Analyse de la variabilité inter- et intra-spécifique de cinq espèces prairiales en réponse à la température pendant la germination et la phase hétérotrophe initiale

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Pour l'obtention du grade de

DOCTEUR DE L'UNIVERSITÉ DE POITIERS UFR des sciences fondamentales et appliquées

Unité de recherche pluridisciplinaire prairies et plantes fourragères - URP3F (Diplôme National - Arrêté du 7 août 2006)

École doctorale : Sciences pour l'environnement - Gay Lussac (La Rochelle) Secteur de recherche : Biologie de l'environnement, des populations et écologie

Présentée par : Lina Qadir Ahmed

Analyse de la variabilité inter- et intra-spécifique de cinq espèces prairiales en réponse à la température pendant

la germination et la phase hétérotrophe initiale

Directeur(s) de Thèse : Abraham Escobar-Gutiérrez Soutenue le 10 juillet 2015 devant le jury

Jury :

Président Jean-Philippe Biolley Professeur des Universités, Université de Poitiers Rapporteur Marie-Pascale Prud'homme Professeur des Universités, Université de Caen Rapporteur Florence Volaire Chargée de recherche, INRA de Montpellier Membre Abraham Escobar-Gutiérrez Chargé de recherche, INRA de Lusignan

Pour citer cette thèse :

Lina Qadir Ahmed. Analyse de la variabilité inter- et intra-spécifique de cinq espèces prairiales en réponse à la température pendant la germination et la phase hétérotrophe initiale [En ligne]. Thèse Biologie de l'environnement, des populations et écologie. Poitiers : Université de Poitiers, 2015. Disponible sur Internet

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,t

THÈSE

Pour l’obtention du Grade de

DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE POITIERS Faculté des Sciences Fondamentales et Appliquées

(Diplôme National - Arrêté du 7 août 2006)

École Doctorale : Sciences pour l’Environnement Gay Lussac

Secteur de Recherche : Biologie de l’environnement, des populations, écologie.

Présentée par :

Lina Qadir AHMED

Analyse de la variabilité inter- et intra-spécifique de cinq

espèces prairiales en réponse à la température pendant la

germination et la phase hétérotrophe initiale

Directeur de Thèse :

Abraham ESCOBAR-GUTIÉRREZ

Soutenue le 10 Juillet 2015 devant la Commission d’Examen

JURY

Jean-Philippe BIOLLEY Professeur, Université de Poitiers Président

Marie-Pascale PRUD’HOMME Professeur, Université de Caen-Basse Normandie Rapporteur

Florence VOLAIRE Chargé de Recherche, INRA, Montpellier Rapporteur

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THESIS

To obtain the degree of Doctor from the University of Poitiers Faculty of Sciences Fundamental and Applied (National Diplome - Decree of 7 August 2006)

Doctoral School: Environmental Sciences “Gay Lussac”

Research Section: Biology of the environment, of populations, ecology.

By:

Lina Qadir AHMED

Analysis of inter- and intra-specific variability of five pasture

species in response to temperature during germination and

initial heterotrophic growth.

Director of Thesis:

Abraham ESCOBAR-GUTIÉRREZ

Thesis defended the 10 July 2015 before the panel composed by

Jean-Philippe BIOLLEY Professor, University of Poitiers President

Marie-Pascale PRUD’HOMME Professor, University of Caen-Basse Normandie Reviewer

Florence VOLAIRE Researcher, INRA, Montpellier Reviewer

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Lina Qadir AHMED, 2015. Analyse de la variabilité inter- et intra-spécifique de cinq espèces

prairiales en réponse à la température pendant la germination et la phase hétérotrophe initiale. Résumé

La germination et la croissance hétérotrophe sont des phases clés de l'établissement des plantes. Ils sont sous contrôle génétique et affectés par la température. L'objectif de cette thèse est d'analyser la variabilité inter et intra-spécifique de cinq espèces prairiales dans leurs réponses à la température pendant la germination et la croissance hétérotrophe.

Trente-deux populations de Lolium perenne, Festuca arundinacea, Dactylis glomerata, Medicago sativa, et Onobrychisviciifolia ont été évaluées sous huit températures constantes entre 5˚ et 40˚C.

La nouveauté de ce travail vient de la large gamme de températures et le nombre de populations évaluées. Il a été observé que, au sein des espèces, la réponse des populations à la température indique une forte variabilité et des différences significatives. Aucune germination n'a pas été observée à 40˚C pour aucune des 23 graminées, l’O.viciifolia a germé peu tandis que les variétés de M. sativa ont été peu affectées. La croissance hétérotrophe des 32 populations a été affectée par la température. La croissance des axes a été faible ou nulle à 40˚C. Les courbes de réponse du taux de croissance maximale des axes sont asymétriques en forme de cloche.

Des interactions significatives entre la température et la population ont été détectées pour la germination et la croissance hétérotrophe. La germination des populations des sites froids est favorisée par des températures plus chaudes et limité par les plus froids et vice-versa pour les populations originaires des endroits plus chauds.

Mots clés : Lolium perenne, Festuca arundinacea, Dactylis glomerata, Medicago sativa, Onobrychis viciifolia, diversité génétique, l'amélioration génétique, prairiales, germination, croissance hétérotrophe, température, changement climatique.

Lina Qadir AHMED, 2015. Analysis of inter- and -intra specific variability of five pasture species

in response to temperature during germination and initial heterotrophic growth. Abstract

Germination and heterotrophic growth are key phases for plant establishment. They are under genetic control and affected by temperature. The objective of this thesis was to analyse the inter- and intra-specific variability of five pasture species in their responses to temperature during germination and heterotrophic growth.

Thirty-two populations of Lolium perenne, Festuca arundinacea, Dactylis glomerata, Medicago sativa, and Onobrychis viciifolia were evaluated under eight constant temperatures between 5 and 40˚C.

The novelty of this work comes from the wide range of temperatures and the number of populations evaluated. It was observed that, within species, the response of populations to temperature shows high variability and significant differences. No germination was observed at 40˚C for any of the 23 grasses, O. viciifolia germinated poorly while M. sativa varieties were little affected. Heterotrophic growth of the 32 populations was affected by temperature. The growths of the axes were negligible or lethal at 40˚C. Response curves of relative growth rate of the axis were asymmetric bell-shaped.

Significant interactions between temperature and population were detected for germination and heterotrophic growth. Germination of populations from cold sites was favored by warmer temperatures and limited by colder ones and vice versa for warm-adapted populations. This study demonstrates that genetic variability does exist within the five studied species. This variability could be exploited to breed new varieties adapted to the future climate.

Keywords: Lolium perenne, Festuca arundinacea, Dactylis glomerata, Medicago sativa, Onobrychis viciifolia, grasslands, germination, heterotrophic growth, genetic diversity, breeding, temperature, climate change.

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CONFÉRENCES

Communication in Congress

Ahmed LQ, Durand J-L, Escobar-Gutiérrez AJ. 2015. Température extrêmes et variabilité

de la germination levée. Colloque INRA Adaptation des prairies semées au changement Climatique -16-17 Novembre 2015, Poitiers, France.

Ahmed LQ, Durand J-L, Escobar-Gutiérrez AJ. 2015. Genetic Diversity of perennial grass

species in response to temperature during Germination. Our Common Future under Climate Change, 07-10 July 2015, Paris, France.

