Elaboration de réponses génétiques innovantes au réchauffement climatique

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Elaboration de réponses génétiques innovantes au

réchauffement climatique

Marc Ghesquière

To cite this version:

Marc Ghesquière. Elaboration de réponses génétiques innovantes au réchauffement climatique. [Con-trat] Comité Technique Permanent de la Sélection. 2017, 27 p. �hal-01595685�

DGAL/SDQPV/BSSV/CASDAR

N° du projet :

2013 Convention C-2012-06 (programme 776 - Sous-action 01)

Titre du projet :

ELARGIR

(ELAboration de Réponses Génétiques Innovantes au Réchauffement Climatique)

COMPTE RENDU FINAL DU PROJET

Organisme chef de file :

INRA

Nom et organisme du chef de projet :

M. Ghesquière - INRA

A - Note synthétique :

Cette présentation synthétique du projet doit être rédigée de façon à être diffusable : - Rappel du contexte du projet

Le contexte du projet est celui de la production fourragère, à base d’herbe, système dont les performances à la fois économiques et environnementales ne sont plus à démontrer, et le cadre du changement climatique dont les prévisions indiquent désormais sans ambiguïté que la production agricole sera soumise à des variations annuelles et saisonnières de plus grande amplitude que par le passé et sous une température moyenne augmentée de 2 °C dans les scénarios les plus optimistes. Si la température, dans une large gamme de variation, est en soi un facteur favorable à la croissance des plantes et de production de biomasse à l’échelle des prairies, elle est fréquemment associée à une diminution des précipitations durant l’été en zone tempérée. Déficit de production annuelle du fait de périodes de sécheresse estivale prolongée et/ou plus intense mais aussi dégradation progressive du peuplement naturel ou semé sont les principaux effets attendus du réchauffement climatique sur les prairies.

L’amélioration génétique est l’une des solutions pour limiter l’impact du changement climatique sur la production fourragère. La variabilité génétique considérable des espèces fourragères permet en effet d’envisager une réponse à hauteur des enjeux et compatible avec leur terme. L’idéotype se fonde sur la phénologie des espèces, soit l’ensemble des évènements de la croissance et du développement rythmant la vie de la plante au cours d’une année, et dont il s’agit d’évaluer précisément les perspectives de modification du profil par la sélection suivant la température et les ressources prévisibles en eau. Parmi les variables cruciales de la phénologie, on identifie ainsi : la date de démarrage de la croissance et ses interactions avec la reproduction sexuée au printemps, le maintien de la croissance en début de sécheresse ou sous déficit hydrique seulement modéré en été, le développement de mécanismes de survie en cas de stress climatiques particulièrement intenses et la capacité de prolongation de la croissance aux températures intermédiaires en automne.

- Rappel des enjeux

L’un des enjeux du projet recouvre directement celui de l’amélioration des plantes, à savoir son efficacité par la production d’un progrès génétique par unité de temps, génération, ou unité économique ; outre la définition de cibles sur lesquelles porter la sélection, la variabilité génétique de ces cibles, leur déterminisme génétique plus ou moins complexe vont définir, toutes choses étant égales par ailleurs, cette efficacité ; S’y ajoutent les conditions d’expression de la variabilité génétique, dont il s’agit de s’assurer, sinon d’une identité parfaite aux conditions que subissent réellement les plantes, au moins de leur reproductibilité au cours des générations de sélection.

Les aspects de méthodologie de la sélection ont donc représenté un enjeu scientifique important du projet. Au plan de la variabilité génétique, une attention particulière a été accordée à la différenciation

