QTL analysis of seed germination and pre-emergence growth at extreme temperatures in Medicago truncatula

Enhancing the knowledge on the genetic basis of germination and heterotrophic growth at extreme temperatures is of major importance for improving crop establishment. A quantitative trait loci (QTL) analysis was carried out at sub- and supra-optimal temperatures at these early stages in the model Legume Medicago truncatula. On the basis of an ecophysiological model framework, two populations of recombinant inbred lines were chosen for the contrasting behaviours of parental lines: LR5 at sub-optimal temperatures (5 or 10°C) and LR4 at a supra-optimal temperature (20°C). Seed masses were measured in all lines. For LR5, germination rates and hypocotyl growth were measured by hand, whereas for LR4, imbibition and germination rates as well as early embryonic axis growth were measured using an automated image capture and analysis device. QTLs were found for all traits. The phenotyping framework we defined for measuring variables, distinguished stages and enabled identification of distinct QTLs for seed mass (chromosomes 1, 5, 7 and 8), imbibition (chromosome 4), germination (chromosomes 3, 5, 7 and 8) and heterotrophic growth (chromosomes 1, 2, 3 and 8). The three QTL identified for hypocotyl length at sub-optimal temperature explained the largest part of the phenotypic variation (60% together). One digenic interaction was found for hypocotyl width at sub-optimal temperature and the loci involved were linked to additive QTLs for hypocotyl elongation at low temperature. Together with working on a model plant, this approach facilitated the identification of genes specific to each stage that could provide reliable markers for assisting selection and improving crop establishment. With this aim in view, an initial set of putative candidate genes was identified in the light of the role of abscissic acid/gibberellin balance in regulating germination at high temperatures (e.g. ABI4, ABI5), the molecular cascade in response to cold stress (e.g. CBF1, ICE1) and hypotheses on changes in cell elongation (e.g. GASA1, AtEXPA11) with changes in temperatures based on studies at the whole plant scale

Analyse et modélisation de l'implantation des cultures

*INRA Unité d'Agronomie de Laon-Reims-Mons, rue Fernand Christ-02007 Laon Cedex Diffusion du document : INRA Unité d'Agronomie de Laon-Reims-Mons, rue Fernand Christ-02007 Laon Cede

Croissance de la plantule de betterave sucriere (Beta vulgaris L.)

National audienc

Etude au laboratoire et au champ des interactions entre la qualité des semences et le traitement des semences chez le blé

Rapport de fin d'étude Contrat de Branche Ministère de l'Agriculture (1997-1999)*INRA Unité d'Agronomie de Laon-Péronne Diffusion du document : INRA Unité d'Agronomie de Laon-PéronneNational audienc

Effects of nutrient supply on pre-emergence growth and nutrient absorption in wheat (Triticum aestivum L.) and sugarbeet (Beta vulgaris L.)

5 graph.International audienc

Effects of seed production and storage conditions on blackgrass (Alopecurus myosuroides) germination and shoot elongation

International audienc

Déterminants de la croissance précoce et impact sur les interactions entre espèces dans les associations de cultures à base de légumineuses