Ahmed LQ, Durand J-L, Escobar-Gutiérrez AJ. 2015. Genetic Diversity of Dactylis

glomerata in the response to temperature during Germination. CLIMATE-SMART

Agriculture, 16-18 March 2015, Le Corum, Montpellier, France.

Ahmed LQ, Durand J-L, Louarn G, Fourtier S, Sampoux J-P, Escobar-Gutiérrez AJ. 2014. Genetic diversity of Lolium perenne L. in the response to temperature during germination. Grassland Science in European, 9. EGF at 50 the Future of European Grasslands, 11 - 13 September 2014 Aberystwyth, UK.

Ahmed LQ, Durand J-L, Escobar-Gutiérrez AJ. 2014. Festuca arundinacea Shows

Genetic Diversity in the Response to Temperature during Germination. PLANT BIOLOGY EUROPE FESPB/ EPSO 2014, 22 -26 June 2014, Dublin, Ireland.

Ahmed LQ, Louarn G, Durand J-L, Escobar-Gutiérrez AJ. 2013. Diversité génétique de

la réponse à la température de germination chez Lolium perenne L. AFPF-Prairies, systèmes fourragers et changement climatique. 26-27 Mars. 2013 Paris, France.

Zaka S, Ahmed LQ, Escobar-Gutiérrez AJ, Durand J-L, Louarn G. 2014. Comparison of

temperature responses of different developmental processes in Medicago sativa L. and

Festuca arundinacea S. Grassland Science in European, 9. EGF at 50 the Future of European Grasslands, 11 - 13 September 2014 Aberystwyth, UK.

Zaka S, Ahmed LQ, Escobar-Gutiérrez AJ, Durand J-L, Louarn G. 2013. Comparaison

de la réponse à la température de différents processus physiologiques chez des variétés de Luzerne et de fétuque élevée issues de milieu tempérés et méditerranéens. AFPF-Prairies, systèmes fourragers et changement climatique. 26-27 Mars. 2013 Paris, France.

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ACKNOWLEDGEMENTS

I sincerely thank my supervisor, Dr. Abraham J. Escobar-Gutiérrez, for his enthusiastic support, warm encouragement, patience and valuable guidance throughout this project. I gratefully acknowledge the jury members for their support, advice and helpful suggestions. I would like to sincerely thank a large number of people for their academic and technical assistance over the three years of this study.

 From URP3F INRA, Lusignan: Dr. Jean-Louis Durand director of the URP3F and all the staff of the laboratory.

 From Mycology Laboratory, GEVES–SNES: Ms. Sylvie Leclerc and Mr. Pierre Soufflet.

 From University of Poitiers, Faculty of fundamental and applied sciences: Ms. Sylvie Perez, and Ms. Sabrina Biais.

 From documentary & computer services of INRA, Lusignan: Mr. Eric Marchoux, Ms. Karin Chevet, Ms. Marie Proust, Ms. Armelle Perennes, Mr. Jean Marie Girardeau, Mr. Sébastien Pommies.

 I would like to express my sincere thanks to The Ministry of Higher Education & Scientific Research KR & KRG-France & The Faculty of agriculture at the University of Salahaddin for providing resources and finacial assistance during my studies. I would also like to thank Dr. Abdulghany Ismaeel Sarmamy from the Faculty of Biological Science.

 The graduate students in URP3F-INRA, Lusignan: Vincent M., Marie L., Rocio AH, Lucas F., Serge Z., Mathieu D.

Finally, I would like to express my gratitude to my parentes and my sisters and brothers, and they are always in my heart.

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LIST OF ABBREVIATIONS

ABA: Abscisic acid.

ACVF: Association des Créateurs de Variétés Fourragères. CGDD-a: Cumulative growing degree-day-air.

CGDD-s: Cumulative growing degree-day-soil.

CLIMAGIE: Adaptation des prairies au Changement Climatique: Amélioration Génétique et Intensification Ecologique.

CRG: Centre de Ressources Génétiques. FL-rt: Final length of radicle.

FL-sh: Final length of shoot. FL-hy: Final length of hypocotyl. GA:Gibberellicacid.

GEVES: Groupe d'Etude et de contrôle des Variétés Et des Semences. IAA: Indole -3 acetic acid.

IPCC: International Panel on Climatic Changes. LW:Seed length.

NCGP: Normalized cumulative germination percentage. NMGP: Normalized maximum germination percentage. RGR-rt: relative growth rate of the radicle.

RGR-sh: relative growth rate of the shoot. RGR-hy: relative growth rate of the hypocotyl. RéGàTe: Réponse Germinative à la Température. RH : Relative humidity.

SDW: Seed Dry Weight.

SMGP: Per-Species average maximum germination percentage. S: R ratio: Shoot: Root ratio.

SW: Seed length.

URP3F: Unité de Recherche Pluridisciplinaire Prairies et Plantes Fourragères : Water potential.

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RÉSUMÉ

Analyse de la variabilité inter- et intra-spécifique de cinq espèces prairiales en réponse à la température pendant la germination et la phase hétérotrophe initiale

1. Introduction

Le prairies est l'un des types de végétation les plus répandues dans le monde entier et les plus grands écosystèmes dans le monde avec une superficie estimée à 40,5% de la surface émergée de la terre. Dans les régions tempérées, les prairies sont des communautés végétales multi-espèces dominées par des espèces de graminées (Green, 1990).

Depuis les cent dernières années, les pratiques agricoles ont changé de façon spectaculaire et une grande partie des prairies permanentes a été labourée. Par exemple, la surface dédiée aux prairies en Europe a diminué au cours des 30 dernières années en faveur de la production de cultures annuelles (Huyghe et al., 2014a). Les prairies permanentes et temporaires en 2007 occupaient environ 33% et 6%, respectivement, de la surface agricole utile. En outre, aujourd’hui les prairies sont gérées de façon plus intensive, ce qui conduit à une diminution de la diversité des espèces (Green, 1990).

La valeur d'usage des prairies va au-delà de la production de biomasse pour l'alimentation des ruminants. En effet, les prairies fournissent également des services écosystémiques tels que l'habitat pour les animaux sauvages, zones de loisirs et les barrières de l'érosion des sols. En outre, les prairies sont considérées, semblables à la forêt, comme important puits pour capturer et stocker le CO2 atmosphérique (O’Mara, 2012).

La valeur d'usage agricole des prairies dépend de leur composition floristique et la structure de leur canopée. La germination des graines et le début de la croissance sont des étapes clés pour l'établissement des plantes qui ont un impact sur la structure génétique et physique du peuplement.

Comme de nombreux autres processus physiologiques et morphologiques, la germination et la croissance hétérotrophe sont sous contrôle génétique et affectés par des facteurs environnementaux. La température joue un rôle majeur dans le contrôle des réactions chimiques et enzymatiques ainsi que sur le fonctionnement de la graine et de la plante entière. Le Groupe Intergouvernemental sur l’Évolution du Climat (GIEC) prévoit une augmentation moyenne mondiale de la température extrême entre 3,7 à 4,8˚C au cours des 100 prochaines années (IPCC, 2014 a). Ainsi, il est important d'adapter les systèmes de production de fourrages à ces nouvelles conditions environnementales. L'amélioration de ces systèmes pourrait impliquer l'utilisation de communautés multi-spécifiques ainsi que des

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populations multi-génotypiques. La sélection de nouvelles variétés pourrait contribuer à sécuriser la production alimentaire dans le nouveau contexte climatique. La base pour l'amélioration est la variabilité génétique de chaque espèce.