naturelle des espèces fourragères et notamment en région méditerranéenne où les écotypes se caractérisent par une productivité nettement moins sensibles aux effets de la sécheresse mais également nettement inférieure à celle des populations et variétés tempérées lorsque la sécheresse reste seulement modérée. Se pose alors la question de l’intérêt de cette variabilité génétique naturellement disponible pour l’amélioration et dans un contexte climatique en évolution manifeste. Le projet a ainsi exploré comment simuler des conditions de déficit hydrique proches de celles en région méditerranéennes, notamment par l’utilisation d’abris à pluie amovibles et le suivi du dessèchement du sol par sonde à neutrons. Un proxi de la profondeur d’enracinement comme mécanisme de survie des plantes a consisté à mesurer la température de surface des feuilles par caméra thermique. Enfin, un génotypage par séquençage des plantes a été également innové pour améliorer la précision de la valeur génétique des plantes ; de façon générale chez les espèces fourragères, celle-ci reste faible quand elle est estimée seulement à partir du phénotype et d’une variabilité génétique organisée en famille demi-frères ; l’intensité de sélection réalisée au final ne peut être que faible et par voie de conséquence, le progrès génétique attendu.

- Le public cible, la zone concernée

Le public concerne directement les exploitations de polyculture – élevage reposant sur une ration fourragère à base d’herbe, à coût de production minimum et impact environnemental positif. L’introduction de prairies semées dans les systèmes agricoles à l’échelle de l’exploitation et du paysage est le levier le plus efficace pour réduire les intrants et les phytosanitaires. Cela contribue également fortement à améliorer la capacité de stockage de carbone de l’agriculture. Le projet répond au besoin de sécuriser cette production, aussi bien pour constituer des stocks de fourrages au printemps que pour le pâturage en été et automne. Les surfaces concernées actuellement en France recouvrent principalement le quart Sud-Ouest et des élevages allaitants, mais qui sont susceptibles de s’agrandir dans leur translation vers le Nord du fait du changement climatique, et en englobant la Bretagne-Normandie et leur production intensive de lait.

Au travers des destinateurs finaux du progrès génétique que sont les éleveurs, c’est aussi toute la filière semences qui est concernée, depuis les obtenteurs, demandeurs de méthodes sur les questions de sélection pour la tolérance aux stress climatiques, jusque aux institutionnels en charge de l’évaluation de la VATE pour l’inscription des variétés. Chez le dactyle, espèce bien reconnue pour valoriser les précipitations incertaines de l’été, une seule variété sur les 45 inscrites au catalogue français porte explicitement la recommandation pour une utilisation en zone méditerranéenne. Pour toutes les autres, leur tolérance à la sécheresse reste non définie comme les perspectives de progrès génétique par une sélection directe sous conditions de déficit hydrique mieux contrôlées ou mesurées. Cette recommandation pour zone méditerranéenne, c’est-à-dire après inscription sur des critères différents de ceux utilisés pour l’essentiel des variétés du catalogue, souligne bien le compromis entre productivité/pérennité chez les espèces fourragères qui impose de segmenter actuellement le processus d’évaluation et d’inscription des variétés faute d’en bien maîtriser la génétique.

- Synthèse des résultats obtenus

Deux espèces majeures de graminées ont été étudiées dans le cadre du projet, le dactyle (D. glomerata) et la fétuque élevée (F. arundinacea) dont l’intérêt est de présenter au catalogue, une variété d’origine méditerranéenne, tolérant bien de forts déficits hydriques mais insuffisamment productive lorsque la sécheresse en été est seulement modérée. Contrairement à toutes les espèces cultivées, la sélection des variétés fourragères permet de maintenir une variabilité génétique importante au sein de celles-ci; l’originalité du projet a été d’utiliser cette variabilité pour mesurer la réponse des variétés après avoir laissé agir des contraintes climatiques comme autant de pressions de sélection entre plantes de la même variété.

Les expérimentations ont comparé deux types de réponse : 1) réponse sur valeur sélective après trois années passées en peuplement dense simulant une prairie semée et application chaque année des scénarios climatiques du projet ANR/VALIDATE 2008-2010; 2) réponse par sélection intentionnelle en pépinière de plantes isolées, également au sein de chaque variété, mais sur un caractère à forte valeur sélective a priori, la précocité d’épiaison. Les expérimentations ont recouru à des dispositifs sous abris à pluie permettant de maximiser, et de comparer entre années, le déficit hydrique réalisé

de façon progressive entre mai et août sous le climat de Lusignan (Vienne). Les essais en pépinière ont fait l’objet de nouvelles méthodologies pour estimer l’alimentation hydrique des plantes à l’aide de caméra thermique embarquée sur drone. Un génotypage de marqueurs moléculaires a été également utilisé pour estimer la différenciation génétique initiale entre la variété d’origine tempérée et la variété Méditerranéenne de chaque espèce, y confronter les réponses observées chez chaque variété après scénario climatique et améliorer la précision de la valeur génétique des plantes lorsqu’elles sont observées en pépinière, sans clonage, notamment sous forme de familles demi-frères issues de polycross.

