Peupliers de France - Tolérance à la sécheresse du peuplier D

Réchauffement climatique - Tolérance des peupliers à la sécheresse.

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Extrait de "Évolution de la Populiculture 2000-2003"
Rapport national de la France pour la Commission Internationale du Peuplier. (Août 2004).

Forest Avenir

Résistance à la sécheresse

A) Étude du fonctionnement hydraulique de trois espèces de peuplier
B) Réponse à la sécheresse des peupliers hybrides euraméricains
C) Recherche de déterminants foliaires de productivité et de tolérance à la sécheresse
D) Bases génétiques des traits écophysiologiques de productivité et de gestion de l'eau

Franck Brignolas - Cecile Barbaroux (Univ. d'Orléans)

A) Etude du fonctionnement hydraulique de trois espèces de peuplier : P. euphratica - P. alba et P. trichocarpa x P. koreana.

(Equipe Ecologie et Ecophysiologie Forestières INRA Nancy - MB. Bogeat Triboulot - E. Dreyer - JM. Guehl - D. Hukin - A. Kohler - D. Le Thiec - F. Martin - V. Ollié.
Equipe Physiologie Intégrée de l'Arbre fruitier et forestier, INRA Clermont-Ferrand - H. Cochard)

Les espèces de peuplier présentent globalement une faible tolérance vis à vis de la sécheresse édaphique. Cependant, une variabilité non négligeable existe dans les capacités à tolérer des sécheresses. Une espèce comme P. euphratica se développant dans des milieux arides d'Asie Centrale pourrait ainsi présenter des caractéristiques intéressantes de résistance à la sécheresse et à la salinité.

Cette question a été abordée dans le cadre d'un projet européen "Establish" (2000-2004), piloté par l'Université de Goettingen (Prof A Polle). La vulnérabilité à la cavitation (c'est à dire aux disfonctionnements du transfert d'eau dans les tissus conducteurs), a été étudiée sur trois clones appartenant aux trois types botaniques P. euphratica - P. alba et P. trichocarpa w P. koreana, respectivement en utilisant plusieurs techniques complémentaires. On sait que les peupliers sont généralement très vulnérables. Les résultats, en cours de publication, montrent :

- parmi les trois clones, le plus vulnérable est P. euphratica (sans doute l'un des ligneux les plus vulnérables connus) ; sa survie en milieu semi-aride dépend sans doute de la présence de nappes explorables par son système racinaire,
- les racines semblent légèrement moins vulnérables que les parties aériennes.

Dans le cadre du même projet européen "Establish", une étude approfondie des effets de la sécheresse chez P. euphratica a été entreprise. Des explants produits in vitro par A. Altmann (Rehovot, Israel) et multipliés par l'Université de Goettingen, ont été cultivés sous serre et soumis à une sécheresse graduelle. L'intensité de sécheresse a été suivie avec précision par des mesures de teneur en eau du sol et de potentiel hydrique. L'impact de cette sécheresse sur la croissance aérienne et racinaire, sur la photosynthèse et la conductance stomatique, sur la conductance hydraulique, a été quantifié. Des récoltes régulières de matériel végétal ont été réalisées pour permettre de caractériser les profils d'expression de gènes correspondant à différents stades de développement de la sécheresse. Ces profils seront réalisés en se basant sur une banque d' ESTs crée dans le cadre d' "Establish" à l'Université d'Helsinki (J. Kangasjarvi). Les résultats seront disponibles d'ici mi-2004.

J. Claude VALA (Entomologiste Univ Oléans), entouré de ses stagiaires
Valérie Moussière et Olivier Sage (Moulin de Bariteau 2007)

B) Réponse à la sécheresse des peupliers hybrides euraméricains

(Laboratoire de Biologie des Ligneux et des Grandes Cultures, Faculté des Sciences, Université d'Orléans : E. Boudouresque - D. Delay - FM. Delmotte - N. Marron - R. Monclus - JM. Petit - F. Brignolas
Equipe Amélioration Génétique et Physiologie Forestière, INRA Orléans - Marc Villar
Equipe Ecologie et Ecophysiologie Forestière, INRA Nancy - E. Dreyer).