L'étude de cette variabilité dans cinq grandes espèces des prairies est le sujet de cette thèse. Ce travail fait partie du projet de recherche CLIMAGIE (Adaptation des prairies au Changement Climatique : Amélioration Génétique etIntensificationÉcologique) qui vise à améliorer la production de connaissances et d'innovations ultérieures pour adapter les prairies aux risques du changement climatique qui menacent le maintien des services fournis par les écosystèmes des prairies. CLIMAGIE fait partie du meta-programme INRA « Adaptation aux

Changements Climatiques sur l'Agriculture et la Forêt (ACCAF) ». Ce travail a été effectué à

la Unité de Recherche Pluridisciplinaire Pairies et Plantes Fourragères (URP3F) à Lusignan, France. Il a été partiellement financé par une bourse de doctorat du programme de coopération internationale « France - Kurdistan de l'Irak ».

Le plan du manuscrit dans sa version anglaise est légèrement différent du plan de ce résumé en français. Ici, après la courte introduction ci-dessus, l'objectif et l'hypothèse sont précisées. Dans la troisième section, les matériels et les méthodes sont décrites. La quatrième section concerne les résultats et discussion. Enfin, les conclusions et perspectives sont présentées dans la cinquième section.

2. Objectif et hypothèse

L'objectif de cette thèse est d'analyser la variabilité inter- et intra-spécifique de cinq espèces prairiales dans leurs réponses à la température pendant la germination et la croissance hétérotrophe initiale.

Trente-deux accessions ont été étudiées, à des températures constantes allant de 5 à 40˚ C, afin de tester l‘hypothèse suivante : « Il existe, au sein des cinq espèces étudies et entre espèces aussi, des différences de réponse à des températures constantes pour la germination des semences et pour la croissance hétérotrophe initiale des plantules ».

3. Matériel et méthodes Matériel végétal

Nous avons évalué trente-deux populations des cinq espèces prairiales. Nous avons utilisé 6 populations sauvages et 2 populations de sélection de Lolium perenne L. Pour la

Festuca arundinacea Schreb., nous avons travaillé avec 4 populations et 5 variétés

commerciales. Nous avons analysé 4 populations et 2 variétés commerciales de Dactylis

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France. Les graines, obtenues du Centre de Ressources Génétiques des Espèces Fourragères (URP3F, INRA de Lusignan), étaient stockées à l'obscurité, à 5˚C et 30 % d'humidité relative. En fin, pour l’Onobrychis viciifolia Scop., nous avons testé deux variétés commerciales Françaises obtenues directement de l’obtenteur.

Test de germination

L’éventuelle dormance des graines des graminées a été levée par stratification humide à 5˚C pendant sept jours. Les graines de M. sativa ont été scarifiées par abrasion en les frottant pendant 4 secondes entre deux feuilles de papier de verre. Les graines d’O. viciifolia

ont été décortiquées avant la scarification. Pour le test de germination, quatre lots de 100 graines par population ont été placés sur deux couches de papier Whatman, humectées avec 5 ml d'eau dé-ionisée, dans des boites de Petri de 90 mm de diamètre. Les boites de Petri ont été placées à l’obscurité dans des chambres de culture maintenues 24 h/24 h à 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 ou 40˚C. Les graines étaient considérées comme germées lorsque la radicule ou le coléoptile / hypocotyle avait émergé d'au moins 2 mm. Les comptages de germination ont été réalisés à des pas de temps variables qui dépendaient de la température du traitement. La durée du suivi des lots dépendait aussi de la température du traitement.

Croissance hétérotrophe

Après des traitements de pre-germination, des graines de toutes les populations ou variétés ont été mises à germer à l’obscurité à 25˚C. Lorsque la radicule ou le coléoptile / hypocotyle ont atteint au moins 1 mm, des groupes de dix graines germées ont été posés sur du papier de germination de couleur bleu dans des boites de type GEVES. Ces boites ont été transférées dans des chambres de culture maintenues 24 h / 24 h à 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 ou 40˚C. Trois boites par contenant chacune 10 plantules (3 x 10) ont été utilisées à chaque température et pour chaque population ou variété. Les boites on été posées avec une inclinaison de 60°par rapport à l’horizontale. L’humidité était élevée et les graines étaient régulièrement arrosées avec de l’eau dés-ionisée et stérilisée. Des photos des plantules de chaque boite ont été prises régulièrement. La vitesse de croissance a été déterminée par analyse d’images avec le logiciel ImageJ (version 1.47,http://imagej.nih.gov/ij/).

Relations allométriques

Des variables tels que le poids sec de 1000 graines, la longueur et la largeur de graine, la longueur finale de la radicule et soit la pseudo-tige ou soit l’hypocotyle ont été mesurés.

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Ces variables on été analyses à la recherche de relations statistiques ou de relations allométriques.

Modélisation de la germination

Les valeurs des pourcentages cumulés de germination au cours du temps ont était ajustées pour chaque répétition en utilisant une hyperbole non rectangulaire. Ce modèle non linéaire a semblé convenir du fait d’une part de sa flexibilité et d’autre part de la possibilité d’attribuer une signification écophysiologique à certains de ses paramètres (Escobar-Gutiérrez et al., 2009). Le modèle s’écrit :

        _                        max 2 max max) 4 ( 2 1 Y tc t Y tc t Y tc t Y     

où Y est le pourcentage cumulé de germination ; est un paramètre de courbure (sans unités) ;  est la vitesse de germination maximale (individus par unité de temps) au tc, temps apparent de début de la germination (heure) ; t est le temps (heure) ; Ymax est le pourcentage maximum de germination.

Les paramètres ont été optimisés et les valeurs initiales des paramètres ont été approchées par celles des points expérimentaux auxquels les courbes devaient être ajustées. D’excellents ajustements ont été obtenus avec cette fonction mathématique.

Modélisation de la croissance hétérotrophe

Les valeurs de taille de chaque plantule au cours du temps ont était ajustés pour chaque plantule en utilisant le modèle non-linéaire de Schnute (1981) :

b v w a v t a b b b c d c y 1 ) ( ( ) ( ( exp 1 exp 1 ) (          _ _

Modélisation des réponses à la température

Les fonctions Beta modifiées sont largement utilisées dans la littérature pour représenter la réponse de la vitesse des processus physiologiques à la température. Elles contiennent peu de paramètres, elles sont relativement aisées à expliquer biologiquement, les approximations sont assez bonnes aux températures cardinales et elles ont la faculté d’avoir des formes très variées. Nous avons fait le choix d’utiliser une fonction Beta modifiée (Yin et al., 1995) qui s’écrit :

                            To T T To T To T T To T T T y y max min min min . max max max

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où T est la température ; ymax est le vitesse maximale à la température optimale To, Tmin est la température à partir de laquelle le processus démarre, Tmax est la température à partir de laquelle la vitesse du processus devient nulle et le paramètre  indique la convexité de la courbe.

