffisant, et un changement de structure des cellules corticales couplé avec une expression de gène phytate suite à une analyse d‘imagerie sur coupes nodulaires. L‘analyse des sols rhizosphériques et non rhizosphériques, issus d‘une culture en rhizotron, par la méthode d‘échange isotopique 32P a pu mettre en évidence l‘influence de l‘effet rhizosphérique sur la dynamique des ions «phosphate» diffusibles (Pd) entre la phase solide et la solution du sol sous disponibilité limitant en P. Ce qui se traduit par une forte capacité de réapprovisionnement de la solution du sol en Pd suivant le temps d‘échange induisant ainsi à une meilleure nutrition phosphatée du voandzou spécifiquement chez le cultivar 1. Les mécanismes rhizosphériques impliqués dans la mobilisation des ions «phosphate» sont la diffusion par le Pd, l‘acidification par la baisse de pH, la complexation par les anions organiques induisant une faible teneur en Al et Fe et la minéralisation de P organique via la phosphatase. Les résultats de cette étude nous ont permis de montrer la forte potentialité de voandzou exprimée sous faible disponibilité en P avec l‘existence des lignées contrastantes capables d‘influencer la mobilisation de P du sol et d‘intégrer le voandzou dans le système de culture paysanne productif et durable pour l‘amélioration et la restauration de la fertilité des Ferralsols dans les pays tropicaux comme Madagasca

Overlaps in brain dynamic functional connectivity between schizophrenia and autism spectrum disorder

Schizophrenia and autism share some genotipic and phenotypic aspects as connectome miswiring and common cognitive deficits. Currently, there are no medical tests available for either disorders, and diagnostics for both of them include direct reports of relatives and clinical evaluation by a psychiatrist. Despite several medical imaging biomarkers have been proposed in the past, novel effective biomarkers or improvements of the existing ones is still need. This work proposes a dynamic functional connectome analysis combined with machine learning techniques to complement the present diagnostic procedure. We used the moving window technique to locate a set of dynamic functional connectivity states, and then use them as features to classify subjects as autism/schizophrenia or control. Moreover, by using dynamic functional connectivity measures we investigate the question whether those two disorders overlap, namely whether schizophrenia is part of the autism spectrum and which brain region could be involved in both disorders. The results reveal that both static and dynamic functional connectivity can be used to classify subjects with schizophrenia or autism. Lastly, some brain regions show similar functional flexibility in both autism and schizophrenia cohorts giving further possible proofs of their overlaps. Keywords: Brain imaging, Schizophrenia, Autism spectrum disorder, Connectome, Functional connectivity, FMR

Phosphorus availability of a French thermally conditioned sewage sludge assessed by isotopic labeling techniques

National audiencePhosphorus in urban sewage sludge is a potential source of P for agriculture if it is plant-available. In that case it could be an alternative to mineral P fertilizers known as non renewable source. However, to manage TCSS it is necessary to have an accurate assessment of its P fertilizing value. This work aimed to assess and compare the plant availability of P in TCSS and triple superphosphate (TSP). A pot experiment with a mixture of ryegrass and fescue was carried out for 2 months on a P-deficient and slightly acidic soil in which 50 mgP.kg–1 was applied as TSP and TCSS. The 32P–labeling of soil P was used to accurately quantify the P taken up by plants from the different P sources and to evaluate interactions after applying P-TCSS on P taken up from soil. In parallel, soil incubations were conducted on the same treatments to analyze soil respiration and soil microbial dynamics. In comparison to the control (no P applied), shoot and root biomass productions, and plant P nutrition increased with TSP and TCSS application. The contribution of TCSS and TSP to plant nutrition was 55.2% and 55.7%, respectively and the relative agronomic effectiveness of TCSS was 64%. This decrease is explained by the carbon associated with the 50 mgP.kg-1 applied to soil. This carbon initiates a priming-effect with a high microbial activity marked by high soil respiration and high P content in microbial biomass which competed for plant-available P and delayed the root and shoot growth. As a consequence, P taken up from soil and TCSS decreased both. In conclusion, this study shows that it is possible to substitute TSP by TCSS