Les travaux développés entre 2000 et 2003 se sont focalisés sur l'étude des mécanismes physiologiques dont disposent les peupliers pour maintenir une production de biomasse en cas de contrainte hydrique. Ces études ont été abordées à partir de 2 cultivars euraméricains (P. deltoïdes x nigra), "Luisa Avanzo" et "Dorskamp", réputés pour leurs niveaux de tolérance différents en réponse à des variations d'alimentation en eau de la nappe phréatique. Le clone Dorskamp est considéré comme un clone plus plastique que Luisa Avanzo et cela, sur la base d'observations réalisées en forêt à partir d'arbres adultes. Les expériences relatives à cet objectif ont été réalisées en serre, à partir de jeunes boutures de quelques mois et les contraintes hydriques ont consisté en des cycles d'arrêt d'arrosage - réarrosage. Les résultats majeurs relatifs à cet objectif font actuellement l'objet de 4 publications (Guerrier et al., 2000 - Brignolas et al., 2000 - Marron et al., 2002 et Marron et al., 2003) et d'une thèse (N. Marron) soutenue le 17/12/03 à l'Université d'Orléans.

Brièvement, on montre que le modèle "boutures ligneuses" permet, comme sur un arbre adulte, de distinguer les 2 clones par leur plasticité en réponse à des cycles sécheresse-réarrosage. En effet, les boutures de Dorskamp (clone tolérant) présentent, suite à des cycles sécheresse-réarrosage, une surface foliaire équivalente à celle des plants maintenus irrigués, alors que celles de Luisa Avanzo (clone sensible) affichent des surfaces significativement inférieures. Cette différence entre clones est liée à l'aptitude, propre au clone tolérant, à stimuler ces paramètres de croissance (vitesse d'apparition et de croissance des feuilles) après réarrosage.

Toutefois, les clones Dorskamp et Luisa Avanzo présentent un comportement similaire en réponse à une sécheresse d'intensité et de durée contrôlées. Leur croissance est fortement ralentie, les feuilles ferment rapidement leurs stomates, les capacités phytosynthétiques sont diminuées, la teneur en oses solubles varie corrélativement à la teneur en eau du sol, le pouvoir antioxydant des feuilles est maintenu et les activités enzymatiques de la voie de détoxification d'Halliwel-Asada sont stimulées. Finalement, les différences les plus marquées entre ces deux clones n'apparaissent pas au cours de la contrainte hydrique, mais sont nettes d'une part, après réarrosage et d'autre part, en l'absence de contrainte. En effet, lorsque l'eau n'est pas limitante, Luisa Avanzo (clone sensible) présente une croissance foliaire plus importante que Dorskamp en termes de vitesses d'apparition et d'étalement de la surface. De plus, les feuilles étalées par le clone sensible sont moins denses et/ou épaisses que celles mises en place par le clone tolérant.

C) Recherche de déterminants foliaires de productivité et de tolérance à la sécheresse

La recherche de déterminants foliaires de productivité et de tolérance à la sécheresse a été initiée en 2001, dans le cadre d'un contrat de recherche Région-Centre, coordonné pour la période 2001-2002 par l'Université d'Orléans. Ce projet a également bénéficié d'un complément de financement via une action transversale INRA (AIP n° 226) à laquelle l'Université d'Orléans a participé en tant que partenaire. Dans le cadre de ces contrats, l'objectif était de juger, en condition hydrique et minérale optimales, des liens entre productivité, discrimination isotopique vis-à-vis du carbone et paramètres de structure et de croissance des feuilles, chez 31 clones euraméricains (même formule hybride que Luisa Avanzo et Dorskamp).

Ce travail a été réalisé, comme précédemment, sur des jeunes boutures ligneuses. Les résultats ont été obtenus dans le cadre de la dernière année de thèse de N. Marron et font actuellement l'objet d'une soumission pour publication à New Phytologist (Marron et al.). On démontre:

1) que les clones les plus productifs sont ceux qui présentent la plus grande surface foliaire, mais aussi les feuilles les plus denses et/ou épaisses renfermant le moins d'azote par unité de masse,
2) qu'il n'y a pas de relation directe entre productivité et discrimination isotopique vis-à-vis du carbone, les clones les plus productifs ne sont pas forcément les plus grands consommateurs d'eau,
3) que les paramètres issus de la relation entre surface massique des feuilles et leur index de plastochrone sont pour certains, indicateurs du niveau de productivité relatif des clones et pour les autres, indicateurs de leur aptitude relative à discriminer le carbone.

D) Bases génétiques des traits écophysiologiques de productivité et de gestion de l'eau

(Laboratoire de Biologie des Ligneux et des Grandes Cultures, Faculté des Sciences, Université d'Orléans : E. Boudouresque - D. Delay - FM. Delmotte - N. Marron - R. Monclus - JM. Petit - F. Brignolas
Equipe Amélioration Génétique et Physiologie Forestière, INRA Orléans - Marc Villar - C. Bastien - V. Jorge.
Equipe Ecologie et Ecophysiologie Forestière, INRA Nancy - E. Dreyer - JM. Guehl).

