UMR 950 Ecophysiologie Végétale, Agronomie et nutrition N, C, S

UMR 950 Ecophysiologie Végétale, Agronomie et nutrition N, C, S
Offre de thèse 2015
Impact des interactions nutritionnelles S x N sur l’efficience d’utilisation de ces
éléments et leurs conséquences sur la qualité des graines de colza.
Ecole Doctorale : EdNBISE
Directeur de thèse : Jean-Christophe Avice
Co-directeurs : Jacques Trouverie, Sophie Brunel-Muguet
Résumé
Le sujet de thèse est adossé au programme POLYGONE GENESYS-PIVERT (Picardie Innovation Végétale,
Enseignements et Recherches Technologiques) dont l’objectif principal vise à améliorer la qualité de l’huile et
du tourteau de colza en production par maitrise des interactions avec le milieu (niveaux de fertilisation en
soufre (S) et en azote (N)) et les conduites (dose, fractionnement des apports de fertilisants).
Ce programme piloté par le CETIOM réunit plusieurs partenaires académiques (UMR Agro Ecologie INRAAgroSup Dijon, UMR NORT INRA-INSERM-Université Marseille) et industriels (LESIEUR, PIAE ARTEMIS).
Le sujet de thèse s’inscrit plus spécifiquement dans le lot de tâches 2 (WP2) intitulé « Déterminants
physiologiques de la qualité » du projet POLYGONE et comporte 2 volets complémentaires (volet « Physiologie »
et « Modélisation ») dont les objectifs principaux visent à :
(1) Déterminer les stades du développement les plus sensibles à des contraintes nutritionnelles S x N qui
conduisent à une altération de la qualité des graines. Il s’agira de caractériser les réponses phénologiques,
physiologiques et biochimiques ainsi que d’étudier les impacts de contraintes en S et N variées appliquées sur
plante entière (cultivée en serre ou au champ) ou sur siliques (cultivées in-vitro).
(2) Prédire la croissance dynamique, les composantes de rendement et les critères de qualité des graines en
s’appuyant sur le développement d’un modèle agro-écophysiologique « mécaniste » dont la version actuelle
considère les facteurs température, lumière, allocation et remobilisation du S, et ce jusqu’au début de la phase
reproductrice. Dans le cadre de la thèse des évolutions seront nécessaires afin de prolonger la période de
prédiction et d’intégrer le prélèvement du N.
Ces deux volets seront en forte interaction. D’une part les caractérisations biochimiques réalisées dans le volet
Physiologie devront alimenter le jeu de données nécessaires au développement des formalismes
(mécanistiques et corrélatifs) permettant de prédire ces critères de qualité. D’autre part, les simulations
réalisées dans le volet Modélisation permettront de hiérarchiser les processus explicités dans le modèle et
pourront orienter le volet Physiologie vers une étude plus poussée de certaines voies métaboliques impliquant
le S et le N.
Description détaillée du sujet
1. Volet Physiologie
Une carence en S survenant au stade rosette ou début de montaison, aboutit à une forte baisse des rendements
grainiers (-30 à 45%) et à un abaissement du rendement et de la qualité de l’huile (moins de C18 :3, Dubousset
et al. 2010) et des protéines de stockage (moins riches en acides aminés soufrés, D’Hooghe et al. 2014).
Appliquée au stade montaison, une restriction de l’apport de S provoque une réduction de la remobilisation du
N foliaire au profit des graines ainsi qu’une réduction de la viabilité et de la vigueur germinative des graines
produites (D'Hooghe et al. 2014). Si la limitation en S se manifeste aux stades reproducteurs, le rendement n’est
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pas affecté mais la qualité protéique et/ou lipidique de la graine sont significativement altérées (Dubousset et
al. 2010 ; D’Hooghe et al. 2014). Par ailleurs, des travaux récents de protéomique ont mis en évidence que les
graines issues de plantes carencées en S depuis le début de montaison ou de la floraison présentent une faible
accumulation de caléosines, protéines impliquées dans la stabilité de la structure des corps lipidiques
(D’Hooghe et al. 2014). Etant donné que la composition en protéines de structure des corps lipidiques affecte
le rendement d’extraction en huile (Jolivet et al. 2013), une limitation en S peut aussi affecter les performances
en termes de potentialité de pressage. Par ailleurs, quel que soit le stade où survient la carence en S, les graines
présentent une perte de tout ou partie de leurs capacités à maintenir l’état redox, ce qui pourrait expliquer la
réduction de viabilité des graines, de vigueur germinative, d’aptitude à la conservation post-récolte et au final
réduire le rendement d’extraction en huile et/ou la qualité des acides gras et des protéines.
Ces résultats confirment (1) l’importance de l’alimentation en S sur l’élaboration de la qualité des graines de
colza et (2) l'intérêt de prendre en compte les interactions nutritionnelles S x N afin d'améliorer l’efficience
d’utilisation de ces 2 éléments tout en préservant voire en augmentant la qualité grainière. Ils mettent
également en évidence l’importance de raisonner les apports en fertilisants S en fonction des apports en N afin
d’optimiser le triptyque « bilan agro-environnemental, rendement et qualité des graines récoltées ».
Les effets du niveau de disponibilité en S et N minéral sur le rendement et la qualité de graines n’étant
quasiment jamais étudiés de manière conjointe, les connaissances fondamentales concernant l’impact des
interactions S x N sur la qualité des graines de colza restent très pauvres à ce jour. Dans ce contexte le premier
objectif de ce volet sera donc de caractériser l'état physiologique, biochimique et moléculaire de deux
génotypes de colza à efficiences d’usage de soufre contrastées face à une limitation en sulfate et/ou nitrate.