Une méthode permettant de comparer les courbes de réponse des populations a été développée sur le principe de la comparaison du modèle d’une population à des données d’une autre. Il s’agit d’un ajustement classique d’un modèle sur des données. Nous calculons les résiduels entre le modèle i et les données j. Nous vérifions que les résidus sont distribués normalement (par un test de Kolmogorov-Smirnov) avec moyenne égale à 0 (µ=0, par un test de t). Finalement un test de F a été effectué pour le rapport de variances qui permet de calculer la probabilité de « manque d’ajustement » (en anglais « lack of fit »)

4. Résultats et discussion

Les résultats les plus marquants de ce travail indiquent que, indépendamment du pourcentage maximal de germination observé pour chaque population, les courbes de réponse à la température, entre 5 et 35˚C, montrent des différences qui reflètent la variabilité génétique existante au sein des espèces de graminées. Pour les graminées, la température optimale a été estimée entre 7,9 et 26 ˚C. Aucune germination n’a été observée pour les populations des espèces graminées à 40˚C. Des résultats similaires ont été publiés pour le ray-grass anglais à 37,5 et 40˚C (Black et al., 2006). De même, la germination de graines de ray-grass anglais et la fétuque élevée à 35˚C a été réduite à uniquement 1% dans le travail de (Zhang et al., 2013).

O. viciifolia a peu germé tandis que les variétés de M. sativa ont été peu affectées à 40˚C. Les courbes de germination pour les deux variétés de O. viciifolia ne sont pas différentes (P < 0,01) et ont été affectées à fortes température (30 à 40˚C). Par contre, les sept variétés de M. sativa ont été peu affectées par les températures faibles (5˚C) et fortes (40˚C). Chez M. sativa, les résultats de McDonald (2002) ont montré une bonne germination à températures constantes entre 8 et 36˚C mais aucune germination n’a été observée à 44˚C.

Nous avons calculé le temps initial de la germination (tc) et le temps auquel 50% des graines ont germé (), à l’aide de un polynôme de 3ème degré ajustés aux taux de germination observés en fonction du temps. Ils ont été différents pour l’intervalle 5 à 35˚C pour les graminées et de 5 à 40˚C pour les légumineuses. Les tc et  ont diminué avec l’augmentation de température de 5 à 35 ou 40˚C.

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La vitesse initiale de germination () et celle lorsque 50% des graines ont germé (50%) ont été analysées. En général, les vitesses de germination ont augmenté entre la

température la plus faible et la température optimale, et diminué par la suite. La vitesse 50% a été ajustée avec le modèle Beta sur les données de réponse à la température de 5 à 35˚C pour les graminées et de 5 à 40˚C pour les légumineuses. Les vitesses ont été différentes entre les différentes espèces.

Les poids secs des graines ont été différents entre espèces (P < 0,05). Des relations linéaires ont été observées entre les poids secs et les taux de germination pour F. arundinacea

et O. viciifolia, et ces relations étaient différentes entre espèces (P < 0,05). Les relations entre la taille de graine et le rapport tige : racine, et les longueurs finales de radicule, d’hypocotyle, et de tige ne semblent pas linéaires.

Les longueurs finales de radicule (FL-rt), tige (FL-ti), et hypocotyle (FL-hy) ont été mesurées en réponse à la température de 5 à 30˚C pour trois graminées et O. viciifolia. En effet, la FL-rt a été significativement réduite (P < 0,05) avec l’augmentation de la température de 5 à 30˚C pour certaines populations de certaines espèces. Chez M. sativa, ces mesures ont été effectuées pour des températures de 5 à 40˚C et de 5 à 25˚C. La FL-rt des variétés M. sativa a significativement augmenté de 5 à 25˚C et diminué après 25˚C (P < 0,05). Mais la FL-hy n’a pas répondu de façon significative à la température pour certaines variétés de M. sativa.

Les vitesses maximum de croissance de la radicule et du coléoptile/ hypocotyle ont varié selon la température de 5 à 35˚C. Elles ont été très faibles ou nulles à 40˚C et ont donc été exclues pour l’ajustement des courbes Beta.

Nous avons observé que la vitesse maximum de la croissance de la radicule, du coléoptile et de l’hypocotyle a présenté une allure en cloche dissymétrique, en fonction de la température de 5 à 35˚C. Par exemple, la vitesse de croissance de la radicule chez M. sativa

était rapide à 28˚C, ce qui est proche des résultats obtenus par Masiunas and Carpenter

(1984a,b).

La vitesse de croissance estimée de la radicule la plus rapide était celle du sainfoin ‘Canto’, avec 0,73 mm.h-1

à 25,7˚C, et la plus lente est celle de dactyle ‘387’ avec 0,18 mm.h-1. La vitesse de croissance du coléoptile la plus rapide est celle de H1 avec 0,72 mm.h-1 à 25,3˚C et la plus lente est celle de Kasbah avec 0.35 mm. h-1 à 25˚C.

Le rapport tige : racine a varié significativement (P < 0,05) entre 5 et 30˚C pour les populations de L. perenne et F. arundinacea. Il a augmenté pour la variété Kasbah de D.

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glomerata et la variété Canto d’O. viciifolia. Par contre, il a diminué de 5 à 30˚C pour la variété Flamande contrairement aux autres variétés de M. sativa (P < 0,05).

L. perenne et F. arundinacea ont produit une à trois racines nodales pour des températures de 5 à 35˚C, sauf pour les populations ACVF10491, P19, 7046, 7047, 191, Alcobaça et Centurion qui n’ont jamais atteint trois racines nodales. Chez D. glomerata, une à deux racines nodales ont été produites au minimum. Les accessions 387 et Ludac ont produit un nombre de racines nodales significativement inférieur au reste (P < 0,05).

En particulier, les deux variétés d’O. viciifolia ont produit des racines nodale à 35˚C contrairement aux autres températures et aux variétés de M. sativa.

Les courbes de taux de germination des graminées ont été différentes (P < 0,05) par rapport à celles des légumineuses. Le taux de germination de L. perenne a été affecté à 35˚C. Celui de F. arundinacea a été affecté aux températures extrêmes, 5 et 35˚C. Le taux de germination de D. glomerata n’a pas été différent de 5 à 25˚C, mais il s’est réduit pour 30 et

35˚C. Les variétés de M. sativa ont été moins affectées par les températures extrêmes 5 et 40˚C. Chez O. viciifolia le taux a été fortement réduit à 35 et 40˚C. Les temps de germination (tc et ) à 5˚C ont été très longs pour les graminées : environ 500 h, contre 60 à 80 h pour les légumineuses. De plus, les vitesses maximales de germination ( et 50%) ont été très rapides pour les légumineuses par rapport aux graminées. Les paramètres de germination sont donc variables selon la température et selon l’espèce et la population.

Contrairement aux autres espèces, chez M. sativa, des relations linéaires significatives (P <0,05) ont été observées entre le poids sec des graines et la taille des graines. Aucune différence significative n’a été observée entre la taille des graines pour les deux variétés d’O. viciifolia contrairement aux autres espèces.

Les vitesses maximum de croissance de la radicule ont été significativement différentes (P < 0,01) entre les températures pour L. perenne, M. sativa et O. viciifolia. La vitesse maximum de la radicule chez le M. sativa était rapide (0,74 mm.h-1) pour des températures élevées, jusqu’à un optimum de 28˚C contrairement à D. glomerata qui a été très lent (0,32 mm.h-1). En plus, la vitesse de croissance du coléoptile pour D. glomerata, 0,42 mm.h-1, a été très lente par rapport à celle de L. perenne, 0,62 mm.h-1. Les températures optimales pour la vitesse de croissance du coléoptile et de l’hypocotyle étaient de 24,6 à 27,0˚C. La croissance du coléoptile a été plus sensible à la température que la croissance de la radicule chez les graminées, et vice versa chez les légumineuses.

