Exploration de la variabilité génotypique de l'efficience d'usage du N chez le colza d'hiver : vers un idéotype adapté à une limitation en nitrate et l'identification des mécanismes protéolytiques impliqués dans une remobilisation foliaire efficace

par Alexandra Girondé

Thèse de doctorat en Biologie animale et végétale

Sous la direction de Jean-Christophe Avice et de Philippe Etienne.

Soutenue en 2015

à Caen , dans le cadre de École doctorale Normande de biologie intégrative, santé, environnement (Mont-Saint-Aignan, Seine-Maritime) , en partenariat avec Ecophysiologie végétale, agronomie et nutritions NCS (Caen ; 2000-....) (laboratoire) .

Le président du jury était Alain Ourry.

Le jury était composé de Jean-Christophe Avice, Philippe Etienne, Alain Ourry, Jacques Le Gouis, Anis Limami, Alain Bouchereau.

Les rapporteurs étaient Jacques Le Gouis, Anis Limami.

mots clés

• Colza -- Thèses et écrits académiques
• Cultures -- Rendements -- Thèses et écrits académiques
• Feuilles -- Thèses et écrits académiques
• Protéases -- Thèses et écrits académiques

Résumé

Le colza d’hiver est une oléagineuse exigeante en azote (N) minéral et qui présente une efficience d’usage du N (EUA) médiocre, notamment du fait d’une faible efficience de remobilisation du N (ERA) au stade végétatif. Dans un contexte de réduction des intrants azotés et d’une amélioration du bilan agro-environnemental du colza, les objectifs visaient à explorer la variabilité génotypique afin (i) de déterminer un idéotype de colza adapté à une limitation en nitrate et (ii) d’identifier les mécanismes cellulaires associés à une forte ERA foliaire aux stades végétatif et reproducteur. L’analyse des composantes de l’EUA et des flux de N via l’utilisation du traceur isotopique 15N chez 10 génotypes au stade rosette et 2 génotypes au stade reproducteur a permis de proposer un idéotype de colza adapté à une limitation en nitrate caractérisé par : (i) une forte remobilisation du N foliaire tout au long du cycle permettant de réduire les pertes de N par la chute des feuilles, (ii) une forte utilisation de ce N dans les feuilles en croissance au stade rosette afin d’obtenir une production de biomasse foliaire élevée avant la montaison et (iii) une capacité accrue à stocker le N des feuilles dans la tige, permettant ainsi de conserver le N provenant de la remobilisation foliaire, avant de le redistribuer en fin de cycle pour couvrir les besoins en N liés à la formation et au remplissage des graines. Au niveau cellulaire, une forte remobilisation du N foliaire au stade rosette est associée à une forte protéolyse des protéines solubles et insolubles chloroplastidiales. Une protéolyse efficace est associée à une forte activité des protéases à cystéine, à sérine et à aspartate au pH acide, suggérant un rôle prépondérant des protéases vacuolaires en lien avec un important trafic cellulaire (autophagie, « senescence-associated vacuole » et/ou « CV-containing vesicles »). A contrario, entre la montaison et la formation des siliques, la remobilisation du N n’est pas limitée par la protéolyse mais par un défaut de dégradation/exportation des peptides et des protéines membranaires et/ou par des processus déficients de détoxification/exportation de l’ammonium. De plus, nos travaux ont démontré que le taux de dégradation de la protéine D1 (protéine membranaire associée au photosystème II) pourrait être un indicateur pertinent de l’efficience de remobilisation du N foliaire.

Titre traduit

Genotypic variability exploration of nitrogen use efficiency in winter oilseed rape : towards an ideotype adapted to restricted nitrate supply and identification of the proteolytic mechanisms involved in an efficient leaf remobilization

Résumé

Winter oilseed rape is an oleaginous crop highly demanding in mineral nitrogen (N) that is characterized by a low nitrogen (N) use efficiency (NUE), consequently to a weak N remobilization efficiency (NRE) at vegetative stages. In a context of reduction in N fertilizers inputs and an improvement of agro-environmental balance of oilseed rape, the objectives aimed to explore the genotypic variability (i) to determine an ideotype adapted to low nitrate supply and (ii) to identify the cellular mechanisms associated with a high leaf NRE at vegetative stages and after bolting. The analysis of NUE components and N fluxes via the utilization of 15N isotopic tracer in 10 genotypes at the vegetative stages and 2 genotypes at the reproductive stages allow to define an ideotype adapted to a low nitrate supply characterized by (i) a high N remobilization from leaf during all the developmental stages, leading to lower N loss by leaf fall, (ii) a high N utilization of the N from remobilization in growing leaves during vegetative stages in order to obtain a high leaf biomass production before bolting and, (iii) an increased capacity to store the N from leaves in the stem, leading to a conservation of N coming from the leaf remobilization before its redistribution at the end of the cycle to meet the needs of N for the seed formation and filling. At cellular level, a high N remobilization in leaf is associated with a high proteolysis of soluble and thylakoid-bound proteins of chloroplasts. A high proteolysis is associated with a strong activity of cysteine, serine and aspartic proteases at acidic pH, suggesting a crucial role of vacuolar proteases in relation with an important cellular trafficking (autophagy, senescence-associated vacuoles and/or CV-containing vesicles). A contrario, between bolting stage and the formation of siliques, N remobilisation is not limited by proteolysis, but by a defect in the degradation/export of peptides and thylakoid-bound proteins and/or by deficient processes related to detoxication/export of ammonium. In addition, our results highlight that the degradation rate of the D1 protein (a thylakoid-bound protein of the photosystem II) at abscission could be a relevant indicator of leaf N remobilization efficiency.