Les résultats précédents ayant été obtenus sur jeunes boutures ligneuses, la question se posait de savoir si ces résultats sont ou non transposables à des plants plus âgés : on disposerait ainsi d'outils simples permettant de discriminer les clones pour leur niveau de productivité et/ou pour leur aptitude à intégrer le carbone à moindre coût en eau (efficience d'utilisation de l'eau). Il devenait alors impératif de changer d'échelle et de travailler à partir d'individus plus âgés, cultivés en pépinière.

A des fins de sélection et d'amélioration, les travaux ont, de plus, été orientés vers l'étude du déterminisme génétique de ces caractères. Fin 2002, un financement Région-Centre / INTA a été obtenu pour développer ces objectifs, dans le cadre d'une thèse (R. Monclus : 2003-2005).

L'ensemble des expériences relatif à cette thèse sera réalisée en pépinière, à partir de plançons de 2 ans provenant de deux formules hybrides. La première formule correspond au croisement P. deltoides x nigra (hybrides euraméricains) et rassemble 31 cultivars. La seconde correspond à la formule hybride P. deltoides x trichocarpa (hybrides interaméricains) et est représentée par les deux parents et les 336 génotypes F1 de la famille INRA 54 dont les individus sont le support de deux cartes génétiques comprenant actuellement 700 marqueurs.

Deux expériences ont été réalisées en 2003 :

1) une expérience visant à juger d'une part, de la stabilité des critères écophysiologiques chez les hybrides euraméricains et d'autre part, de la variabilité de ces critères chez les interaméricains, à partir d'une sous-population (33 cultivars) de la famille 54B
2) une expérience visant à calculer l'héritabilité de ces caractères et à localiser sur les deux cartes génétiques les loci impliqués dans leur variation (QTLs). Cette dernière expérience a nécessité l'utilisation de 6 répétitions de chacun des 340 cultivars de la famille 54B, soit 2.040 individus. Les résultats relatifs à ces deux expériences sont en cours d'analyse dans le cadre de la thèse de R. Monclus.

Pour les années 2004-2005, il est prévu de classer les différents clones selon leur niveau relatif de tolérance à la sécheresse. Pour cela, une sécheresse d'intensité contrôlée devra être générée artificiellement en pépinière. Enfin, l'effet de l'environnement sur les critères écophysiologiques considérés sera également apprécié durant la période 2005-2007.

Petit résumé provisoire des études en cours(2006).

Efficience d'utilisation de l'eau (WUE)
Tolérance à la sécheresse (capacité d'un génotype à limiter la chute de productivité).

L = Discrimination isotopique vis-à-vis du carbone. (symbole L)

Historique

- 1999 : Comparaison de la réponse à un arrêt d'arrosage en serre entre Luisa Avanzo et Dorskamp (Brignolas - Boudouresque - Guerrier - Thierry). Confirmation de la sensibilité au stress hydrique de L. Avanzo.
- 2002 : Traits physiologiques durant une période de stress hydrique et d'une période normale entre Luisa Avanzo et Dorskamp
- 2002 : Étude de 3 gènes intervenant dans la réponse moléculaire du peuplier à une déshydratation sur Dorskamp. (Morabito - Delmotte)
- 2003 : Impact sur L. Avanzo et Dorskamp de sécheresses successives sur la croissance et la surface des feuilles (N. Marron - Boudouresque - Delmotte).
- 2004 : Diversité des traits foliaires en relations avec la productivité de 31 P. x euramericana (N. Marron)
- 2005 : Productivité, traits foliaire et discrimination isotopique du carbone de 29 P. x euramericana (R. Monclus).

3 thèses permettent d'aborder cette problématique:

- N. MARRON (2000-2003) - en serre
- R. MONCLUS (2004-2006) - en pépinière
- L. BONHOMME (2005-2008) - en plein champ (en cours)

PROBLÉMATIQUE

La thèse de N. MARRON (2000-2003) concerne l'expérience menée à partir de boutures de 31 génotypes de P. euramericana âgés de 3 mois et cultivés en serre en conditions hydriques non limitantes.

Le but était de juger de la variabilité génétique en terme d'efficience d'utilisation de l'eau et de rechercher des déterminants foliaires indicateurs de productivité et d'efficience d'utilisation de l'eau. L'étude a mis en évidence une variabilité génétique pour l'efficience entre génotypes extrêmes. Aucun lien n'a été détecté entre productivité et efficience. Les clones productifs étant caractérisés par un grand nombre de feuilles.