Le rapport tige : racine a varié selon la température de 5 à 35˚C (P < 0,05) pour L. perenne et F. arundinacea mais pas pour les autres espèces.

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Une à trois racines nodales ont été produites chez L. perenne et F. arundinacea. Chez

D. glomerata une à deux racines nodales ont été produites pour les températures de 5 à 35˚C.

En général, la production de racines nodales a été très faible (P < 0,05) pour D. glomerata.

Par contre, la production de racines nodales a été très forte à 35˚C chez les deux variétés d’O. viciifolia.

Les cas particuliers des populations ACVF60016, ACVF50039 de L. perenne et 7045 de F. arundinacea ont été étudiés plus en détail. Les courbes de réponse à la température d’ACVF60016 sont en cloche, et sont similaires pour le taux de germination, la vitesse maximum de germination, et les vitesses maximum de croissance de la radicule et du coléoptile. La température optimum a été observée entre 24 et 26˚C.

Le coléoptile s’allonge avant la radicule à 25˚C pour la population ACVF50039. La température optimale a été estimée à 10,85˚C.

La température optimale de germination de la population 7045 est de 8,6˚C, et les longueurs finales FL-rt et FL-ti ont diminué avec la température de 5 à 30˚C contrairement aux autres populations de F. arundinacea. Par contre, cette population est originaire d’un

climat chaud mais elle n’a pas été affectée par la température extrême de 5˚C.

5. Conclusion et Perspectives

La nouveauté de ce travail vient de la large gamme de températures (5 à 40˚C) et le nombre d’espèces et d’accessions évaluées (32). Il a été observé que, au sein des espèces, la réponse des populations à la température montre des différences significatives de la germination et une forte variabilité. Toutefois, la recherche dans ce domaine reste fragmentée et les études sur des larges gammes de températures constantes pour les populations sauvages ne sont pas nombreux, aussi bien pendant la germination que pour la phase hétérotrophe initiale.

Notre hypothèse a été confirmée et les populations ont montré une grande diversité génétique en réponse à la température constante pendant la germination.

Aucune germination n’a été observée à 40˚C pour les 23 populations des espèces de graminées. Pour O. viciifolia une très fiable germination à 40˚C a été observée. Par contre, les variétés de M. sativa ssp ont bien germe à 40˚C. En plus, la réponse de la germination a été différente de 5 à 35˚C pour les espèces de graminée par rapport à M. sativa ssp.

Des relations ont été observées entre le poids secs des graines et les taux de germination et les deux espèces F. arundinacea et O. viciifolia.

(22)

La courbe de vitesse maximum de croissance des axes, en fonction de la température, présente une allure en cloche dissymétrique. En général, la vitesse maximum de croissance de la radicule chez le M. sativa été rapide contrairement à D. glomerata.

Le rapport tige : racine chez les L. perenne et F. arundinacea a augmenté en réponse à la température de 5 à 30˚C (P < 0,05) mais pas pour les autres espèces.

Pour certaines accessions de graminées et sous certaines conditions de température, l’émission du coléoptile a précédée celle de la radicule. En plus, des différences de production de racines nodales ont été observées entre les espèces de graminées et en fonction de la température. Ces deux éléments mériteraient des études plus approfondies du fait de leurs effets potentielles sur la morphogenèse des plantes ainsi obtenues (Migault, 2015) et de la capacité de celles-ci pour survivre.

La variabilité découverte dans cette étude devrait servir à créer des nouvelles variétés, ce qui offre des avantages pour les futurs programmes de production et de conservation de matériel génétique, en particulier dans le contexte du changement climatique.

Un premier travail a déjà été réalisé en vue de continuer des recherches sur ce sujet. En effet, les six populations sauvages de ray-grass anglais ont été multipliées au champ en 2013-2014 pour avoir de nouvelles semences et ainsi étudier les effets des âges des lots de graines.

Dans un deuxième temps, une étude élargie de la réponse germinative à la température chez le rye-gras et la fétuque seront réalisées dans le Projet RéGàTe (2015-2018) à l’URP3F en collaboration avec le GEVES et les obtenteurs de l’ACVF.

(23)

(24)

1. INTRODUCTION

Grassland is one of the most widely distributed vegetation types worldwide and the largest ecosystems in the world with an area estimated at 40.5% of the earth’s land surface. In temperate regions, grasslands are multi-species plant communities dominated by grass species (Green, 1990).

Since the past one hundred years, agricultural practices have changed dramatically and a large area of permanent grassland has been ploughed. For example, the European grassland area has decreased during the last 30 years in favour of the production of annual crops (Huyghe et al., 2014a). The permanent and temporary grasslands are in 2007 was estimated to about 33% and 6%, respectively, of the European utilised agricultural area (UAA). Further, grasslands are managed more intensively, which lead to decrease of species diversity (Green, 1990).

The use value of grasslands goes beyond the production of biomass to feed ruminants. Indeed, grasslands provide also ecosystem services such as habitat for natural animals, recreational areas and soil’s erosion barriers. Further, grasslands are considered, similar to forest, as important sink to capture and store atmospheric CO2 (O’Mara, 2012).

The agricultural use-value of grasslands depends on their floristic composition and the structure of their canopy. Seed germination and early growths are the key phases for plant establishment that have an impact on the genetic and physical structure of the sward. Similar to many other physiological and morphological processes, germination and heterotrophic growth are under genetic control and affected by environmental factors. Temperature plays a major role in controlling chemical and enzymatic reactions as well as the whole seed, seedling and plant functioning.

The International Panel on Climatic Changes (IPCC) anticipates an increase in global average and extreme temperature between 3.7 to 4.8˚C over the next 100 years (IPCC, 2014a). Thus, it is important to adapt grassland production systems to these new environmental conditions. Improving such systems could imply the use of multi-specific communities as well as multi-genotypic populations. Breeding new varieties could contribute to secure food production in the new climatic setting. The basis for improvement is the genetic variability of each species.

The study of such variability in five major grassland species is the subject of this thesis. This work is part of the CLIMAGIE (Adaptation des prairies au Changement

Climatique: Amélioration Génétique et Intensification Ecologique) research project that aims

(25)

to the risks of climate change that threaten the maintenance of the ecosystem services provided by grasslands. CLIMAGIE is part of the Adaptation to Climate Change of Agriculture and Forest (ACCAF) research meta-programme of the French “Institut National de la Recherche Agronomique” (INRA). This work was performed at the “Unité de Recherche Pluridisciplinaire Pairies et Plantes Fourragères” (URP3F) at Lusignan, France. It was partially funded by a PhD fellowship of the France - Iraq’s Kurdistan international cooperation programme.

The layout of the manuscript is as follows. After this short introduction, the objective and hypothesis of the work are stated. It is followed by a review of literature on the topics related to the study. In the fourth, section the material and methods are described. In the fifth and sixth sections, the results are presented and discussed. The conclusions and perspectives are presented in sections seventh.

