Un protocole de phénotypage haut débit de l’effet de l’inoculation du riz avec le CMA R.
irregularis en condition de déficit hydrique modéré a été mis en place. Une diminution de
l’intensité de colonisation est observée au cours du temps, un effet délétère de l’inoculation par R. irregularis sur la croissance du riz est également observé 10 semaines après semis (5 semaines après le début du stress).
L’expérimentation sur la plateforme PhenoArch montrera l’effet de l’inoculation par le CMA R. irregularis sur la croissance du riz en condition de déficit hydrique modéré. Le déroulement de l’expérimentation entre le printemps et l’été permettra aux plantes cultivées en serre de bénéficier de l’énergie lumineuse fournie par le soleil en plus de l’énergie fournie
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par les lampes à l’intérieur de la serre, et de réduire ainsi la compétition entre les partenaires symbiotiques (riz et CMA) pour le carbone.
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CHAPITRE 3
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Après avoir mis au point des conditions expérimentales favorables à la colonisation des racines de riz par le CMA Rhizophagus irregularis (RI) et compatibles avec le phénotypage à haut-débit, nous présentons dans ce chapitre une étude de la réponse au stress hydrique de plantes issues d’un panel de 150 génotypes de riz africain (Oryza glaberrima) dont les génomes ont été séquencés, inoculées ou non par le CMA R. irregularis (RI). En effet, la mise en place d’une symbiose entre un CMA et une plante de riz permet dans certaines conditions d’améliorer la tolérance au stress hydrique, mais les mécanismes mis en jeu, dont certains sont sous l’influence du génotype de la plante, restent inconnus (Mbodj et al., 2018).
L'objectif est ainsi d’étudier l’effet de la symbiose endomycorhizienne sur la tolérance au stress hydrique chez le riz, et plus spécifiquement d’identifier des génotypes contrastés dans leurs réponses au stress hydrique après mise en place de la symbiose endomycorhizienne et de réaliser des études d’association génotype-phénotype afin d’identifier des QTLs contrôlant ces réponses. Cette étude, est réalisée en collaboration avec le Centre Supérieur d’Investigation Scientifique (CSIC) en Espagne, et le Laboratoire mixte international Adaptation des Plantes et microorganismes associées aux Stress Environnementaux (LAPSE), l’Université Cheikh Anta Diop de Dakar (UCAD) et l’AfricaRice au Sénégal. Il a été financé par l’European Plant Phenotyping Platform Network 2020 (EPPN2020, projet MycoRice).
Nous avons utilisé la plateforme de phénotypage haut-débit PHENOARCH situé sur le centre de recherche de Montpellier SupAgro, qui permet, sur la base de pesée et d’imagerie journalière, de mesurer la croissance des parties aériennes ainsi que la consommation en eau et ainsi l’efficience d’utilisation de l’eau des plantes au cours du temps. Dans cette expérimentation, les 150 génotypes de riz africain se sont développés dans deux traitements, l’un non inoculé et l’autre inoculé par RI, d’abord en condition irriguée pendant quatre semaines afin de laisser le temps à la symbiose de se mettre en place puis en condition de stress hydrique modéré afin d’étudier l’effet de la symbiose sur la tolérance au stress hydrique. L’expérimentation s’est déroulée de septembre 2019 à octobre 2019.
L’analyse des cinétiques de croissance et d’efficience d’utilisation de l’eau dans le traitement inoculé en comparaison avec le traitement non-inoculé a mis en évidence un effet dépressif de l’inoculation sur la croissance des parties aériennes dès les stades précoces chez la majorité des génotypes étudiés. A la récolte (46 jours après semis), un ce retard de croissance a été partiellement compensé chez certaines lignées, sans pour autant provoquer un effet positif significatif de l’inoculation. L’absence d’effet dépressif sur la croissance chez des
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plantes témoins incapables d’établir une symbiose endomycorhizienne (mutant pollux2;1 et
cyclops1;1) suggère que l’effet négatif de l’inoculation observé chez les génotypes africains
est liée à la présence de RI. Néanmoins, aucune trace de colonisation des racines par RI n’a pu être observée chez dix génotypes montrant des réponses contrastées à l’inoculation. L’étude de l’expression d’un gène (D14L) impliqué dans les étapes précoces de l’établissement de la symbiose a cependant démontré la mise en place d’un dialogue pré-symbiotique entre la plante et RI. Ces résultats suggèrent qu'un efflux de carbone dans le sol pourrait avoir été mit en place par la plante pour favoriser la mise en place de la symbiose avec RI, se traduisant par un effet dépressif sur sa croissance, sans pour autant permettre l’infection par RI et l’établissement d’une symbiose fonctionnelle.