Les résultats montrent que les effets du déficit hydrique peuvent se traduire comme une pression de sélection importante au sein d’un peuplement monovariétal dense de graminées, comparable en intensité à celle que les sélectionneurs pratiquent dans leurs programmes d’amélioration et ce, en l’espace d’une seule génération. Les réponses observées correspondent à une stratégie générale d’évitement du stress climatique en réduisant la croissance ou en la reportant à une période moins contraignante, de façon à réduire les besoins en eau conditionnant directement la survie de la plante. Toutefois, les réponses restent propres à chaque espèce par les caractères qui sont mobilisés prioritairement, fonction de la sévérité du déficit hydrique et de la variabilité génétique des caractères qui reste disponible au sein de chaque variété.

L’ensemble tend aussi à montrer qu’une part de la tolérance à la sécheresse des graminées reste associée positivement à des caractéristiques de croissance et d’aptitude à la compétition, paradoxalement plutôt consommatrices d’eau, mais à condition que le déficit hydrique reste modéré et s’applique sur une variabilité génétique homogène comme au sein d’une même variété. Lorsque les variétés des deux origines sont semées en mélange équilibré dans une même parcelle, on montre que la variété méditerranéenne est rapidement supplantée par la variété tempérée chez les deux espèces, et particulièrement la fétuque élevée. Cependant, lorsque le déficit hydrique devient extrême ou que la variabilité génétique de traits majeurs a déjà été exploitée, comme dans le cas de la variété méditerranéenne très précoce de dactyle, cette relation s’inverse ; elle se renforce d’autant plus strictement que la survie des plantes est conditionnée par l’accès aux ressources en eau et/ou à son utilisation la plus économe possible ; les traits favorables à la croissance et à la productivité sont alors contre-sélectionnés.

Au plan de l’amélioration, l’étude de la réponse à la sécheresse a été approfondie par sélection divergente sur la précocité d’épiaison chez le dactyle puis croisement entre plantes soit très précoces, soit très tardives, et appartenant soit à la même variété, soit l’une à la variété tempérée et l’autre à la variété méditerranéenne. Les croisements inter-origine (F1) qui ont été observés sous abris à pluie mais pour un déficit hydrique réalisé encore en deçà du niveau moyen en région méditerranéenne, se sont montrés remarquablement les plus productifs à la repousse et sans relation étroite avec la précocité d’épiaison comme c’est le cas entre variétés pures de chaque origine. Cette complémentarité entre origines, pour ne pas dire hétérosis, relance l’intérêt de variétés hybrides de populations chez les graminées pour des objectifs d’adaptation climatique, remplacer notamment des variétés ou populations locales notoirement bien adaptées mais insuffisamment productives et/ou trop extrêmes par certains traits comme la précocité.

Les résultats rendent également crédible une amélioration par evolutionnary breeding au sein de populations recombinantes, en peuplement et soumis à des déficits hydriques variables. L’extraction d’individus du peuplement après déficit hydrique permettrait de sélectionner de nouveaux compromis productivité/pérennité peut-être mieux adaptés aux régimes hydriques annuels que nous allons connaître dans le futur.

L’alternative à cette sélection sur fitness en peuplement, et que nous avons engagé en fin de projet, consiste à réaliser une sélection individuelle sur index. Ainsi, l’intensité de la sélection sur la production de biomasse des plantes peut-elle être pondérée suivant le degré de tolérance au déficit hydrique visé, soit en tout début de l’arrêt de l’irrigation, soit à la reprise de celle-ci après 4 mois sans apport d’eau et intégrant ainsi la mortalité des plantes au pic du stress hydrique. Des coupes ultérieures permettent aussi d’envisager une valorisation de la vitesse de croissance aux T°C intermédiaires de l’automne, caractère apporté spécifiquement par l’origine méditerranéenne des parents utilisés en croisement.