Les caractéristiques morphologiques et physiologiques de la feuille se sont avérés être de prometteurs indicateurs de la vigueur, de l'efficience d'utilisation de l'eau et de la sensibilité à la sécheresse.

L'étroite dépendance des caractéristiques foliaires étudiées avec les conditions environnementales soulève la question de la possibilité d'extrapolation des résultats à des arbres adultes, croissants en conditions naturelles. Les résultats décrits en serre doivent donc être validés en pépinière à partir d'arbres plus âgés.

La tolérance à la sécheresse et ses liens potentiels avec la productivité et l'efficience d'utilisation de l'eau n'avaient pas été étudiés au sein des 31 génotypes.

Le travail de R. MONCLUS (2004-2006) s'inscrit dans la continuité des travaux réalisés depuis 1998 par l'Université d'Orléans et des travaux réalisés par N. MARRON.

Ces travaux visent à juger des liens entre Productivité, Efficience d'utilisation de l'eau et Tolérance à la sécheresse, et visent également à caractériser le Déterminisme génétique de ces paramètres. Dans l'application, ces travaux visent à juger de la potentialité de sélectionner des hybrides associant productivité, efficience d'utilisation de l'eau et/ou tolérance à la sécheresse. Cette thématique est développée depuis 1998 à partir de génotypes commercialisés de peupliers euraméricains.

Elle vise à apporter des éléments de réponse aux questions posées par N. Marron qui sont résumées en 4 points :

- 1) Juger de la variabilité génétique disponible pour la productivité et l'efficience d'utilisation de l'eau au sein d'hybrides cultivés en pépinière en conditions hydriques non limitantes. Juger de la stabilité des résultats par rapport à ceux de N. Marron sur des jeunes boutures cultivées en serre.

- 2) Juger des liens entre productivité, efficience d'utilisation de l'eau et tolérance à la sécheresse et rechercher des déterminants foliaires de productivité, d'efficience d'utilisation de l'eau et de tolérance à la sécheresse.

- 3) Comparer le niveau de productivité, d'efficience d'utilisation de l'eau et de tolérance à la sécheresse de 3 génotypes de peuplier issus d'espèces différentes et contrastés par leurs traits foliaires.

- 4) Juger de la variabilité génétique disponible pour l'efficience d'utilisation de l'eau et la tolérance à la sécheresse au sein d'une famille pour laquelle deux cartes génétiques sont disponibles.

Le choix des 31 génotypes d'euraméricains étudiés par N. MARRON permettait de répondre aux 2 premiers objectifs.

Pour répondre au 3ème objectif R. MONCLUS a choisi trois génotypes contrastés par leurs traits foliaires :
- Peace (P. trichocarpa x P. koreana)
- 2AS11 (P. alba x P. alba)
- Beaupré (P. deltoïdes x P. trichocarpa)

4ème objectif : Étude du déterminisme génétique de l'efficience de l'utilisation de l'eau et de la tolérance à la sécheresse à l'aide de cartographie génétique. Cela nécessite de travailler à partir de pedigrees de peupliers pour lesquels des cartes génétiques sont disponibles. R. MONCLUS a sélectionné une famille de P.x interamericana (POPSEC) composée de 330 F1 et support de deux cartes génétiques non saturées comportant chacune plus de 300 marqueurs. C'est sur cette famille de référence de l'INRA d'Orléans que repose actuellement l'identification des régions génomiques, appelées QTL (Quantitative Trait Loci), impliquées dans des caractères adaptatifs complexes tels que la résistance à différents ravageurs ( rouilles foliaires, chancre bactérien chrysomèles).

Néanmoins, avant d'entreprendre des recherches du déterminisme génétique de l'efficience d'utilisation de l'eau et de la tolérance à la sécheresse sur ce pedigree, il est indispensable de mesurer le niveau de variabilité génétique pour les différents paramètres et de juger leurs liens avec le niveau de productivité. La famille 54B compose un plan d'expérience dans le cadre du projet européen POPYOMICS (2003), dispositif idéal pour caractériser le déterminisme génétique de l'efficience d'utilisation de l'eau sur cette famille. Cette recherche n'est pas abordée dans la thèse de R. Monclus.