2. OBJECTIVE AND HYPOTHESIS

The objective of this thesis was to analyse the inter- and intra-specific variability of

five pasture species in their responses to temperature during germination and initial

heterotrophic growth.

Thirty-two accessions were studied, at constant temperatures ranging from 5 to 40˚C, in order to test the following hypothesis: “Within species and between species, it is possible to observe different responses of seeds and seedling to constant temperature for germination and initial heterotrophic growth”.

(26)

3. LITERATURE REVIEW

3.1. Grasslands

Grassland is one of the most widely distributed vegetation types worldwide and the largest ecosystems in the world with an area estimated at 40.5% of the earth’s land surface. The term grassland is defined as “land devoted to the production of forage for harvest by grazing/browsing, cutting or both, or used for agricultural purposes” (Huyghe et al., 2014b). In this sense, grassland is synonymous with pastureland. The vegetation of grasslands can include grasses, grass-like species, legumes and other forbs (Allen et al., 2011). Experts distinguish two types of grasslands based on their life span: permanent or natural and temporary or cultivated grasslands. Permanent grasslands are those which vegetation is composed of perennial or self-seeded annual and biennial forage species that may persist indefinitely. On the other hand, temporary, cultivated or artificial grasslands are composed of annual, biennial or perennial forage species kept for a short time (from only months to a few years) within crop rotation systems (Allen et al., 2011). In Europe, permanent grasslands covered 57 million ha in 2007 whereas temporary grasslands covered 10 million ha. Together, they occupy about 39% of the EU-27 total utilised agricultural area (Huyghe et al., 2014b).

In temperate regions, grasslands are multi-species plant communities dominated by grass species (Green, 1990). Both natural and cultivated grasslands are the most important sources of forage in European agricultural systems where they are exploited via mowing and grazing (Verdenal et al., 2008). They have an important role in feeding herbivores and ruminants, and provide ecosystem services such as reduction of erosion by supporting slope stability, regulating water runoffs, purifying water from fertilizers and pesticides. They are important for carbon storage in the soil (see references in Huyghe et al., 2014b). It has been proposed that they provide an ecosystem service by favouring and protecting biodiversity (Hopkins and Wilkins 2006; Huyghe et al., 2014b). However, the number of plant species in European temperate natural and cultivated grasslands remains small. Indeed, the most common grass species are perennial ryegrass (Lolium perenne L.), Italian ryegrass (Lolium

multiflorum), tall fescue (Festuca arundinacea Schreb.), cocksfoot or orchardgrass (Dactylis

glomerata L.), timothy (Phleum pratense L.), and meadow fescue (Festuca pratensis Huds.).

In permanent grasslands Agrostis spp and Kentucky bluegrass, or common meadow-grass (Poa trivialis L.) can be also found. The most common legume species in cultivated grasslands are alfalfa or lucerne (Medicago sativa L.), white clover (Trifolium repens L.) and red clover (Trifolium pratense L.).

(27)

Table 3.1. Description of the principal morphological traits of the five pasture species studied in this work.

Characteristic Poaceae Fabaceae

Lolium perenne Festuca arundinacea Dactylis glomerata Medicago ssp Onobrychis viciifolia

Height (cm) 30-100 50-110 20-120 90-100 50- 80 Root Highly branched Seminal root Adventitious root Rhizome Powerful and

long (1 m) Powerful and long (1 m)

Stout taproot, branches and few fine lateral

roots. Rhizobium nodules.

Deep Taproot, with few branches and numerous

fine lateral roots. Rhizobium nodules.

Stem Erected Erected Erected More or less dresses Erected and semi-erect.

Leaves Leaf blade wide 2-6mm,

long 3-20cm

Strongly striped and red sheath

at the base. Leaf blade folded.

3 leaflets denticulate to the upper portion and

carry at their end the micron feature

Leaves pinnate with 5-14 pairs of leaflets grouped

on long petioles.

Ligule Notched and short. Very short and greenish Very large, irregular,

white.

Spikelets or Flowers 6-10 flowers, 2 glumes, 1 lemma without awn.

4-7 flowers,Briefly aristate, long 10-15mm 3-6 flowers, Long 5-6 mm. 10-30 flowers Composed of many flowers.

Seed type (mm) Caryopsis Caryopsis Caryopsis Fruit -pod Fruit -pod

Weight of 1000 grains (g) diploid; 1.3-2.7, tetraploid; 2-4 hexaploid; 1.8-2.5 0.8-1.4 2.5 20 Seed length(mm) Seed width (mm) 5-6 2 5-6 2 5-6 1.5 2.2 2.5 2.5-4.5 1.5-2 Our populations Seed length (mm) H1 5.062 Soni 5.519 Ludac 4.291 Orca 2.667 Canto 5.622 Ploidy Diploid 2n=2x=14 Tetraploid 2n=4x=28 Hexaploid 2n=6x=42 Octoploid 2n=8x=56 Decaploid 2n=10x=70 Diploid 2n=2x=14 Tetraploid 2n=4x=28 Hexaploid2n=6x=42 Diploid 2n=2x=l6 Tetraploid 2n=4x=32 Diploid 2n=2x=l4 Tetraploid 2n=4x=28

(28)

3.2. Description and auto-ecology of species

For this work, we focused on three grasses and two legumes species. The grasses are perennial ryegrass (Lolium perenne L.), tall fescue (Festuca arundinacea Schreb.) and cocksfoot or orchardgrass (Dactylis glomerata L.). The two legumes species are alfalfa or lucerne (Medicago sativa ssp sativa and M. sativa ssp falcata) and sainfoin (Onobrychis

viciifolia Scop.). The five species are presented in the following paragraphs and some of their

features are summarized in Table 3.1.

3.2.1. Perennial ryegrass

Perennial ryegrass is a caespitose perennial and cool-season species native of Europe, temperate Asia and North Africa (Peeters, 2004). It is widely distributed around the world, including North and South America, Europe, New Zealand and Australia (Hannaway et al., 1999; Peeters, 2004; Dafwa, 2006). Perennial ryegrass is the most important forage grass species sown in temperate agriculture systems where it is exploited via grazing and mowing. Its economic value is based on its high quality feed with a very good digestibility. Indeed, perennial ryegrass shows the higher quality and quantity of the biomass harvested (Smith et al., 2001; Baert and VanWaes, 2014). Agronomists have not only improved plant yield but also resistance to diseases (Barre et al., 2006).

L. perenne is also widely used as turf-grass on sports fields in mild temperate climates, because of its fast growth (Christians, 2004). It is used in mixtures with other species such as

Festuca rubra and Poa pratensis L. (Beard, 1973).

Ryegrass’ breeding activities are important in Europe where they aim to develop genotypes with increased resistance to drought and frost (Huyghe et al., 2014a). However, pure lines or hybrid varieties have not been developed because L. perenne is an outcrossing, highly self-incompatible species. As another consequence of its reproduction system, ecotypes therefore typically show high levels of genetic variability (Thorogood, 2003).

Table (3.1) and Figure (3.1) indicate the morphological characteristics of perennial ryegrass.

Perennial ryegrass is best adapted to oceanic, mild and wet climates. A minimum precipitation range is 457-635 mm. It grows predominantly more than 8 months per year and maximum growth occurs between 20 to 25˚C. Seedling depth should be 10 mm. L. perenne

is most tolerant to both acid and alkaline soils but it grows better at pH > 4. It is indifferent to soil texture though, loams and clays are the most suitable type of soil (Hannaway et al., 1999; Peeters, 2004; Dafwa, 2006).