L’absence de symbiose fonctionnelle et les différences de biomasses aériennes entre traitements non-inoculé et inoculé au moment de l’imposition du stress hydrique ne nous a pas permis de conclure quoi que ce soit en ce qui concerne l’effet de la symbiose sur la tolérance au stress hydrique. Nous avons ainsi revu nos objectifs pour nous focaliser sur la réponse de la biomasse aérienne à l’inoculation avant imposition du stress hydrique avec l’hypothèse que des études d’association génotype-phénotype avant l’imposition du stress hydrique (28 jours après semis) permettraient d’identifier des QTLs/gènes impliqués dans la vigueur lors du dialogue pré-symbiotique chez le riz. Parmi les QTLs identifiés, un gène codant pour un transporteur de nitrate (OsNRT1;2) représente une cible potentiellement intéressante car il est connu pour être impliqué dans la nutrition azotée de la plante et induit lors de l’infection des racines par un CMA. Ces résultats ouvrent des perspectives intéressantes quant au rôle de la nutrition azotée lors de la mise en place d’une symbiose endomycorhizienne. Ils sont détaillés dans le projet d’article suivant.
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Contrasted response to arbuscular mycorrhizal fungi inoculation
in a diversity panel of African rice, Oryza glaberrima
Effa-Effa B1#, Ndoye MS2,3,4,#, Peralvarez M5, Quiroga G5, Moukouanga D1, Mbodj D6, Luchaire N7, Cabrera-Bosquet L7, Welcker C7, Manneh B6, Diedhiou A2,4,8, Kane A2,4,8, Barraud F9, Champion A1,4, Cubry P1, Gantet P1, Laplaze L1,4, Aroca R5 and Grondin A1,2,3,4*
1DIADE, IRD, Université de Montpellier, Montpellier, France
2LCM, Dakar, Senegal
3CERAAS, Thiès, Senegal
4LAPSE, Senegal
5CSIC, Granada, Spain
6AfricaRice Center, Saint-Louis, Senegal
7LEPSE, INRA, Université de Montpellier, Montpellier, France
8Université Cheikh Anta Diop, Dakar, Senegal
9Premier Tech Horticulture, Angers, France
#equal contribution
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Abstract
Establishment of arbuscular mycorrhizal (AM) symbiosis in rice can promote its growth and tolerance to abiotic stress such as drought by improving its access to nutrient and water. The use of AM-symbiosis as bio-fertilizer therefore represents an interesting avenue for improving sustainability and resilience of rice cultivation in a context of land degradation and climate change. However, beneficial effects of AM-symbiosis are dependent on the right rice host, arbuscular mycorrhizal fungi and environment combination, which, if not met, can lead to neutral or even detrimental effect on rice growth. Recent studies suggest a genetic control of AMF-symbiosis beneficial effects in rice, but the genetic determinants controlling this response remain elusive. Here, we used high-throughput imaged-based phenotyping in order to study inoculation effect on shoot biomass after growth under irrigated followed by drought stress conditions in a panel of African rice (Oryza glaberrima). We observed large variation in inoculation effect on shoot biomass that was negative in a large majority of genotypes. Smaller plants in the inoculated treatment indirectly caused increased tolerance to drought stress due to lower water use. Associations between genomic polymorphisms and shoot biomass under both non-inoculated and inoculated treatments before and after drought stress imposition identified several QTLs potentially involved in mycorrhizal growth response. A nitrate transporter was found to co-locate with one of these QTL suggesting that nitrate sensing, signaling and/or transport might be an important component of rice response to inoculation.
