Root functioning, biostimulants and tolerance to water deficit for improved yields in pea (Pisum sativum)
Fonctionnement racinaire, biostimulants et tolérance à la carence hydrique, pour une amélioration des rendements chez le pois protéagineux (Pisum sativum)
Résumé
Pea (Pisum sativum, Fabaceae) is cultivated for its agroeconomic importance, particularly the nutritional value of its seeds. However, the productivity of pea crops is threatened by drought episodes which are becoming more frequent, intense and occurring earlier due to climate change. Water deficit is a factor that alters source/sink relationships in plants, increasing competition for resources between sinks organs (roots and seeds). These changes can lead to increased flower and seed abortions, thus reducing crop yield. This thesis explores several approaches to improve drought tolerance in pea crop, including genetic variability, modifications in root system architecture and the use of biostimulants. First, ten pea varieties were screened under water-deficit conditions up to an early developmental stage (BBCH 12). According to the analysis, two groups emerged: sensitive varieties to water deficit, which showed a marked developmental delay under water deficit conditions, and tolerant varieties, whose developmental time was similar under both water conditions. Root architecture was studied in rhizoboxes to identify traits associated with tolerance or sensitivity to water deficit. For further work, two varieties with contrasting responses to water deficit were selected: Kayanne and Captur. An in-depth analysis of their root architecture revealed that these varieties employed different soil foraging strategies, the tolerant variety optimising the distribution of lateral roots towards areas with more water. Next, three different biostimulant treatments of diverse nature were tested to determine their capacity to improve the tolerance to water deficit in the more sensitive variety, Captur. Phenotypic and physiological measurements were taken throughout the development cycle, particularly during the reproductive stage when the water deficit was applied. Additionally, biochemical and metabolomic analysis were conducted on fully mature seeds. Regardless of the treatment applied, drought significantly limited plant development, reducing the number and weight of seeds produced. However, one of the tested biostimulants (Y) maintained foliar development during the period of water deficit and limited the developmental delay of the pods that were most exposed to water deficit. Finally, the biostimulant (Y) was tested on the Kayanne and Captur varieties in the same conditions of water deficit. Phenotypic, physiological, molecular and metabolomic analyses revealed that the Kayanne variety appears to be less susceptible to drought than the Captur variety, but the biostimulant treatment seems to mitigate the negative effects of water deficit on the Captur variety. In conclusion, Water deficit reveals significant variability among the varieties studied, which is observable from the earliest stages of development. Furthermore, the use of biostimulants appears to mitigate some of the negative effects of water deficit. Finally, the acquired root architecture data provides a basis for automating root analysis using artificial intelligence. Altogether, this research work opens opportunities towards more sustainable cultural practices and for breeding pea cultivars with higher resilience to drought.
Le pois (Pisum sativum, Fabaceae) est connu pour son importance agroéconomique, notamment en raison de la valeur nutritionnelle de ses graines. Cependant, sa productivité est toutefois menacée par les périodes de sécheresse, de plus en plus fréquentes, intenses et précoces sous l’effet du changement climatique. La carence hydrique est un facteur impliqué dans la perturbation des relations source/puits chez les plantes, ce qui accentue la compétition pour les ressources entre les organes puits (racines et graines). Ces modifications peuvent entraîner plus d’avortements floral et séminal, réduisant ainsi le rendement. Cette thèse s’inscrit dans l’étude de la compréhension de ces mécanismes en explorant plusieurs leviers pour améliorer la tolérance du pois à la sécheresse : la variabilité génétique, les modifications de l’architecture racinaire et l’utilisation de biostimulants. Tout d’abord, un criblage en système rhizobox a été mené sur dix variétés de pois, soumises à une carence hydrique jusqu’à un stade précoce de développement (BBCH 12). L’analyse a permis de distinguer deux groupes, des variétés sensibles à la carence hydrique, présentant un retard développemental marqué en réponse à la carence hydrique, et des variétés tolérantes, dont le temps de développement est proche pour les deux conditions hydriques. L’étude de l’architecture racinaire a été menée en rhizobox afin d’identifier des traits phénotypiques associés à la tolérance ou à la sensibilité à la carence hydrique. Pour la suite des travaux, deux variétés présentant des réponses contrastées à la carence hydrique ont été retenues : Kayanne et Captur. L’analyse approfondie de leur architecture racinaire met en évidence des stratégies divergentes d’exploration du sol, avec une optimisation de la répartition des racines latérales vers les zones plus humides pour la variété tolérante. Trois traitements biostimulants de nature diverse ont ensuite été testés afin d’évaluer leur capacité d’amélioration de la tolérance à la carence hydrique de la variété sensible Captur. Des mesures phénotypiques et physiologiques ont été réalisées sur l’ensemble du cycle de développement, spécialement au stade reproducteur, lors de l’application de la carence hydrique. En complément, des mesures biochimiques et métabolomiques ont été réalisées sur les graines à maturité physiologique. Quel que soit le traitement appliqué, la sécheresse limite significativement le développement des plantes et réduit le nombre et la masse des graines produites. En revanche, un des biostimulants testés (Y) a permis de maintenir le développement foliaire pendant la période de carence hydrique, et de limiter le retard développemental des gousses les plus exposées à la carence hydrique. Enfin, le biostimulant (Y) a été testé sur les deux variétés Kayanne et Captur dans les mêmes conditions d’application du déficit hydrique. Les mesures phénotypiques, physiologiques, moléculaires et métabolomiques réalisées ont montré que la variété Kayanne est toujours moins impactée par la sécheresse que Captur, mais l’application du traitement biostimulant semble limiter les effets négatifs de la carence hydrique sur Captur. En conclusion, la carence hydrique révèle une variabilité marquée entre les variétés étudiées, perceptible dès les premiers stades de développement. De plus, l’usage des biostimulants semble atténuer certains effets négatifs de la carence hydrique sur les variétés les plus sensibles. Enfin, les données d’architecture racinaire acquises constituent une base pour l’automatisation de l’analyse racinaire par intelligence artificielle. L’ensemble de ces travaux ouvrent des perspectives pour des pratiques culturales plus durables et la sélection de cultivars de pois plus résilients à la sécheresse.