Amélioration génétique de l’efficience de l’utilisation de l’azote NUE

II.4.1. Variabilité génétique de l’efficience de l’utilisation de l’azote

De nombreuses études ont montré qu’il existe une variabilité génétique pour NUE et ses composantes, sur le blé (Dhugga et Waines, 1989; Le Gouis et al., 2000; Barraclough et al., 2010; Gaju et al., 2011), sur le maïs (Bertin et Gallais, 2000; Gallais et Coque, 2005) et sur le riz (DeDatta et al., 1988; De Datta et Broadbent, 1993; Tirol-Padre et al., 1996; Singh et al., 1998; Inthapanya et al., 2000; Koutroubas et Ntanos, 2003; Wei et al., 2011; Wu et al., 2016).

Les études qui considèrent différents niveaux d’azote permettent d’évaluer le niveau d’interaction génotype × azote pour le NUE. Elles montrent souvent un niveau significatif d’interaction génotype × azote, par exemple sur le blé (Le Gouis et al., 2000), sur le maïs (Gallais et Coque, 2005) ou sur le riz (Ju et al., 2015). Mais cette interaction est souvent relativement faible au regard des corrélations fortes qui sont observées pour les rendements obtenus entre niveaux forts et faibles d’azote apporté (Gallais et Coque, 2005). D’ailleurs, le progrès génétique réalisé pour le NUE s’est révélé positif et très similaire que ce soit à fort ou à faible niveau d’apport d’azote pour des variétés de blé inscrites sur une période de 25 ans (Cormier et al., 2013).

Chaque composante de NUE 9 aussi a été évaluée pour quantifier son importance et sa contribution dans différentes conditions azotées du milieu. Van Sanford et Mackown (1986), dans leur étude sur 25 variétés de blé, ont montré que 60 à 80% de la variation pour le NUE sont expliqués par NUPE10. Par contre,

9 Efficience de l’utulisation de l’azote

25 Bingham et al. (2012), en faisant une analyse rétrospective du NUE sur l’orge, ont observé que 60% de la variation du NUE sont expliqués par NUTE ¹¹ et 40% seulement sont expliquées par NUPE. De la même façon, Barraclough et al. (2010) ont étudié 39 variétés de blé à 5 niveaux d’azote et ont trouvé que NUTE expliquait mieux la variation de NUE que NUPE quel que soit le niveau d’azote. Sur le blé, Le Gouis et al. (2000) ont montré qu’à faible niveau d’azote, NUPE explique 64% de la variation de NUE alors qu’à fort niveau d’azote, c’est le NUTE qui explique 69% de la variation du NUE. Inversement, chez le maïs, la variation de NUE était mieux expliquée par NUPE à fort niveau d’azote tandis qu’à faible niveau d’azote, les deux composantes NUPE et NUTE jouent un rôle important (Gallais et Coque, 2005).

Afin de développer des variétés à meilleure NUE, les études ne se limitent pas aux composantes de NUE mais aussi à leurs relations avec les traits agronomiques. Sur l’orge, une analyse rétrospective d’environ 75 années d’amélioration de NUE a été effectuée par Bingham et al. 2012. Ils ont identifié que l’augmentation de l’indice de récolte améliore NUTE quel que soit l’environnement; et que NUE est corrélé positivement avec l’azote absorbé postfloraison et la quantité de biomasse postfloraison. Sur le blé, Barraclough et al. (2010) ont étudié 39 variétés et ont identifié que quatre caractères agronomiques tels que le rendement en grain, la teneur en azote dans les grains, la quantité d’azote totale absorbée par la plante et l’indice de récolte azoté, constituent les variables clés déterminant le NUE. Une relation négative entre teneur en azote dans les grains et les pailles et le NUE a été constatée. Sur le riz, Inthapanya et al. (2000) a étudié 60 variétés à deux niveaux d’azote et trois localités, ils ont identifié que pour deux de ces trois localités, NUE est négativement corrélé à la teneur en azote dans les grains.

II.4.2. Déterminisme génétique de l’efficience de l’utilisation de l’azote

L’amélioration génétique est responsable de 50 à 60% de l’augmentation de rendement des cultures et continue à être une stratégie essentielle pour l’amélioration des rendements et de l’efficience de l’utilisation des intrants, dont l’azote en particulier (Han et al., 2015). De nombreuses études de cartographies de QTLs ont été réalisées pour mieux comprendre l’architecture génétique du NUE qui est un caractère quantitatif et complexe et pour tenter d’identifier et d’utiliser des allèles favorables utilisables dans les programmes de sélection.

Sur le maïs, l’étude de Bertin et Gallais (2000) utilisant 99 lignées recombinantes de maïs testées à deux niveaux a montré clairement que les QTLs 12 détectés à haut niveau d’azote étaient différents de ceux détectés à faible niveau d’azote. A faible niveau d’azote, les QTLs détectés sont plus liés aux teneurs en N de la plante et en N remobilisé alors qu’à fort niveau d’azote, les QTLs sont plus liés à l’absorption post floraison. En condition limitante en azote, des QTLs d’utilisation de l’azote ont été détectés alors

