Réponses de la respiration à l'augmentation de la température nocturne chez le riz : production de biomasse et de grains et conséquences pour les modèles de culture

Respiration response to increased night temperature in rice : biomass andgrain productions and implications for crop models

• Auteur / Autrice : Sébastien Peraudeau
• Direction : Michael Dingkuhn
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie intégrative des plantes
• Date : Soutenance le 19/12/2014
• Etablissement(s) : Montpellier 2
• Ecole(s) doctorale(s) : Systèmes Intégrés en Biologie, Agronomie, Géosciences, Hydrosciences, Environnement (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Amélioration Génétique et Adaptation des Plantes méditerranéennes et tropicales
• Jury : Président / Présidente : Jean-Luc Regnard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michael Dingkuhn, Jean-Luc Regnard, Daniel Epron, Pierre Martre, Vincent Allard, Jeroen Van Rie
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Daniel Epron, Pierre Martre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plantes -- Acclimatation

Photosynthèse

Oryza

Plantes -- Respiration

Mots clés libres

Riz

Température nocturne

Respiration

Photosynthèse

Carbohydrates

Acclimatation

Rice

Night temperature

Respiration

Photosynthesis

Carbohydrates

Acclimation

Résumé

Sous un climat tropical humide, l'augmentation de la température nocturne a été associée à une diminution du rendement chez le riz. Une des hypothèses sous-tendant cette diminution est l'augmentation du taux de respiration nocturne (Rn) diminuant les ressources carbonées disponibles pour la croissance de la plante. La respiration mitochondriale est communément divisée en deux composantes fonctionnelles :- la respiration de maintenance (Rm), qui est associée à toutes les réactions biochimiques requises pour entretenir la biomasse existante. Le taux de Rm doublerait suite à une augmentation de la température ambiante de 10°C (Q10 = 2) ;- la respiration de croissance (Rg), qui est associée à tous les processus impliqués dans la création de biomasse. Cette composante de la respiration est principalement dépendante de la disponibilité en carbohydrates dans la plante, et donc de la photosynthèse. Ce travail de thèse a pour objectifs de (1) déterminer l'effet instantané (sans acclimatation) et sur le long terme (acclimatation) de l'augmentation de la température nocturne, proche de celle prédite par les scénarios climatiques, sur la respiration et la production de biomasse et de grains, (2) évaluer le coût de Rn en terme de biomasse à l'échelle de la plante entière, (3) estimer la respiration de maintenance (Rm) et sa réponse à l'augmentation de la température, et (4) évaluer l'effet de la valeur Q10 sur la modélisation de la production en biomasse. Pour atteindre ces objectifs, trois expérimentations (dont une inexploitable) ont été conduites en serre, deux en chambres de culture et une au champ, à Montpellier (France) et à la station expérimentale de l'IRRI (International Rice Research Institute, Philippines). L'augmentation modérée de la température nocturne de 1.9°C au champ et 3.5°C en chambre de culture de l'initiation paniculaire à maturité, et de 3.8 à 5.4°C en serre du repiquage à maturité, a entraîné l'augmentation significative de Rn (+13 à +35%). Dans le même temps, cette augmentation n'a pas eu d'effet significatif sur la production de biomasse et de grains des écotypes indica et aus, mais la production en grains de l'écotype japonica a été significativement plus faible. Le coût en biomasse de la respiration, en conditions de température nocturne plus élevée, a augmenté légèrement mais n'a pas été associé à une variation significative de la production de biomasse. L'augmentation de la température nocturne sur le long terme (acclimatation) a eu un impact plus faible sur Rn (facteur de 1.14 à 1.67 entre 21 et 31°C) que l'augmentation instantanée (sans acclimatation) (facteur 2.4 entre 21 et 31°C). Le coût quotidien en biomasse de Rm, a été de 0.3 à 1.2% (feuilles complètement développées) et de 1.5 à 2.5% (plantules entières). La Rm a augmenté d'un facteur 1.49 entre 21 et 31°C et représentait environ 33% de la respiration nocturne. Ce facteur est plus faible que l'hypothèse du Q10 = 2 qui surestime les effets de l'augmentation des températures sur Rm.Le modèle d'analyse de sensibilité a montré que la valeur du coefficient Q10 a un rôle significatif dans la prédiction de la production de biomasse dans les modèles de culture. Le rendement simulé diminue de 9% (Q10 = 2) et de 5% (Q10 = 1.5) lorsque la température moyenne journalière augmente de 2°C. Ainsi, prendre en compte l'acclimatation dans la réponse des plantes à l'augmentation des températures est important pour augmenter la précision des modèles. L'augmentation de la précision des modèles passera aussi par l'analyse des variations de la respiration en conditions naturelles.

In tropical climate, increasing night temperature was reported to be associated with a decline in grain yield in rice. This can be partly due to an increase in night respiration rate (Rn) which causes a depletion of carbohydrate supply available for plant growth. Mitochondrial respiration is commonly divided in two functional components; - Maintenance respiration (Rm) which is associated with all biochemical reactions required to maintain existing biomass. The rate of this respiration component would double when ambient temperature increase by 10°C (Q10 = 2). - Growth respiration which is associated with all processes involved in establishment of new biomass. This respiration component is mainly driven by carbohydrate supply and thus, by the photosynthesis rate. The present work aims to (1) determine the effects of short-term (without acclimation) and long-term (with acclimation) increase in night temperature similar to that projected by future climate scenarios on vegetative biomass production and grain yield; (2) evaluate, in terms of loss of biomass, the cost of Rn at plant scale; (3) estimate the maintenance respiration rate (Rm) and its response to temperature; and (4) evaluate the impact of Q10 value on biomass production. To achieve these objectives, three experiments (one unexploitable) were conducted in greenhouses, two in growth chambers and one in the field, at Montpellier (France) or at the experimental station of IRRI (International Rice Research Institute). The moderate increase in night temperature from panicle initiation to maturity in the field by 1.9°C and in growth chambers by 3.5°C, and form transplanting to maturity in greenhouse experiments by 3.8 to 5.4°C, did affect significantly Rn that increased by 13 to 35%. In the same time, it did not affect significantly biomass production and grain yield for indica and aus cultivars, whereas grain production decline was observed for japonica. Calculated biomass losses due to increased Rn under increased night temperature were important but were not associated with a change in biomass production or grain yield. Effect of long-term exposure to increased night temperature (acclimation) was smaller (factor 1.14 to 1.67 between 21 to 31°C) than that of short-term exposure (without acclimation) (factor 2.4 between 21 to 31°C). In this work, 0.3 to 1.2% (expanded leaves) and 1.5 to 2.5% (whole seedlings) of existing dry biomass was lost daily to Rm. The Rn was composed by about 33% of Rm, which increased by factor 1.49 between 21 and 31°C. This is below the common assumption of Q10 = 2 that thus overestimates the effect of increasing night temperature on Rm.A model sensitivity analysis showed that the Q10 value is important in the prediction of biomass production in crop models. Yield is expected to decline by 9% (Q10 = 2 assumption) and by 5% (Q10 = 1.5 assumption) with increasing mean daily temperature by 2°C. Thus, taking into account the acclimation response to temperature change is important for models accuracy. Making crop models more accurate requires more knowledge thermal effect on respiration in the field.