Dans l'optique d'une meilleure prévision des performances des cultures associées à base de légumineuses, il est nécessaire d'accroître nos connaissances sur la mise en place de la compétition entre les espèces associées. Ainsi, la croissance précoce, de la levée jusqu'au début de la compétition, est une phase déterminante de la compétitivité initiale de chaque espèce. La croissance précoce serait fonction des traits de semence et de plantule, i. e. masse de la semence, type de levée (épigée ou hypogée) en relation avec les conditions de semis, i. e. durée de levée, disponibilité en éléments minéraux. Les objectifs de la thèse étaient (i) d'identifier et de modéliser les effets des facteurs déterminants de la croissance précoce en lien avec les traits de semence et plantule et les conditions de semis (ii) et d'évaluer les impacts de variations de la croissance précoce sur la suite du cycle. Les expérimentations réalisées ont permis de mettre en évidence et de modéliser les effets de la masse de la semence et du degré d'utilisation des réserves séminales (en fonction de la durée de levée) sur la croissance précoce. La nutrition minérale a eu un effet stimulant chez toutes les espèces étudiées. L'intégration de la croissance précoce dans un modèle de fonctionnement de l'association pois-blé (AZODYN-IC) a montré que des variations de la croissance précoce avaient des conséquences sur la biomasse et sur la proportion de chaque espèce en fin cycle. Ces impacts ont aussi été observés expérimentalement. Les résultats obtenus apportent des éléments pour prédire le fonctionnement des cultures associées et pour proposer des leviers afin d'orienter les performances de ces couverts.In order to better predict the performances of legume-based intercrops, it is necessary to increase our knowledge on the onset of the competition between mixed species. Thus, early growth, from emergence to the beginning of competition, is a key step in determining initial competitive ability of each species. Early growth would depend on seed and seedling traits, i. e. seed mass, emergence (epigeal or hypogeal) in relation with sowing conditions, i. e. duration of emergence, nutrient availability. The objectives of this thesis were (i) to identify and model the effects of key factors impacting on early growth in relation with seed and seedling traits and sowing conditions (ii) and to assess the impacts of early growth variations on subsequent growth. Carried out experiments enabled analysing and modelling the effects of seed mass and of the degree of the emptying of seminal reserves (in relation with the duration of emergence) on early growth. Mineral nutrition had a stimulating effect for all studied species. The integration of early growth in a model simulating the functioning of a pea-wheat intercrop (AZODYN-IC) showed that variations in early growth impacted on the biomass and the proportion of each species at the end of the cycle. These impacts were also observed experimentally. Obtained results provide evidence to predict the functioning of intercrops and to propose technics to manage the performances of such systems.ANGERS-BU Lettres et Sciences (490072106) / SudocSudocFranceF

Spatial calibration of a crop model using optical remote sensing data. A case study on sugar beet emergence and early growth

International audienc

Conséquences de l'état du profil cultural sur les peuplements végétaux : Réussite de la levée en relation avec l'état du lit de semences

National audienc

Caractérisation écophysiologique de différents génotypes de medicago truncatula au cours des phases de germination et de croissance hétérotrophe