(29)

Figure 3.1. Morphology of Lolium perenne L. (Fiche Acta, 410 de l’Association de

(30)

3.2.2. Tall fescue

Tall fescue (Festuca arundinacea Schreb.) is a caespitose perennial cool-season grass, native of Western Europe and Northern Africa. It was introduced from Europe into North and South America (Jong Ju, 2003; Peeters, 2004). In the Poaceae family, Festuca genus is one of the largest with more than 500 species (Hand et al., 2012). Tall fescue, the most agriculturally important species of the genus is a complex of sub-species of varying ploidy levels (Table 3.1). Nevertheless, the most common type is an outbreeding allohexaploid with 2n = 6x = 42 (Hand et al., 2012). It can be hybridized with annual or perennial ryegrass for the development of festulolium (Yamada et al., 2005). It is widely used as hay, pasture and for soil conservation in temperate and Mediterranean climates.

In temperate areas, tall fescue is increasingly used as a turf species because of its heat and drought resistance compared with other perennial cool-season such as L. perenne and Poa pratensis L. (Sleper and West, 1996; Peeters, 2004). However, Mediterranean varieties are sensitive to low temperature (Peeters, 2004). On the other hand, its good resistances to extreme of heat and drought could be due to its denser root in deep soil layers compared to other grasses (Bonos et al., 2004; Deru et al., 2012).

Tall fescue can be used flexibly in various farming systems; it can be cultivated in association with legumes (Trifolium repens and T. pratense) or with other grasses for hay or silage production (Sleper and West, 1996).

The morphology of tall fescue is described in Fig. 3.2., and some of their features summarized in Table 3.1.

Tall fescue is well adapted to climatic extremes of heat, drought and cold. It grows predominantly under a minimum precipitation range between 450-500 mm. Growing season spans over 7 months per year in temperate climates and 6 months in Mediterranean conditions. Tall fescue is tolerant to acid and alkaline soils. However, it grows better at pH between 6.5 and 8. It is indifferent to soil texture. It is often found on heavy clay soils or on deep loam. Tall fescue is sown at depths of 10 mm (Hannaway et al., 1999; Peeters, 2004; Dafwa, 2006).

(31)

Figure 3.2. Morphology of Festuca arundinacea Schreb. (Fiche Acta 406 de l’Association de Coordination Technique Agricole, 1987).

(32)

3.2.3. Cocksfoot

Cocksfoot or orchardgrass (Dactylis glomerata L.) is a caespitose cool-season species native of Europe, Western Asia and Northern Africa and it has become sub cosmopolitan in temperate regions (Peeters, 2004). It is a forage crop of agronomic importance and its economic value is based on its high productivity and its high disease resistance (Peeters, 2004; Last et al., 2013). The genus Dactylis is a monospecific genus. Dactylis glomerata is divided into numerous subspecies. D. glomerata in the Mediterranean areamainly belongs to subspecies hispanica (Roth) Nyman. It is of considerable interest in breeding programs (Volaire, 1991). D. glomerata ssp. glomerata, the main sub-species, was used from 1968- 1992 by breeders at INRA in order to breed cultivars adapted to temperate climates (Mousset, 2000).

Natural population of cocksfoot are important for forage breeding because it has good plasticity and heterogeneity (Xie et al., 2012; Last et al., 2013). INRA has a rich collection of

ca.700 natural populations.

D. glomerata is used as forage and grazing worldwide owing to its good nutritive value, because it has high quality of sugar and protein contents (Míka et al., 2002). It is suitable for mixed sown with M. sativa, Trifolium pretense for hay and T. repens for grazing. It is well adapted to moderate fertility and it is a strong competitor of tall fescue (Kölliker, 1998).

Furthermore, it is not tolerant to moisture logging and wet soils (Table 3.1). In the semi-arid Mediterranean environment, D. glomerata shows a high capacity to survive under summer drought and water stress (Lelièvre et al., 2011). It responded better compared to the

T. pratense to elevated CO2 concentration in a stress free environment (Meier and Fuhrer,

1997). Cocksfoot has a greater water use efficiency compared to perennial ryegrass and festulolium hybrids (Jensen et al., 2002).

Table 3.1 and Figure 3.3 indicate the principal morphological characteristics of cocksfoot. It is well adapted to climatic extremes of heat, drought and cold. A minimum precipitation range is 425-500 mm. Growing season spans over 6 months per year. It is sown at depths of 10 mm. Cocksfoot prefers slightly acid to alkaline soils. It grows at pH >4. It is indifferent to soil texture, but is very rare or absent from peat soils (Hannaway et al., 1999; Peeters, 2004; Dafwa, 2006).

(33)

Figure 3.3. Morphology of Dactylis glomerata L. (Fiche Acta 405 de l’Association de

(34)

3.2.4. Alfalfa

Alfalfa (Medicago sativa L.), also known as lucerne, is the oldest cultivated forage crop and one of the oldest crops in the world. M sativa is a perennial forage legume that holds an important place in cultivated grasslands. Modern alfalfa is a complex of eight diploid or autotetraploid perennial and allogamous subspecies. The main subspecies are M. sativa ssp sativa and M. sativa ssp falcata. Cultivated alfalfa is an autotetraploid plant showing higher vigour than diploid subspecies. Most European varieties have undergone introgression from falcata, which provides cold tolerance and allows breeding of varieties for Northern areas (Mouttet et al., 2014). M. sativa is considered to have two centres of origin in Vavilov’s scheme. Paleontological evidence suggests that it started to be grown around 9000 years ago in Persia (see references in Mouttet et al 2014). Pliny the Elderly by the year 77 described its cultivation and use in Roma (Bostock and Riley, 1861). He called it medica and stated that it was first introduced in Greece from Media at the time of the Persian wars with King Darius (Bostock and Riley, 1861). By 1605, Olivier de Serres called it “Sain-Foin” and described its culture and use in France. He certainly took information from the text of Pliny.

de Serres (1605) stated that the species was called Sain foin en France, Herba Medica en Italy, and Luzerne in Provence and Languedoc regions. By 1773, in a French translation of Natural History of Pliny the Elderly it is well stated that the French name was Luzerne.

Today, alfalfa is grown in temperate regions worldwide for grazing, hay, silage and dehydrated pellets mainly for ruminant feeding (90%). Maximum growth of M sativa occurs around 27˚C. It requires an annual minimum precipitation above 325 mm. It is well adapted to grow in a wide range of well-drained soils (Frame, 2004; Dafwa, 2006) although it prefers slightly acid to alkaline soils.

Alfalfa is grown in pure stands and in mixtures, typically with grasses and other legumes. In 2006, it covered ca. 30 million ha around the world. The major alfalfa-producing regions are North America with 11.9 million ha (41%), Europe with 7.1 million ha (25%), South America with 7 million ha (23%) and Asia with 2.2 million ha (8%). The leading countries in terms of alfalfa acreage (in million ha) are the United States (9), Argentina (6.9), Canada (2), Russia (1.8), Italy (1.3) and China (1.3). In the absence of global consolidated production statistics, recent rough estimates suggest a direct annual world value of the alfalfa industry close to half a trillion US dollars (Mouttet et al., 2014). When the value of N2-fixing

and ecological services is included, the annual world value could exceed a trillion US dollars (Mouttet et al., 2014).

