Efficience d'utilisation de l'eau chez le peuplier noir (Populus nigra L.) (variabilité et plasticité en réponse aux variations de l'environnement.)

Cette thèse visait (i) à quantifier la variabilité de l efficience d utilisation de l eau (WUE) chez le peuplier noir (Populus nigra L.), (ii) à juger de sa plasticité phénotypique en réponse à des contraintes hydrique et thermique et (iii) à juger des liens entre WUE, croissance et survie. A cette fin, des études à partir de semis, en chambre de croissance et en milieu naturel, ainsi qu à partir de populations installées en dispositifs de pépinière ont été réalisées. Nos travaux ont permis de montrer une importante variabilité et une importante plasticité du caractère efficience d utilisation de l eau quels que soient l échelle d étude, le fond génétique et les conditions de croissance. Une diminution de WUE a été observée en réponse à la contrainte thermique alors qu une augmentation de WUE a été observée en réponse à un déficit hydrique modéré. Nos travaux démontrent également un lien entre WUE et la survie sous de fortes températures suggérant que sous ces conditions, une faible efficience d utilisation de l eau conférerait un avantage pour les individus. De plus in situ, un lien négatif entre WUE et la densité de régénération a été observé démontrant que les plus faibles valeurs de WUE sont observées pour les plus fortes densités. Le caractère efficience d utilisation de l eau pourrait donc s avérer un caractère limitant de la régénération de l espèce dans des conditions d augmentation de température ; une telle augmentation pourrait alors avoir une conséquence directe sur la structuration génétique des populations futures. Ces travaux suggèrent enfin une structuration géographique de la variabilité de WUE qui reste à confirmer à partir d un plus grand nombre de populations. Ce travail ouvre des perspectives intéressantes pour l identification des bases physiologiques à l origine des variations de WUE, de sa plasticité et de sa structuration géographique.This work aimed (i) to quantify variability of water-use efficiency (WUE) on black poplar (Populus nigra L.), (ii) to quantify the phenotypic plasticity in response to water deficit and increase of temperature and (iii) to precise the relationships between WUE, growth and leaf survival. Studies on seedlings in growth chambers and in natural conditions, and on populations established in common garden studies were realized. Significant variations and significant plasticity of water-use efficiency were observed on seedlings and adults whatever growth conditions and genetic background. A significant decrease of WUE was observed in response to increase of temperature while an increase of WUE was observed in response to moderate water deficit. Under elevated temperature a significant relationship was observed between WUE and leaf survival suggesting that low WUE confers an advantage for individuals under these conditions. Moreover in situ, a negative relationship between WUE and seedlings density was detected suggesting that low WUE are observed under high seedlings densities. The complex trait water-use efficiency should be a limiting character of species establishment under increase of temperatures; this temperature elevation should have consequences on genetic structuration of populations in the future. Our results suggest a geographical structuration of WUE variability but results must be confirmed on several others populations. This present work opens prospects for identification of physiological bases of WUE variations, its plasticity and its geographical structuration.ORLEANS-SCD-Bib. electronique (452349901) / SudocSudocFranceF