Les phases de germination et croissance hétérotrophe sont des étapes cruciales pour l'implantation d'une culture et dépendent fortement des conditions environnementales. Le cadre d'analyse fourni par le modèle de prévision des levées SIMPLE (SIMulation of PLant Emergence) a été utilisé pour la caractérisation de Medicago truncatula (M.tr.) au cours de ces étapes précoces de son cycle, en réponse à des facteurs physiques du lit de semences ayant des effets majeurs sur les levées : température, potentiel hydrique, obstacles mécaniques. M.tr est une espèce modèle. Elle a été retenue en raison de son importante diversité naturelle et de l'existence d'une core collection, permettant d'avoir accès à une certaine diversité génétique en caractérisant un nombre limité de génotypes. Par ailleurs, la disponibilité d'outils de génétique et de génomique offre la perspective d'analyser le déterminisme génétique des réponses aux facteurs environnementaux étudiés. La caractérisation menée nous a permis en premier lieu d'établir les valeurs des paramètres écophysiologiques de M.tr.. La germination de M.tr. est rapide mais elle ne s'observe que dans des gammes de températures et de potentiels relativement étroites. De même, l'allongement est rapide, mais se réalise dans une gamme de températures restreinte. La force exercée par la plantule face aux obstacles mécaniques est relativement faible, ce qui la rapproche de celles d'espèces de même masse de semences. Nous avons mis en évidence des comportements contrastés entre génotypes. Cette variabilité génotypique porte sur la vitesse de germination aux températures extrêmes, basses et supra-optimales. Les basses températures exacerbent aussi les différences d'allongement maximum atteint en conditions de croissance hétérotrophe. La réponse au déficit hydrique est variable selon les génotypes étudiés. Enfin, des différences de force d'émergence ont aussi été observées entre génotypes. Dans une seconde étape, nous avons évalué par expérimentations numériques réalisées avec SIMPLE, l'ampleur des effets de la variabilité génétique mise en évidence. Les résultats des simulations soulignent l'importance des effets des obstacles mécaniques et d'une manière générale de tous les paramètres permettant d'accélérer la vitesse d'arrivée à la surface. Ils ont ainsi permis d'établir des priorités d'étude du déterminisme génétique des paramètres dont les variations sont à l'origine de différences à la levée. L'ensemble de ces résultats oriente le choix de populations de lignées recombinantes (LR) issues des parents aux comportements contrastés sur des variables ou paramètres jugés pertinents, pour aborder l'analyse du déterminisme génétique de caractères présentant une importante variabilité intra-spécifique. Aussi, dans une troisième étape, nous avons abordé l'analyse du déterminisme génétique de caractères décrivant la germination, en réponse à des températures supra-optimales. Le phénotypage haut débit d'une population de LR a permis d'identifier des QTL impliqués dans la variation des vitesses de germination et de début de croissance. L'analyse des co-localisations de QTL apporte des informations sur les stratégies d'amélioration à envisager pour la sélection d'un ou plusieurs de ces caractères. Les connaissances issues de ces travaux contribuent à la définition de caractères susceptibles d'être améliorés pour favoriser l'implantation des cultures dans différentes conditions de semis, et à l'identification des zones chromosomiques impliquées. Elles ouvrent aussi des pistes d'études physiologiques expliquant des différences de comportements observés pour les différents génotypes (rôle de la composition en sucres de la graine sur la tolérance au stress hydrique ; modifications de l'allongement cellulaire à basses températures) et oriente ainsi la recherche de gènes candidats dans les zones chromosomiques impliquées.Germination and growth of heterotrophic stages are crucial steps for crop establishment. They highly depend on environmental conditions. The analytical framework provided by the emergence model SIMPLE (SImulation of PLant Emergence) has been used for the characterization of Medicago truncatula (M.tr.) during the early stages of its cycle in response to seedbeds physical factors with major impacts on emergence: temperature, water potential, mechanical obstacles. M.tr. is a model species. It was chosen because of its breadth of naturally occurring diversity and the availability of nested core collections. These subsets of accessions aim at representing the genetic diversity of the species with a minimum of repetitiveness. Besides, the developing genetic and genomic tools provide promising outlooks to analyse the genetic determinism of traits in responses to the environmental factors studied. The characterization we performed first, allowed us to establish the ecophysiological parameters values of M.tr.. Germination of M.tr. is fast but it is observed for narrow ranges of temperatures and water potentials. Similarly, the seedling elongation is fast, but occurred only in a limited range of temperatures. The force exerted by the seedling is rather low, as for other species with the same mass of seeds. We highlighted contrasting behaviours between genotypes. Genotypic variability was observed on germination time courses in response to extremes temperature, low and supra-optimal ones. Low temperatures also accentuated differences in maximum elongation in heterotrophic growth conditions. Responses to water stress during germination varied among genotypes. Differences in emergence forces were also observed between genotypes with contrasting seed masses. In a second stage, we evaluated the extent of the effects of the genetic diversity on the germination and emergence by numerical experiments carried out with SIMPLE. The simulation results underlined the importance of the effects of mechanical obstacles and more generally of all the parameters allowing emergence time course to be accelerated. These results helped to set priorities of the analyses of genetic the determinism of parameters which variations cause the highest differences in emergence. These results led to the selection of recombinant inbred lines (RIL) with contrasting parental genotypes behaviours on parameters. These parameters should be relevant to proceed towards the analyses of genetic determinism of characteristics with significant intra-specific variability. Finally, we carried out the analysis of the genetic determinism of the germination characteristics in response to supra-optimal temperatures. High-throughput phenotyping of a RIL population was performed. We identified QTL involved in the germination and early growth time courses variation at this temperature. Co-localizations of QTL were observed. They bring information on breeding strategies to undertake for the improvement these characteristics. The present work contributes to the definition of relevant traits for the improvement of crop stand establishment under a wide range of environmental conditions. It also helps to detect chromosomal regions involved in their variations. It opens lanes for physiological analyses on differences explaining genotypic differences (role of sugar seed content on tolerance to water stress; changes in cell elongation at low temperatures) and hence, for the search of candidate genes.ANGERS-BU Lettres et Sciences (490072106) / SudocSudocFranceF