(35)

Figure 3.4. Morphology of Medicago sativa ssp sativa and M. sativa ssp falcata. (Fiches Acta 401I, 402II de l’Association de Coordination Technique Agricole; 1977).

(36)

Figure 3.5. Morphology of Medicago sativa ssp sativa (Fiches Acta, 401I, 402II de

(37)

Figure 3.6. Morphology of Onobrychis viciifolia Scop (Fiche Acta, 400 de l’Association de

Coordination Technique Agricole; 1977).

3.2.5. Sainfoin

Sainfoin (Onobrychis viciifolia Scop.) is a long-lived perennial forage species of the Fabaceae family. It is native to South Central Asia and has been grown for several hundred years in many parts of the world, including Asia, Europe and North America. Based on a

(38)

definite record, Piper (1924) suggested that the culture of sainfoin in Europe dates back to the 16th century and that it was first cultivated in Southern France by 1582. Arguably, because no references are presented, he stated that the first description of its culture dates back to 1629. However, the French Agronomist Olivier de Serres described the culture of sainfoin in 1605. At that time, this species was known as esparcet and largely cultivated in the Dauphiné region in Southeastern France. Latter it was also known as esparsette (Piper, 1924). Its current English name is derived from Old French ’sain foin’ that means ‘healthy hay’ (Hayot Carbonero et al., 2011). During the 17th and 18th centuries, sainfoin culture spread across the rest of Europe (Piper, 1924) where it became an important component of crop rotations as was suggested by de Serres (1605). In 1786, sainfoin was introduced to North America where it was often tested. However, up to the 1920’s, it never attained any agricultural importance (Piper, 1924) although it was only occasionally cultivated until the 1960’s (Hayot Carbonero et al., 2011). Availability of improved varieties allowed cultivation of sainfoin in areas of Montana and West Canada (Hayot Carbonero et al., 2011). By the turn of the 20th century, sainfoin was largely cultivated in Europe. However, as for other forage legumes, cultivation decreased concomitantly with the increasing use of inorganic nitrogen fertilizers. In the European Union, this decrease was exacerbated by the Common Agricultural Policy. Nevertheless, sainfoin represents an important forage legume in Mediterranean environments (Frame, 2004).

O. viciifolia has several advantages over other legume forages, for example, it provides a good herbage yield due to its good forage quality i.e. protein (20%) and crude fibre (25%) concentration (Tomic et al., 2005). Further, sainfoin has condensed tannins in the leaf that reduced the risk of bloat in ruminant livestock and reduced nematode parasitism in sheep. It can be used as pasture and forage (Hybner, 2013; Re et al., 2014).

O. viciifolia is grown in a wide range of climatic conditions in Europe, North America,

Asia, Australia and New Zealand. Maximum growth occurs between 18-27˚C. It has a deep root and excellent tolerance to soil moisture deficiencies. A minimum precipitation requirement is 330 mm. Although sainfoin prefers well-drained calcareous soils, it grows in neutral and alkaline soils of pH > 6.0. It is usually sown in autumn at depths from 5 to 10 mm (Hanna et al., 1980; Cash, 1982; Frame, 2004; Dafwa, 2006; Hayot Carbonero et al., 2011). Sainfoin is resistant to many pests and diseases compared with other legumes (Frame, 2004). Nitrogen fixation is lower for sainfoin compared with other perennial legumes (Frame, 2004).

(39)

3.3. Climate and Grasslands

Climate can be though as a measure of a region’s average weather over a period. It is the most important factors determining the geographical distribution of plant species and the major vegetation types of the world (Woodward, 1987), including grasslands. Climate influences plant abundance and distribution through adjustment of the balance of biological interaction between neighbouring plant species (Woodward, 1987).

Although the mechanisms connecting climate and vegetation are poorly understood, it is certain that changes in climate induce changes in vegetation (Woodward, 1987).

The International Panel on Climatic Changes (IPCC) anticipates an increase in global average and extreme temperature between 3.7 to 4.8˚C over the next 100 years (IPCC, 2014a). Temperature will be subject to larger fluctuations between years, due to a higher frequency of extreme climatic events (IPCC, 2013). The Panel concluded that changes in temperature have already had discernible impacts on many physical and biological systems.

The IPCC also anticipates changes on local levels and annual distribution of precipitation. In this context, the direct influences of climatic change on terrestrial plant communities are becoming one of the most important issues in plant ecology and agronomy.

Climate change, especially in European, is expected to provoke more frequent and more intense summer water deficits and increased amplitude in temperature (IPCC, 2014b), thus exposing perennial plants to waves of heat and drought, particularly during the summer. The study of the impacts of climate change on grasslands is receiving much attention and has becoming a topical scientific issue.

Grassland production is positively correlated with both precipitation and growing season length. However, production is less correlated with mean annual temperature. Climate change will affect positively grassland production whenever the length of the growing season increase and soil water availability would satisfy evapo-transpiration demand. On the other hand, especially under Mediterranean condition, climate change is expected to reduce production by its effects on water availability.

Finally, regardless of the type of grassland, permanent or cultivated, climate change could affect the genetic structure of the sward by its effects on seed germination and initial seedlings growth. Indeed, seed germinations and seedling growth are a major determinant of plant establishment and consequently of the genetic structure of the sward. This proposition applies when a cultivate grassland is sown and when a permanent grassland is naturally or artificially reseeded. It is expected that climate change will affect the dynamics of the soil seed-bank (Ooi, 2012).

(40)

3.4. Seed germination and heterotrophic growth

Most higher-plants species grow from seeds. The seed is the structure in which a usually fully developed plant embryo is contained (Bewley, 1997). Seed is a complex structure consisting anatomically and genetically of various parts (Figure 3.7; Limami et al., 2002).

Figure 3.7. Structure of a grass seed (Left) (after Spedding and Diekmahns, 1972) and a legumeseed (Right) (after Hall et al., 2011).

The generalized structure of a seed of grass is shown in Figure 3.8. The caryopsis consists of starchy endosperm and the embryo (Gerhard, 2007).

Figure 3.8. Diagram for meristematic cell division and the production of differentiating cells during embryo cell change (afterGerhard, 2007).

Germination has been extensively studied at agronomic, physiological and biochemical levels (Bewley, 1997;Escobar-Gutiérrez et al., 1998). Germination commences with the uptake of water by the dry seed and it is completed when the radicle or coleoptile /

Analyse de la variabilité inter- et intra-spécifique de cinq espèces prairiales en réponse à la température pendant la germination et la phase hétérotrophe initiale

THÈSE

Présentée par :

Lina Qadir AHMED

Analyse de la variabilité inter- et intra-spécifique de cinq

espèces prairiales en réponse à la température pendant la

germination et la phase hétérotrophe initiale

THESIS

By:

Lina Qadir AHMED

Analysis of inter- and intra-specific variability of five pasture

species in response to temperature during germination and

initial heterotrophic growth.

CONFÉRENCES

Communication in Congress

ACKNOWLEDGEMENTS

TABLE OF CONTENTS

LIST OF ABBREVIATIONS

RÉSUMÉ

1. INTRODUCTION

2. OBJECTIVE AND HYPOTHESIS

3. LITERATURE REVIEW