Le programme d’amélioration se poursuit actuellement en partenariat avec la filiale AgriObtentions au niveau des populations F2 produites à partir des plantes F1 sélectionnées sous abris à pluie ; au plan scientifique, il s’inscrit dans un nouveau projet, CLIMAGINE, à nouveau piloté par l’unité URP3F/Lusignan dans le cadre du metaprogramme INRA/ACCAF 2017-2020.

B – Compte rendu technique détaillé I – Les modalités d’organisation

- Conventions avec les partenaires recevant des financements du CAS DAR

- convention INRA/Ministère du 14/11/2012, son avenant 1 du 29/10/2014 et son avenant 2 du 29/01/2016

- convention INRA/ARVALIS du 11/06/2014 et son avenant 1 du 20/04/2017 - convention INRA/ CIRAD du 11/06/2014

- convention INRA/ Agri-Obtentions du 11/06/2014 - Modalités de pilotage :

o comités de pilotage : dates, participants, teneur des discussions et accords obtenus sur les réorientations éventuelles du projet

o autres modalités de pilotage (groupe de travail, comité technique…) - Calendrier comparatif prévu/réalisé et analyse des écarts

- Tableau de bord de suivi des moyens mis en œuvre - Les modalités d’évaluation

Le comité de Pilotage a été composé de J-Louis Durand (Directeur de l’unité URP3F/INRA à Lusignan), Vincent Béguier (Directeur des Recherches aux Ets Jouffray-Drillaud sur le site de la Litière à St-Sauvant), Denis Leclercq (responsable du réseau VATE des espèces fourragères et d’interculture pour le GEVES à Lusignan) et de Ange-Marie Risterucci (responsable du grand plateau technique régional de génotypage au CIRAD à Montpellier), remplacé de fait par P. Mournet sur place suite à son départ à la retraite en début de projet).

II - Les partenariats :

- le rôle et l’apport de chaque partenaire

- bilan du fonctionnement des partenariats : aspects positifs et points à améliorer

Outre le partenaire INRA chef de file du projet et représenté par M. Ghesquière à l’unité URP3F à Lusignan, 4 partenaires ont été associés au projet :

Agri-Obtentions représenté par J-P Jaubertie à Guyancourt et par T. Bourgoin sur la plateforme technologique d’innovation variétale (PTIV) à Lusignan ;

L’unité EMMAH/INRA - UMR1114, représentée par F. Ruget en Avignon ;

ARVALIS, institut du végétal, représenté par Pascale Pelletier à la ferme expérimentale des Bordes à Jeu-les-Bois ;

Le CIRAD - UMR AGAP, représenté par P. Mournet au Grand Plateau Technique Régional de Génotypage de Montpellier

(la participation du CIRAD, initialement prévue comme prestataire au dépôt du projet a été revue au rang de partenaire après acceptation du projet compte-tenu du volume des dépenses engagées et de l’apport scientifique au projet)

III – Le déroulement du projet - Action par action :

o rappel des objectifs attendus figurant dans le dossier déposé et accepté par le jury o méthodes de travail utilisées

o organisation mise en place, pour le chef de file et chaque réalisateur : travail réalisé, moyens humains, matériels et financiers mobilisés

o étapes/actions et calendrier comparatif prévu/réalisé et analyse des écarts o résultats obtenus

o indicateurs de suivi o indicateurs de réalisation

Le projet s’est organisé autour de cinq actions gérées chacune de façon autonome par un partenaire. Les actions sont interconnectées par le matériel végétal et notamment les quatre variétés de graminées étudiées dans le cadre du projet ANR/VALIDATE (2008-2010) dont il constitue une suite en termes de génétique et génération de sélection (figure 1).

Pour anticiper l’impact du changement climatique sur la production fourragère, le projet VALIDATE avait choisi deux variétés, l’une d’origine tempérée et l’autre d’origine méditerranéenne, chez deux espèces de graminées fourragères pérennes, le dactyle et la fétuque élevée. Quatre scénarios climatiques avaient été simulés à Lusignan (URP3F) et Montpellier (CEFE/CNRS) en augmentant expérimentalement le déficit hydrique et la température en été1.