Protéome foliaire et efficience d'utilisation de l'eau chez le peuplier

Dans le contexte du changement climatique global, il apparaît essentiel de prendre en compte l?adaptabilité des variétés cultivées à la modification de l?environnement. Dans le cas du peuplier, la sélection de ressources génétiques capables de produire du bois à moindre coût en eau devient alors un critère de choix qui peut être apprécié par l?efficience d?utilisation de l?eau (WUE). De façon à évaluer l?intérêt de développer un programme de sélection sur WUE, il convenait de juger si les variations génétiques de WUE observées sur de jeunes boutures, s?exprimaient encore sur des arbres cultivés en peupleraie sur des sols contrastés. Par ailleurs, afin d?initier une étude du déterminisme moléculaire de WUE, nous avons évalué le degré de variation génétique des protéomes foliaires de huit génotypes de peupliers contrastés pour leur WUE et cultivés dans des conditions d?alimentation en eau variées. Nos travaux ont permis de valider l?existence d?importantes variations génétiques de WUE chez des peupliers cultivés en peupleraie. Toutefois, le type de sol modifiait considérablement le classement des génotypes alors que celui établi sur les sols les plus propices à la populiculture était comparable au classement décrit précédemment en serre. Nos expériences ont également validé la possibilité de distinguer des génotypes contrastés pour WUE à partir de leur protéome foliaire. Nous avons montré que le protéome foliaire de huit génotypes différant par leur WUE présentait d?importantes variations génétiques en réponse à la sécheresse et qu?il existait des liens entre abondances de protéines foliaires et variations génétiques de WUE.In the actual climate change context, the cultivated varieties will have to cope with the expected environmental modifications. In poplar, the breeding of genetic ressources able to grow with lower water costs becomes therefore, an essential criterion that can be evaluated from water-use efficiency (WUE). In order to assess the interest to develop a breeding program based on WUE, it was agreed to judge if the genetic variation of WUE observed on young cuttings, were still expressed on trees cultivated in poplar plantation on contrasted soils. In addition, in order to initiate a study of the molecular determinism of WUE, we evaluated the degree of genetic variation in the leaf proteome of eight poplar genotypes contrasted for their WUE and cultivated under varied water supply. Our work evidenced consistent genetic variations of WUE in poplars cultivated in a commercial plantation. However, the type of cultivated soil modified considerably the genotypic ranking, whereas ranking established on the most favourable soils for poplar growth, remained comparable with the one described previously in greenhouse. Our experiments also validated the possibility of distinguishing genotypes contrasted for WUE from their leaf proteome. We showed that leaf proteome of eight poplar genotypes differing by their WUE displayed consistent genetic variations in their drought response and that there were relationships between leaf protein abundances and genetic variations of WUE.ORLEANS-SCD-Bib. electronique (452349901) / SudocSudocFranceF

Variations in xylem structure and function and drought-induced plasticity in poplar

Cette thèse visait à caractériser l architecture hydraulique du xylème chez les hybrides de peuplier Populusdeltoides . P. nigra et à juger de ses relations avec le fonctionnement hydrique et carboné de l arbre en conditions d irrigation contrastées. A cette fin, huit génotypes se distinguant par leur discrimination isotopique vis-à-vis du carbone 13 ont été cultivés en pépinière. Nos travaux ont permis de mettre en évidence d importantes variations entre génotypes pour les caractéristiques anatomiques du xylème, l efficience hydraulique de la tige et de la plante entière ainsi que la résistance à la cavitation. Nos travaux démontrent également que l anatomie et la résistance à la cavitation du xylème s ajustent aux conditions hydriques du milieu de façon génotype-dépendante. En condition hydrique non limitante, nous avons mis en évidence un compromis entre l efficience hydraulique et la résistance à la cavitation ou le potentiel de croissance. Ces deux compromis expliquent la relation positive observée entre la résistance à la cavitationet le potentiel de croissance. En condition hydrique limitante, cette relation n était toutefois plus observable. Aucune relation n a pu être identifiée entre les propriétés hydrauliques et l efficience d utilisation de l eau. Ces travaux suggèrent que certaines relations couramment observées à l échelle inter-spécifique ne sont pas nécessairement applicables à des échelles d étude plus réduites. Ce travail ouvre des perspectives sur le plan fondamental pour l identification du déterminisme moléculaire à l origine de la plasticité structurale observée et sur le plan appliqué, pour la création variétale.This work aimed at characterizing xylem hydraulic architecture and at describing its relationships with whole plant water and carbon relations among Populus deltoides . P. nigra hybrids under contrasting water regimes. Eight genotypes differing in carbon isotope discrimination were grown in the field in a common garden test. Significant variations were observed between genotypes for all xylem anatomical characteristics, stem or whole-plant hydraulic efficiency and xylem resistance to cavitation. Drought-induced acclimation was observed for xylem structural features and xylem resistance to cavitation, but in a genotype-dependant manner. Under optimal irrigation, a trade-off was observed between hydraulic efficiency and xylem resistance to cavitation or growth performance. These two trade-offs translated into an uncommon positive relationship between xylem resistance to cavitation and growth performance. Under water deficit,this relationship broke down. No relationship could be detected between xylem hydraulics and water-use efficiency estimates. Our results suggest in part that several common relationships that are observed at the between-species level may not necessarily hold true at narrower scales. Further, this work opens up prospects both for identifying the molecular basis of xylem structural acclimation and for breeding strategies.ORLEANS-SCD-Bib. electronique (452349901) / SudocSudocFranceF