CONCLUSION

La thèse de R. MONCLUS a permis d'apporter des éléments de réponse aux objectifs définis. Ils visaient d'abord à estimer l'ampleur de la variabilité génétique pour l'efficience de l'utilisation de l'eau et ses composantes foliaires, ensuite, à juger des liens entre productivité, efficience de l'utilisation de l'eau et tolérance à la sécheresse, et enfin, à rechercher des prédicteurs foliaires simples pour ces 3 caractères complexes. Cette thèse n'a pas permis d'entreprendre l'étude du déterminisme génétique de l'efficience d'utilisation de l'eau et notamment la détection de régions génomiques (QTL).

Néanmoins, ses travaux préparatoires d'estimation de la variabilité génétique a permis de juger de la pertinence du choix de la famille de P. x interamericana pour engager une étude approfondie du déterminisme génétique par cartographie de QTLs.

Ses travaux ont mis en évidence une corrélation linéaire et négative entre la discrimination isotopique vis-à-vis du carbone 13 de la matière organique des feuille et l'efficience intrinsèque de l'utilisation de l'eau (Wi). Au niveau foliaire, la variabilité de la discrimination isotopique vis-à-vis du carbone est essentiellement sous le contrôle de 3 paramètres physiologiques :

- Conductance stomatique
- Assimilation nette de carbone
- Résistance mésophylienne

Une variabilité génétique significative a été détectée pour ^ à la fois parmi les 29 génotypes euraméricains et parmi les 33 génotypes interaméricains. Pour les génotypes euraméricains, elle était comparable à celle observée en serre. Les classements entre génotypes ne sont pas maintenus entre serre et pépinière. 3 facteurs pourraient contribuer à expliquer les différences obtenues:

- Niveau d'éclairement plus élevé en pépinière
- Déficit de pression de vapeur entre l'air et la feuille la plus élevée en pépinière
- Interface sol/racine incomparable.

L'absence de corrélation entre ^ et productivité laisse envisager une sélection de génotypes associant forte productivité à forte efficience d'utilisation de l'eau.

Les peupliers, bien que globalement sensibles à la sécheresse, présentent une grande variabilité génétique dans leur niveau de tolérance à des sécheresses modérées. Les résultats suggèrent que tous les génotypes de peupliers seront affectés par les sécheresses répétées associées au réchauffement climatique global, et limitent donc l'espoir à long terme de pouvoir étendre la populiculture à des zones hors vallée, plus sujettes à des variations de la disponibilité en eau.

Chez les euraméricains comme les interaméricains, aucun lien direct n'a été mis en évidence entre tolérance à la sécheresse et efficience d'utilisation de l'eau (WUE estimée via ^).

Ce qui suggère que la capacité d'un génotype à augmenter son efficience d'utilisation de l'eau en réponse à la sécheresse est une condition nécessaire pour présenter une forte tolérance à la sécheresse.

En résumé, la thèse n'a pu mettre en évidence de liens clairs entre la tolérance à la sécheresse et l'efficience d'utilisation de l'eau, ce qui suggère que ^ ne peut pas être utilisé comme prédicteur indirect du niveau de tolérance à la sécheresse chez le peuplier. Il se pourrait, cependant, que la tolérance des génotypes de peuplier soit liée à leur capacité à moduler leur efficience d'utilisation de l'eau en cas de contraintes modérées en diminuant leur conductance stomatique tout en maintenant leur taux d'assimilation nette.

Toutefois, nous avons détecté au moins un génotype qui combine forte productivité, forte efficience d'utilisation de l'eau et forte tolérance à la sécheresse : le I 45/51.

PERSPECTIVES

Les perspectives sont écophysiologiques et génétiques.

- Écophysiologiques : Une importante variabilité génétique pour ^ a été décrite en serre comme en pépinière au sein des 29 génotypes euraméricains. En pépinière, les différences génotypiques étaient stables dans le temps et entre traitements, par contre les classements entre génotypes n'étaient pas

Les résultats ont permis de mettre en évidence que les composantes foliaires pouvant contribuer à expliquer la diversité observée pour ^ différaient entre euraméricains et interaméricains. Ainsi, ^ était principalement contrôlée par la conductance stomatique chez les euraméricains tandis qu'elle était principalement contrôlée par l'assimilation nette et par la structure des feuilles (surface massique) chez les interaméricains.

Il serait intéressant de déterminer s'il existe des génotypes réellement tolérants, maintenant leur croissance pendant la période de contrainte hydrique. La caractérisation écophysiologique pourrait nous permettre de mettre en évidence des déterminants foliaires de la tolérance à la sécheresse.

La thèse en cours de préparation de Ludovic BONHOMME a eu pour l'expérience en plein champs les parcelles du Moulin de Bariteau. Données en cours d'analyse...

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