Figure 1 : Schéma d’ensemble des actions prévues par le projet, partenaires et agenda.

1

Poirier M, Durand JL, Volaire F (2012) Persistence and production of perennial grasses under water deficits and extreme temperatures: importance of intraspecific vs. interspecific variability. Global Change Biology, 18, 3632– 3646. doi: 10.1111/j.1365-2486.2012.02800.x

Le projet ELARGIR s’est placé en fin de projet VALIDATE au sens où une nouvelle génération des variétés semées a été produite par isolement pollinique et récolte de graines sur l’ensemble des parcelles expérimentales des 4 variétés, dans les 2 lieux d’essais et pour les 2 scénarios S1 et S2. Les 64 populations récoltées en sortie des 4 variétés du projet VALIDATE ont ainsi servi de génotypes d’entrée pour le projet ELARGIR. L’hypothèse qui a sous-tendu l’ensemble du projet ELARGIR est que les variables du climat, déficit hydrique et température, peuvent agir comme pression de sélection au sein des peuplements fourragers et en particulier, chez une même variété synthétique comme en produisent tous les sélectionneurs d’espèces fourragères dans le monde. Le projet ELARGIR a donc évalué quantitativement les changements génétiques susceptibles d’avoir résulté de ces pressions de sélection et les a comparés avec les réponses obtenues par sélection intentionnelle pour des idéotypes de plantes qui seraient à la fois plus productives et tolérantes aux conditions climatiques qui se développent.

Les cinq actions sont décrites ci-après comme elles ont été déposées et acceptées par le jury.

Action 1 : Modélisation climatique des performances Tempéré vs Méditerranéen

L’action 1 est une étude de modélisation de la saisonnalité de la production fourragère à l’aide du modèle de culture STICS ; les quatre variétés étudiées sont celles du projet VALIDATE: Centurion et Soni chez la fétuque élevée, Medly et Ludac chez le dactyle, d’origine méditerranéenne, respectivement, pour la première et tempérée pour la seconde. L’objectif est de rendre compte du déficit de production totale de l’origine méditerranéenne vis-à-vis de l’origine tempérée alors qu’un excédent de production de la part de la variété méditerranéenne est régulièrement observé lors des coupes précoces au printemps et tardives en automne. Le mécanisme peut-il en être suffisamment général pour s’appliquer aux deux espèces ? Quel est l’effet de la précocité d’épiaison qui peut être très différente entre les deux origines d’une même espèce ? Cette action est principalement alimentée en données par les résultats de l’action 2 ci-après.

Action 2 : Performance d'une série de remplacement Tempéré vs Méditerranéen

L’action 2 a pour objectif de ré-évaluer en essai la saisonnalité de la productivité des quatre variétés précédentes mais sous des conditions de déficit hydrique en été moins sévères qu’en zone méditerranéenne, éventuellement plus rigoureuses concernant les températures hivernales et, dans tous les cas, moins favorables qu’à Lusignan en matière de profondeur du sol, de réserve utile et de drainage en hiver. Pour cela, un essai à 11 variétés x 3 blocs a été implanté le 24 septembre 2013 à la Ferme expérimentale des Bordes chez le partenaire Arvalis Institut du Végétal. Le nombre de variétés a été sensiblement augmenté pour diversifier la corrélation des caractères entre variétés : ‐ variété de dactyle Currie, d’origine méditerranéenne, précoce, sélectionnée en Australie pour la

pérennité dans ces conditions ;

‐ variété de dactyle Porto, d’origine portugaise, mais tardive en démarrage en végétation comme à épiaison.

Trois variétés de fétuque élevée ont été également ajoutées :

‐ variété Verdom sélectionnée à partir d’écotypes tempérés par la société Jouffray-Drillaud pour sa pérennité ;

‐ variété Lutine, sélectionnée par l’INRA à partir d’hybrides entre origine méditerranéenne et tempérée, permettant une comparaison directe avec les variétés Soni et Centurion et d’autant plus que la date d’épiaison est extrêmement proche entre les trois variétés ;

‐ variété Guardian, de type tempéré mais à épiaison extrêmement précoce, près de trois semaines avant la variété Soni.

