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

Abstract

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