Cette tâche sera réalisée sur la plate-forme de phénotypage de l'INRA de Dijon (4PMI). Différentes modalités
d’apports d'engrais (dose et fractionnement) seront testées sur la base de pratiques conventionnelles ou
novatrices telles qu'une fertilisation S appliquée après la floraison. L’expérimentation sera réalisée grâce à un
double marquage 15N / 34S afin de cibler les phases du cycle de développement du colza les plus sensibles à une
limitation en S et/ou en N et celles ayant une forte incidence sur la qualité de l'huile et des protéines des graines.
D’autre part, le recours à des méthodologies de phénotypage haut-débit novatrices (analyseur XRF haute
performance) de la réponse de la plante à des modalités de fertilisation S et N variées, devrait permettre
d’étudier plus finement ces interactions S x N et de mieux comprendre leurs effets sur la qualité.
Le deuxième objectif sera d’étudier l'impact de différents niveaux de sulfate et de nitrate sur la qualité des
graines. Cette étude sera effectuée sur les semences produites par les plantes soumises à divers niveau de
fertilisation S et N en serre ou au champ ainsi que sur des siliques cultivées dans des conditions in-vitro. Pour
vérifier si l'état soufré des graines issues de plantes ayant été limitées en S peut affecter sa capacité de
conservation post-récolte et peut avoir un impact sur le rendement d’extraction en huile, des tests de viabilité
des semences et de conservation (cohérentes avec les recommandations de l’ISTA11) seront réalisés sur des
lots de graines récoltées lors des expériences menées en serre et au champ.
2. Volet Modélisation
Le modèle SuMoToRI (« Sulfur Model Towards Rapeseed Improvement », Brunel-Muguet et al., soumis) permet
de prédire jusqu’à l’apparition des premières siliques, le LAI2, les biomasses et teneurs en S mobile et S
organique (i.e. des composés soufrés réduits servant aux besoins métaboliques et structuraux), et ce dans les 3
compartiments considérés i.e. les feuilles in planta, les feuilles chutées et le reste de la plante.
Le modèle repose sur la prévision du LAI en réponse à la disponibilité en S, à la température et au PAR3, car les
feuilles sont le principal organe photosynthétique et de stockage des composés N et S jusqu’à l’apparition des
premières siliques. De la prévision de cette variable, découlent les autres variables de sortie i.e. biomasse,
teneurs en S des feuilles vertes et chutées et du reste de la plante. Or, la croissance du colza se caractérise par
le processus de sénescence foliaire qui a lieu pendant la phase végétative (sénescence séquentielle) et pendant
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International Seed Testing Association
Leaf Area Index
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Photosynthetically Active Radiation
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la phase reproductrice (sénescence monocarpique). La phase de prédiction du modèle se limite donc à la
période où la surface des feuilles présentes sur la plante commence à décliner, c’est-à-dire à l’apparition des
premières siliques.
A partir de cette période, les siliques (plus précisément le péricarpe) prennent progressivement le relais des
feuilles pour permettre la photosynthèse (lorsqu’elles deviennent autotrophes) et le stockage (partiel) de
composés N et S mobiles qui peuvent être remobilisés vers les graines.
Dans ce contexte, le premier objectif de ce volet sera d’estimer par mesures destructrices et automatisées, la
surface totale des organes photosynthétiques et de stockage jusqu’au rendement final, c’est-à-dire l’indice de
surface foliaire (LAI) et l’indice de surface des siliques (Pod Area Index, PAI). On pourra alors étendre la période
de prédiction jusqu’au rendement en suivant l’indice de surface « verte » (Green Area Index, GAI) comme étant
la somme du LAI et du PAI.
Le second objectif visera à prédire des caractéristiques de qualité nutritionnelle de la graine (pour l’huile et le
tourteau) en établissant des corrélations entre les sorties du modèle (teneurs foliaires en N et S, notamment) à
des critères de qualité (ratio ω3/ω6, ratio N/S des graines…).
Une fois cette étape réalisée, le modèle pourra alors être utilisé pour corriger en temps réel les apports de
fertilisants afin d’atteindre des objectifs de rendements et de qualités nutritionnelles des graines. En parallèle
avec les données acquises dans les différentes expérimentations, nous chercherons à proposer un indice de
nutrition S similaire à l’indice de nutrition du N (Colnenne et al., 1998).
Enfin, un dernier objectif concernera l’établissement d’hypothèses de fonctionnement des flux de N dans la
perspective de développer un module N dans le modèle SuMoToRI. L’intégration du prélèvement en N comme
facteur d’entrée du modèle devra permettre de prédire des teneurs en N en tenant compte des apports en N
et S et de leurs interactions.
Profil du candidat et compétences
Le candidat devra être titulaire d’un diplôme de Master 2 Recherche en Physiologie végétale, agronomie ou
équivalent. La connaissance des méthodologies relevant de la biochimie et de la protéomique serait appréciée.
Un intérêt pour la modélisation constituerait un point fort pour le recrutement en thèse sans pour autant
qu’une expérience en ce domaine soit exigée. Un esprit d’équipe et d’innovation sera particulièrement
apprécié.
Pour postuler, envoyer une lettre de motivation et un curriculum vitae aux adresses ci-dessous :
[email protected]
[email protected]
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