Pour des raisons de dimension de l’essai, la série de remplacement entre origines s’est limitée aux deux variétés les mieux étudiées des deux espèces. Deux génotypes artificiels ont été ainsi réalisés par mélange 1:1 au semis (en poids) des variétés Medly et Ludac pour le dactyle, et Centurion et Soni pour la fétuque. Pour évaluer au cours du temps l’évolution du peuplement relatif dans les deux variétés, des prélèvements de limbe ont été réalisés par URP3F dans les 3 répétitions des parcelles semées en mélange, trois mois après le semis et trois fois par an les deux années suivantes ; l’assignation à l’une ou l’autre des variétés constitutives a été faite à l’aide de 10 à 20 marqueurs

AFLP discriminants ; lors de l’extraction d’ADN, chaque limbe prélevé a eu préalablement sa longueur totale mesurée de façon à estimer la contribution des deux variétés à la repousse du mélange et à la confronter à la biomasse totale récoltée.

Action 3: Réponse génétique Tempéré vs Méditerranéen aux scénarios climatiques Cette action conduite par URP3F, s’est subdivisée en deux :

‐ Action 3.1 : L’étude expérimentale s’est concentrée sur deux des quatre scénarios climatiques appliqués à l’occasion du projet VALIDATE. Pour mémoire, un scénario S1 reproduisait la moyenne trentenaire du déficit hydrique (P-ET0) de mai à septembre dans chacun des lieux (-1060 mm à Montpellier et -762 mm à Lusignan, en cumul sur les deux années d’essai), tandis qu’un scénario S2 consistait à écarter les précipitations nocturnes au moyen de rideaux à pluie (-1252 mm à Montpellier (+ 18 % de S1) et -981 mm à Lusignan (+ 29 % de S1). En fin de projet, les récoltes de graines sur chaque parcelle expérimentale (2 lieux x 2 scénarios x 4 reps) ont ainsi produit 16 populations par variété initialement semée. La totalité des populations récoltées sur les 4 variétés (4 x 16 = 64) ont été repiquées en septembre 2011 à URP3F dans une pépinière de plantes isolées (0.70 m x 0.70 m) sous un dispositif en 3 blocs complets. De façon à constituer un témoin de la génération parentale, 4 parcelles de 10 plantes du lot initial de semences de chacune des quatre variétés ont été ajoutées aux 16 populations récoltées par variété. Parallèlement à leur « phénotypage » en 2012 et 2013 pour des caractères de phénologie, de repousse et de sensibilité aux maladies, un échantillonnage de plantes a été réalisé courant 2012 pour génotypage par le CIRAD (Action 5). L’échantillonnage a concerné l’ensemble des 4 variétés et les deux lieux de récolte des parcelles VALIDATE mais en se limitant au scénario climatique a priori le plus sévère (S2), soit, en tenant compte du témoin de la génération parentale, 3 x 60 individus pour chacune des 4 variétés.

‐ Action 3.2 : Pour découpler l’association entre l’origine géographique et la précocité d’épiaison chez le dactyle, 48 croisements intra et inter origine ont été réalisés en juin 2013 (48 croisements récoltés alternativement sur le génotype d’origine tempérée comme parent femelle et 48 sur le génotype d’origine méditerranéenne, soit 96 descendances). Quatorze de ces croisements et les deux variétés parentales témoins (Ludac et Medly) ont été implantés à l’automne 2013 sous un dispositif en pépinière de 16 abris à pluie en 4 blocs de 4 abris et sous lesquels les croisements ont été distribués aléatoirement en 4 croisements de 10 plantes par abri dans chaque bloc. Pour accentuer l’effet du déficit hydrique, l’écartement des plantes a été sensiblement réduit à 0.40 m x 0.40 m au lieu de 0.70 m x 0.70 m.

