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

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

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

Impact of drought and leaf development stage on enzymatic antioxidant system of two Populus deltoides × nigra clones

Impacts of mild and severe water constraints were investigated on leaf protein content and activities of superoxide dismutase (SOD), catalase and peroxidase in young cuttings of two Populus deltoides × nigra clones, ‘Luisa_Avanzo’ and ‘Dorskamp’, known to differ in their level of drought tolerance. Expanding and mature leaves were analyzed separately. The effect of water deficit on enzymatic antioxidant system depended on both clone and leaf development stage. For ‘Dorskamp’, which presents an higher drought tolerance than ‘Luisa_Avanzo’, activities of SOD and catalase increased in response to the severe water deficit in mature leaves only. For ‘Luisa_Avanzo’, peroxidase activity increased in response to the mild water deficit in expanding leaves merely. For both clones, three different SOD isoforms, Mn-SOD, Fe-SOD and Cu/Zn-SOD were detected in various amounts depending on drought intensity.Impact de la sécheresse et du stade de développement des feuilles sur les systèmes antioxydants enzymatiques de deux clones de Populus deltoides × nigra. L’impact de sécheresses modérée et sévère sur le contenu en protéines des feuilles et sur les activités de la dismutase de superoxyde (SOD), de la catalase et de la peroxydase a été étudié chez de jeunes boutures de deux clones de Populus deltoides × nigra, ‘Luisa_Avanzo’ et ‘Dorskamp’, connus pour présenter des niveaux différents de tolérance au déficit hydrique. Les feuilles en croissance et matures ont été analysées séparément. La réponse à la sécheresse des systèmes de protection enzymatiques était différente selon le clone et le stade de développement des feuilles étudiées. Pour le clone ‘Dorskamp’, réputé plus tolérant que ‘Luisa_Avanzo’ à la sécheresse, les activités de la SOD et de la catalase augmentaient dans les feuilles matures en réponse à un déficit hydrique sévère. Pour le clone ‘Luisa_Avanzo’, l’activité de la peroxydase augmentait essentiellement dans les feuilles en croissance en réponse à une sécheresse modérée. Pour les deux clones, trois isoformes différentes de la SOD, la Mn-SOD, la Fe-SOD et la Cu/Zn-SOD ont été détectées en quantités variables chez les deux clones en fonction de l’intensité de la contrainte hydrique

Phenotypic plasticity and genetic differentiation for morphological and functional leaf traits in nine metapopulations of black poplar (Populus nigra L.)

International audienceBlack poplar (Populus nigra L.) is a major tree species of riparian ecosystems in Europe that covers a wide range of pedoclimatic conditions and river dynamics, which may have promoted the development of adaptive strategies in natural populations. This species is of economic importance as a parental pool used in many breeding programs for the development of P. deltoides × P. nigra hybrids cultivated for biomass and wood production. The present study aimed at deciphering the components of phenotypic variation for a set of morphological, structural and functional leaf traits related to growth and water-use efficiency. Twenty-four to 62 P. nigra individuals sampled in nine European natural metapopulations were established in replicated clonal tests in two experimental sites contrasted for soil texture and fertility. The relative importance of site, genetic and Genotype × Site (G × S) interaction effects on total phenotypic variation of leaf traits was estimated. In the most favourable site for growth, individual area of mature and fully illuminated leaves increased by an average of 150 % while bulk leaf carbon isotope discrimination (Δ13C) decreased by an average of 2.5 ‰. In the two sites, substantial genetic variation was expressed within the nine P. nigra metapopulations for leaf traits. As indicated by G × S interaction variance comparable or even greater than genetic effects, the expression of genetic variation was significantly modulated by the site for all metapopulations. For individual leaf area, G × S interactions were explained by both changes in genotype ranking and increased genetic variation in the most favourable site while these interactions were mainly attributed to changes of genotype ranking across sites for Δ13C. Despite high intra-metapopulation genetic variation, the genetic differentiation among the nine metapopulations was high (0.42 ≤ QST ≤ 0.51) for all traits related to leaf morphology, such as individual leaf area, petiole length and leaf shape, and its pattern was conserved in the two experimental sites. In contrast, Δ13C exhibited a moderate level of metapopulation differentiation (QST ≈ 0.25) with significant changes of metapopulation clustering between the two sites. These results will be discussed considering the adaptive potential of black poplar to variations in environmental conditions

Variabilité génétique de productivité et d'efficience d'utilisation de l'eau au sein du groupe Populus

International audienc