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I. Introduction
Rice is the staple food for more than half of the world’s population and its consumption is continuously growing (Global Rice Science Partnership, 2013). Rice is mainly cultivated under flooded environments and high fertilizer input is usually used to achieve yield goals (Khush, 2003). However, the combination of population increase and irregularities in rainfall due to climate will inevitably increase the pressure on water resource for agriculture. Water limitations, combined with the economic and environmental problems caused by chemical inputs, call for more resilient and sustainable rice cultivation systems (Wang et al., 2020a). Solutions may arise from agricultural management strategies such as alternate wet and dry cultivation that can save water use by 30% without impacting crop yield and use of rhizospheric microorganisms such as arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) as bio-fertilizers (Bouman and Tuong, 2001; Lampayan et al., 2015; de la Fuente Cantó et al., 2020).
AMF that belong to the Glomeromycota can establish arbuscular mycorrhizal (AM) symbiosis of mutual relationship nature with over 90% of higher plant species (Smith and Read, 2008). In this symbiosis, plant carbon is exchanged against minerals collected in the soil by the fungus hyphal network and transferred to the plant through arbuscules that develop in root cortical cells (Bonfante and Genre, 2015). The cascade of events allowing AM symbiosis establishment, from pre-symbiotic dialogue to plant/AMF contact, AMF root penetration and arbuscule development have been well-described and a number of genes controlling the different steps have been identified in several plant models including rice (Bucher et al., 2014; Choi et al., 2018).
AM symbiosis can be particularly beneficial for plant phosphorus and nitrogen nutrition (Smith and Smith, 2011). In rice, AMF can contribute up to 80% of the overall phosphorus uptake (Yang et al., 2012), which, under certain circumstances, can improve its shoot biomass and yield up to 10-20% (Solaiman and Hirata, 1997; Maiti et al., 2011; Diedhiou et al., 2016). Furthermore, it is well established that AM symbiosis provides tolerance to the host plant against various abiotic stresses such as heat, salinity, drought and metals (Mbodj et al., 2018; Begum et al., 2019). Under drought stress in particular, AM infection in rice results in improved root hydraulic conductivity, stomatal conductance and photosynthesis efficiency leading to overall increased water use efficiency and yield (Aroca et al., 2007; Ruiz-Sánchez
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et al., 2010; Ruíz-Sánchez et al., 2011; Chareesri et al., 2020). However, AM mutual symbiosis are very dependent on the environment and the plant-fungus combination which can, in some cases, result in neutral or negative effects on plant nutrition and growth (Li et al., 2008; Smith et al., 2009). Large variations (from negative to positive) of AMF inoculation effect on agronomic traits was observed in field on eight rice genotypes (Diedhiou et al., 2016). While all genotypes were grown under the same flooded conditions, a more positive impact of AMF inoculation was observed in rice genotypes adapted to dry environments (Diedhiou et al., 2016). These observations suggest that rice genetic determinants can modulate AMF effects and open the way to genetic analyses for the identification of quantitative traits loci (QTLs) and genes controlling beneficial effect of AMF symbiosis.
Recently, high-throughput phenotyping of AM root infection in durum wheat identified several QTLs associated with AM root colonization (De Vita et al., 2018). Image based high-throughput phenotyping of shoot biomass response to mycorrhizal inoculation was carried out in tomato, Medicago, barley and Brachypodium distachyon under different soil nutrient content, demonstrating the high dependence of AM symbiosis effect on the environment (Maviane-macia et al., 2019; Watts-Williams et al., 2019). For instance, tomato, medicago and barley generally showed a neutral or negative inoculation effect upon different zinc contents in soil while a positive inoculation effect was observed in B. distachyon only in a compartmented soil system where nitrogen and phosphorus are available in the compartment restricted to the AMF (Maviane-macia et al., 2019; Watts-Williams et al., 2019). While illustrating the complexity of mycorrhizal response, these studies open ways to screen large panels for identifying the genetic determinants controlling plant response to inoculation.
Here, we used an image-based high-throughput phenotyping platform in order to investigate response to inoculation by the AMF Rhizophagus irregularis (RI) in a panel of African rice (Oryza glaberrima) plants grown under irrigated followed by drought stress conditions. The genomes of the O. glaberrima panel were sequenced at 35X depth and previously used to identify QTLs for resistance to rice yellow mottle virus, panicle architecture and flowering time (Cubry et al., 2020). In this study, associations analyses were performed on shoot biomass and shoot biomass response to inoculation before and after drought stress imposition in order to identify genes regulating AM symbiosis effect on growth.
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