Action 4: Introgression innovante Tempéré par Méditerranéen assistée par cytométrie

L’action 4 a été également subdivisée en deux expérimentations conduites par le partenaire Agri-Obtentions sur le site de Lusignan :

‐ Action 4.1 : l’INRA de Lusignan avait entrepris un programme d’introgression du dactyle pour améliorer la production fourragère estivale. A cet effet, une prospection de populations spontanées avait été organisée en Algérie puis évaluée en pépinière de 1989 à 1991 ; ultérieurement, ces populations avaient montré un niveau chromosomique variable, de 2x à 5x, suggérant un taux d’hybridation spontané non négligeable par non réduction gamétique entre D. glomerata tétraploïde et les espèces apparentées diploïdes, D. mairei et D. castellata. Le plan de croisement de 1992, entre génotypes 4x de la population de sélection récurrente et originaires de Bretagne essentiellement, et génotypes exotiques, n’avait pu tenir compte de cette information. L’objectif de l’action 4.1 a consisté à reprendre cette étude par l’implantation au printemps 2012 d’une pépinière de 15 croisements F1 avec des génotypes d’origine portugaise et de 50 croisements avec des génotypes sélectionnés au sein des populations prospectées en Algérie, soit 2 x 65 = 130 descendances, avec une détermination du niveau chromosomique des plantes en place à l’aide d’un cytomètre à flux prévu dans le budget d’équipement du projet.

‐ Action 4.2 : Pour approfondir cette étude du matériel méditerranéen, mais au niveau tétraploïde seulement, une seconde pépinière a été installée au printemps 2014 en comprenant la totalité des 48 croisements réalisés dans les deux sens en 2013 en faisant varier l’origine des génotypes parentaux, variété Ludac pour l’origine tempérée, Medly pour l’origine méditerranéenne, et leur

précocité d’épiaison observée en 2012 en pépinière (Action 3.2). Comme pour l’action 4.1, les descendances ont été implantées dans une pépinière à écartement 0.70 m x 0.70 m en deux blocs complets et de façon à ce que les descendances correspondant aux deux sens d’un même croisement soient placées côte-à côte au sein de chaque bloc. Un sous essai de cette pépinière a consisté en la réplique des 16 descendances et témoins installés sous abri à pluie à l’automne 2013 (Action 3.2), mais en 3 blocs de 10 plantes/bloc/descendance.

Action 5: Technologie de génotypage DArT appliquée aux espèces fourragères pérennes

Cette action a été assurée par le CIRAD ; elle permet de compléter le phénotypage des individus observés en pépinière par un génotypage à de nombreux marqueurs. Cette action a été rendue possible par le développement d’une banque de marqueurs DArT chez les principales espèces fourragères (luzerne, ray-grass, dactyle et fétuque) et d’une puce à ADN de 20 x 384 marqueurs par espèce (AIP Bioressources, Département INRA/BAP, 2011). L’objectif est de compléter la détection des changements génétiques observés à l’échelle du phénotype chez les populations récoltées sur le dispositif Validate (Action 3.1) en évaluant notamment si les changements ont mobilisé préférentiellement ou non le déséquilibre de liaison entre origines géographiques au sein de chacune des espèces. Un deuxième objectif est d’évaluer le degré d’association marqueur-phénotype entre individus et le gain en prédiction des valeurs additives individuelles dans une perspective de sélection génomique. Cet aspect est particulièrement crucial pour l’amélioration de caractères adaptatifs comme la tolérance au déficit hydrique, à déterminisme complexe et dont l’évaluation phénotypique est lourde expérimentalement. Cette approche de génotypage a été aussi engagée parmi les 14 croisements tempéré x méditerranéen et 2 témoins parentaux évalués sous abris à pluie (Action 3.2).

o résultats obtenus Action 1 :

Cette action a été confiée à F. Ruget de l’unité EMMAH d’avignon en donnant lieu à une première étude de paramétrisation de la production fourragère à l’aide du modèle de culture STICS (M. Bahaddou, 2015) puis a été transférée sur l’unité INRA/URP3F de Lusignan suite au départ à la retraite de F. Ruget courant 2016. Pour cela, Serge Zaka a été recruté sur CDD du 01/01/2016 au 08/06/2016 ; S. Zaka terminait à cette époque un travail de thèse sur la réponse à la température de diverses fonctions physiologiques chez des variétés de graminées et légumineuses adaptées à des climats contrastés. Très au fait de l’utilisation du modèle STICS via notamment les relations qu’il entretenait avec F. Ruget, S. Zaka a pu rapidement s’approprier le travail qui lui était proposé dans le cadre du projet Elargir.