Variabilité génétique et plasticité de l'efficience d'utilisation des ressources (eau et azote) chez les salicaceae cultivées en taillis à courte et à très courte rotation

Cette thèse visait à (1) caractériser l'impact de la densité de plantation (DP) et des conditions pédoclimatiques sur la physiologie des peupliers et des saules dédiés à la production de biomasse, (2) évaluer la variabilité génétique de caractères liés à la productivité, l'efficience d'utilisation de l'eau (WUE) et l'efficience d'utilisation de l'azote (NUE) dans une perspective de sélection variétale, et (3) à juger des relations entre ces caractères. Quatre dispositifs expérimentaux ont été installés dans le nord de la France. Nos résultats montrent que la DP affecte la production de biomasse et WUE de façon site-dépendante. Dans des conditions de croissance très favorables, les arbres cultivés à forte DP étaient plus haut, moins épais et avaient de plus faibles WUE, reflétant une compétition pour la lumière. Dans des conditions de croissance peu favorables, les arbres cultivés forte DP avaient de plus fortes WUE et de plus faibles circonférences, indiquant une compétition pour l'eau. Un lien positif entre biomasse aérienne et WUE a été détecté pour le saule et le peuplier dans les sites où la compétition était réduite. Une canopée plus développée s'associe à des pertes en eau par transpiration plus importante à l'échelle de l'arbre. Celles-ci sont compensées à l'échelle foliaire par une meilleure régulation stomatique. L'absence d'antagonisme entre WUE, NUE et la production de biomasse suggère la possibilité de sélectionner indépendamment sur les trois caractères. Cependant, les interactions Génotype x Site montrent la difficulté d'identifier des génotypes performants pour des stations d'accueil différentes. La sélection doit être réalisée de façon site-dépendanteThis work aimed (1) at characterizing the impact of planting density (PD) and pedoclimatic conditions (sites) on the physiology of poplar and willow dedicated to biomass production, (2) at evaluating the genetic variability of productivity-related traits, water-use efficiency (WUE) and nitrogen-use efficiency (NUE) in a perspective of plant breeding, and (3) at assessing the relationships among these traits. Four experimental plantations were established in northern France. Our results show that PD affects biomass production and WUE depending on sites. Under most favorable growth conditions, trees grown at higher density displayed taller stems, lower stem circumference, and lower WUE, than trees grown at lower density indicating that increased tree density mainly accentuated competition for light. Under less favorable conditions, an increase of PD involved higher WUE and lower stem circumference, likely because of an increased competition for water. Positive links between biomass production and WUE were detected for poplar and willow under environmental conditions where competition for resources was reduced. A large canopy is associated to potentially more important transpiration water losses at plant level. This could be compensated at leaf level through a better stomatal regulation. The absence of antagonism between biomass production, WUE, and NUE suggests the possibility to select genotypes for these three traits independently. Moreover, the Genotype x Site interactions indicated the difficulty to identify good genotypes for a large set of site conditions suggesting that the selection has to be realized depending on the site conditionsMETZ-SCD (574632105) / SudocNANCY1-Bib. numérique (543959902) / SudocNANCY2-Bibliotheque electronique (543959901) / SudocNANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF

Ecophysiologie des peupliers euraméricains en réponse à la sécheresse

Le peuplier est une essence qui présente d'importants besoins en eau. La peupleraie française est composée majoritairement d'hybrides qui révèlent néanmoins des niveaux variés de tolérance à la sécheresse. Le développement actuel de la populiculture et son éloignement subséquent des zones alluviales ont fait naître le besoin de cultivars associant la tolérance à la sécheresse à la productivité. Les liens entre ces deux qualités et les facteurs intrinsèques qui les déterminent sont cependant très peu connus. L'objectif de notre thèse est, dans un premier temps, de comparer la réponse à la sécheresse de deux clones de peuplier présentant des niveaux contrastés de tolérance au manque d'eau, et ceci afin de mettre en évidence les mécanismes physiologiques mis en jeu pour lutter contre la contrainte hydrique, et de dégager, dans un second temps, des déterminants de productivité, d'efficience d'utilisation de l'eau et de tolérance à la sécheresse à partir d'un plus large panel de cultivars. La comparaison des feuilles des clones 'Dorskamp' et 'Luisa_Avanzo' en termes de capacités photosynthétiques, de thermotolérance, de croissance, de structure, d'ajustement osmotique, de systèmes de lutte contre les oxydations et de composition phénolique en conditions non limitantes en eau et en conditions de sécheresse a permis de mettre en évidence des différences marquées entre les deux cultivars qui ne se situent pas dans leur réponse à la sécheresse. Les feuilles des deux clones sont constitutivement différentes en terme de structure et de croissance. De plus, en réponse au ré-arrosage, le clone 'Dorskamp' présente une plus grande plasticité que le clone 'Luisa_Avanzo'. L'élargissement du modèle à 31 cultivars a fait apparaître que les clones les plus productifs présentent la plus grande surface foliaire, les plus faibles surfaces massiques et les teneurs en azote foliaires.ORLEANS-BU Sciences (452342104) / SudocSudocFranceF

Modulation of leaf physiology by age and in response to abiotic constraints in young cuttings of two Populus deltoides x P. nigra genotypes

• It is of importance, when comparing physiological responses of leaves to environmental constraints among different genotypes, to take into account any effect related to leaf position and age within the canopy that might interfere with the response to the constraints. • To document such effects, photosynthetic capacity and tolerance to heat and to oxidation were measured on leaves from the top to the bottom of three-month-old single-stem rooted cuttings of Populus deltoides × P. nigra genotypes, ‘Dorskamp’ and ‘Luisa_Avanzo’, thus taking into account a gradient of ages from youngest and still expanding (top) to oldest and fully expanded (bottom) leaves. • All recorded traits were tightly linked to the age of the leaves. Photosynthetic capacity gradually increased during leaf expansion, in parallel with chlorophyll content and relative nitrogen allocation to RuBisCO and to bioenergetics. On the contrary, dark respiration gradually decreased during leaf expansion until a minimum value was reached at maturity. Compared to expanding leaves, young mature leaves were characterized by a lower sensitivity to heat and a higher one to oxidations generated by methyl-viologen. • Leaf characteristics appeared to vary along the stem to a larger extent than between the two genotypes that display largely different productivities in plantations.•Pour comparer de manière fiable la réponse physiologique de feuilles de différents génotypes aux contraintes abiotiques, il est important de prendre en compte les effets liés à la position et à l’âge des feuilles au sein de la canopée pouvant interférer avec la réponse à la contrainte. •Afin de documenter de tels effets, les capacités photosynthétiques et la tolérance à la chaleur et aux oxydations ont été mesurées sur des feuilles réparties tout le long de la tige de boutures de 3 mois des génotypes de Populus deltoides × P. nigra, ‘Luisa_Avanzo’ et ‘Dorskamp’. •Tous les traits mesurés présentaient une forte variabilité liée à l’âge des feuilles. Les capacités photosynthétiques augmentaient graduellement durant l’expansion foliaire, en parallèle avec les teneurs en chlorophylles et avec l’allocation d’azote à la RuBisCO et au transfert photosynthétique d’électrons. Au contraire, la respiration diminuait graduellement durant l’expansion foliaire jusqu’à ce qu’une valeur minimum soit atteinte à maturité de la feuille. En comparaison avec les feuilles en croissance, les jeunes feuilles matures étaient caractérisées par une tolérance plus grande à la chaleur et plus faible aux oxydations générées par du méthylviologène. •Les caractéristiques foliaires variaient plus le long de la tige qu’entre les deux génotypes, pourtant connus pour leurs différences de niveau de productivité en plantation