11 Efficience de la conversion de l’azote

26 qu’en condition non limitante en azote, ce sont des QTLs d’absorption de l’azote qui sont détectés. En utilisant 99 lignées recombinantes de maïs croisées avec un testeur et évaluées à deux niveaux d’azote, Gallais et Hirel (2004) ont étudié le NUE au niveau hybride. Les caractères physiologiques pour lesquels des QTLs ont été détectés, sont majoritairement ceux de l’assimilation de l’azote (comme les teneurs en nitrate, les activités enzymatiques GS¹³, GD¹⁴ et NR¹⁵) et de l’efficience de l’utilisation de l’azote. Des coïncidences entre QTLs de rendement, QTLs de remobilisation de l’azote, QTLs d’activité enzymatique GS et certains gènes codant pour des GS cytosolique ont été identifiées, ce qui suggère le rôle de ces enzymes dans la remobilisation et la translocation de l’N au cours du remplissage du grain. L’étude de 114 RILs¹⁶ de maïs en 2003 puis de 218 RILs l’année suivante pour leur valeur en tant que lignée ou leur valeur en test cross par Coque et al. (2008) a identifié 608 QTLs regroupés en 72 clusters. Un effet négatif de la sénescence sur NUPE 17 et sur le nombre de grains a été observé. Des coïncidences ont été trouvées entre QTLs de NUPE, d’architecture racinaire et de staygreen. Les QTLs de remobilisation de l’azote coïncidaient avec les QTLs de sénescence dans les mêmes clusters.

Sur le riz, Shan et al. (2005), en étudiant des lignées recombinantes de riz ont identifié un QTL pour NUE biomasse (NUEb) sur le chromosome 6, comptant pour 12.9% de la variation phénotypique. Cho et al. (2007) ont étudié 166 RILs de riz à deux niveaux d’azote afin d’identifier les QTLs des traits liés à l’efficience de l’utilisation de l’azote. Ils ont identifié un seul QTL pour le NUTE 18sur le chromosome 9 expliquant 15,3 % de la variation phénotypique et celui-ci a été détecté à faible niveau d’azote. Il co-localisait avec un QTL pour la teneur en azote de la paille. Senthilvel et al. (2008) ont essayé de quantifier l’interaction génotype × niveau d’azote ainsi que de cartographier les QTLs associés à l’efficience de l’utilisation de l’azote et les caractères agronomiques associés chez le riz. Ils ont évalué 82 lignées haploïdes doublées, issues du croisement entre IR64 et Azucena à trois niveaux d’azote (0, 100 et 200kg N/ha). 16 QTLs ¹⁹ ont été identifiés au total et 11 d’entre eux ont montré une interaction significative avec le niveau d’azote. Sept QTLs associés à l’efficience de l’utilisation de l’azote, au rendement et ses composantes ont été détectés sur le chromosome 3. Wei et al. (2011) ont utilisé 127 RILs ²⁰ à 2 niveaux d’azote pour identifier les QTLs de NUTE 21 du riz et de la tolérance à la déficience en azote. Pour NUTE, 10 QTLs ont été détectés sur les chromosomes 1, 2, 6, 7 et 11. Pour le rendement en grain, 14 QTLs ont été détectés sur les

13 Glutamine Synthétase

14 Glutamate Déhydrogénase

15 Nitrate Réductase

16 Recombinant Inbred Lines

17 Efficience de l’absorption de l’azote

18 Efficience de la conversion de l’azote

19 Locus de caractère quantitatif

20 Recombinant Inbred Lines

27 chromosomes 1, 2, 7 et 11. Des colocalisations entre les QTLs du rendement en grain et QTLs de NUTE ont été trouvées dans 4 régions chromosomiques. Poursuivant ces études sur ces mêmes 127 RILs, Wei et al. (2012) ont évalué le NUE et la tolérance à la déficience en azote du riz, ils ont identifié 4 régions chromosomiques contenant des QTLs de NUE et de la tolérance à la déficience en azote et que ces deux traits sont négativement corrélés. Feng et al. (2015) ont étudié 138 RILs testées à deux niveaux d’azote (faible et normal) pour identifier les QTLs de rendement et de ses composantes. Ils ont mis en évidence 11 QTLs détectés simultanément dans les 2 niveaux d’azote, mais aussi 30 autres QTLs détectés spécifiquement dans chacun des 2 deux niveaux d’azote, ce qui montre que les gènes contrôlant la croissance du riz sont différents à différents niveaux d’azote. Dai et al. (2015) ont évalué 281 RILs, issues de 2 parents qui présentent des différences remarquables pour NUPE et NUTE, pour cartographier les QTLs de l’efficience de l’utilisation de l’azote du riz à 3 niveaux d’azote. A la dose plus faible d’azote (0 kg/ha), 2 QTLs pour l’efficience physiologique de l’utilisation de l’azote (PNUE) ont été détectés sur les chromosomes 3 et 4. Ces QTLs nommés respectivement qPNUE3 et qPNUE4 sont responsables de 11% de la variation phénotypique de PNUE. A dose moyenne d’azote, des QTLs de l’efficience agronomique de l’utilisation de l’azote (ANUE) sur le chromosome 4 et des QTLs de l’efficience d’absorption de l’azote sur le chromosome 4, 5, 8 et 9 ont été trouvés, ceux-ci comptaient pour 20,3% de la variation phénotypique. Nguyen et al. (2016) ont étudié 169 lignées recombinantes (RILs) issues d’un croisement de IR64 (ssp indica) et Azucena (ssp japonica), cultivées dans différentes conditions azotées. Ils ont trouvé huit QTLs sur les chromosomes 1, 2, 3 et 5 pour les paramètres de l’efficience de l’utilisation de l’azote mesurés et 36 QTLs sur les chromosomes 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 10 et 12 pour les caractères liés à l’azote.

III. Génétique d’association pour étudier les bases génétiques des caractères complexes