Vulnerability to drought-induced cavitation in poplars: synthesis and future opportunities

National audienceVulnerability to drought-induced cavitation is a key trait of plant water relations. Here, we summarize the available literature on vulnerability to drought-induced cavitation in poplars (Populus spp.), a genus of agronomic, ecological and scientific importance. Vulnerability curves and vulnerability parameters (including the water potential inducing 50% loss in hydraulic conductivity, P50) were collected from 37 studies published between 1991 and 2014, covering a range of 10 species and 12 inter-specific hybrid crosses. Results of our meta-analysis confirm that poplars are among the most vulnerable woody species to drought-induced cavitation (mean P50 = -1.44 and -1.55 MPa across pure species and hybrids, respectively). Yet, significant variation occurs among species (P50 range: 1.43 MPa) and among hybrid crosses (P50 range: 1.12 MPa), within species and hybrid crosses (max. P50 range reported: 0.8 MPa), as well as in response to environmental factors including nitrogen fertilization, irradiance, temperature and drought (max. P50 range reported: 0.75 MPa). Potential implications and gaps in knowledge are discussed in the context of poplar cultivation, species adaptation and climate modifications. We suggest that poplars represent a valuable model for studies on droughtinduced cavitation, especially to elucidate the genetic and molecular basis of cavitation resistance

Compared water deficit response of two Populus x euramericana clones, Luisa Avanzo and Dorskamp

The drought response of two Populus x euramericana clones cv Dorskamp and Luisa Avanzo was investigated using potted cuttings growing in a greenhouse. The cv Dorskamp clone is known to be more tolerant than Luisa Avanzo under field conditions. Watering was withheld and several parameters followed during the onset of drought. The relation between predawn leaf water potential ($\Psi_{wp}$) and soil water content differed between clones: (i) $\Psi_{wp}$ tended to decline when soil water content decreased below a threshold of 0.11 v/v and 0.13 v/v for Dorskamp and Luisa Avanzo, respectively; and (ii) $\Psi_{wp}$ of stressed cuttings reached $-3.5$ MPa and $-2.5$ MPa for Dorskamp and Luisa Avanzo, respectively. Under well watered conditions, Luisa Avanzo had greater relative rates of increase in number of leaves and leaf growth than in Dorskamp. In response to water stress, the relative rates of increase in number of leaves and leaf growth did not significantly differ between the two clones for similar $\Psi_{wp}$ values. Thus, the growth advantage of Luisa Avanzo observed under control condition appeared counterbalanced by its higher susceptibility to water stress. Our results corroborated field observations on mature trees.Comparaison de la réponse à un arrêt d'arrosage de deux clones de Populus x euramericana, Luisa Avanzo et Dorskamp. La réponse à un stress hydrique de deux clones de Populus x euramericana cv Dorskamp et Luisa Avanzo a été étudiée en serre à partir de boutures en pots. Le stress a été initié par arrêt d'arrosage et différents paramètres ont été suivis. La relation entre le potentiel de base foliaire ($\Psi_{wp}$) et la teneur en eau du sol diffère entre clones : (i) $\Psi_{wp}$ tend à diminuer lorsque la teneur en eau du sol atteint le seuil de 0.11 v/v pour Dorskamp, alors qu'il diminue à partir de 0,13 v/v pour Luisa Avanzo ; (ii) $\Psi_{wp}$ des plants stressés atteint réversiblement $-3,5$ MPa pour Dorskamp et seulement $-2,5$ MPa pour Luisa Avanzo. En condition témoin, les taux d'apparition et de croissance des feuilles de Luisa Avanzo sont supérieurs à ceux de Dorskamp. En réponse au stress, ces paramètres ne diffèrent plus entre clones pour des $\Psi_{wp}$ comparables. L'avantage de croissance observé chez Luisa Avanzo en condition témoin n'apparaît plus en réponse au stress ; la plus grande sensibilité de ce clone au stress hydrique corrobore donc les observations réalisées en conditions naturelles