Contrairement à ce qui était attendu, S. Zaka a montré au cours de sa thèse2 que la réponse à la température de la croissance foliaire ne permettait pas de différencier les écotypes méditerranéens des tempérés, en particulier que les premiers ne poussaient pas plus vite que les seconds à basse température (figure 2). Une nouvelle approche a été explorée sous l’angle de la photopériode et de la réponse de l’efficience d’utilisation du rayonnement du couvert (RUE). Sous cette hypothèse, les écotypes méditerranéens ont un seuil photopériodique (durée du jour pour laquelle la croissance aérienne est la plus rapide), plus bas que les écotypes tempérés permettant de rendre compte d’une croissance foliaire plus précoce en fin d’hiver. Ce seuil photopériodique expliquerait aussi que l'efficience de conversion du rayonnement solaire absorbé en biomasse aérienne soit relativement plus faible au cours du printemps chez la fétuque méditerranéenne, pour une date d’épiaison inchangée, ainsi que la production de biomasse en été. L’ensemble confèrerait à la variété d’origine Méditerranéenne une tolérance nettement plus élevée que celle des variétés classiques de fétuque élevée, toutes d’origine tempérée, et notamment en cas de déficit hydrique exceptionnellement intense.

2

S. Zaka a soutenu le 30 mars 2016 à l’unité P3F la thèse intitulée « Caractérisation et modélisation des réponses à la température de la luzerne et de la fétuque élevée pour des variétés d’origines contrastées - Application du modèle STICS ».

Les résultats de l’action 2 (essai de Arvalis à Jeu-Les-Bois) ont servi de base de données pour calibrer le modèle STICS sous cette hypothèse et produire des simulations à partir des projections climatiques 2000-2050 et 2070-2100 des 12 lieux de référence du projet CLIMATOR3.

Figure 2: Identité de la réponse de la vitesse de croissance foliaire à la température chez la fétuque élevée entre origine méditerranéenne (Cv Centurion, gauche) et origine tempérée (Cv Soni, droite).

Il a été possible de confirmer que le seuil P-ET0 de - 500 mm de déficit hydrique de mai à septembre isolé par Poirier et al. (2012) est un critère de différenciation majeur entre les deux origines de fétuque. Cependant, les projections agroclimatiques que nous avons simulées pour un scénario climatique à delta T de + 4 °C montrent que les limites géographiques de ce seuil en France ne devraient que rarement dépasser (1 année sur 20) celles de la région méditerranéenne actuelle. En précisant ainsi les domaines d’adaptation futurs des deux origines de fétuque et pour quelle composante de la phénologie, il devient possible de définir l’idéotype sur lequel l’amélioration doit faire porter son effort de sélection.

Action 2 :

Les 3 années de l’essai conduit par Arvalis à Jeu-les-Bois ont été climatiquement très différentes (Tableau 1). L’année 2014, précoce sur le plan des sommes de températures, se caractérise par un printemps légèrement plus sec que la moyenne, un été très pluvieux et un automne 2014 2015 2016 Moy. 1983-2013 (ET) Précipitations (mm) - Printemps (P) 159 159 277 206 (62) - Eté (E) 314 130 56 177 (60) - Automne (A) 192 113 155 205 (58) Σ (P+E+A) 665 402 488 588 (86) Total annuel 837 557 705 753 (99)

Dates d’atteintes de ΣT (base 1/02)

200 °.j 26 février 12 mars 3 mars 9 mars (9 j) 350 °.j 17 mars 31 mars 27 mars 27 mars (10 j) 750 °.j 23 avril 2 mai 7 mai 4 mai (7 j) P-ETP (mm) Printemps -132 -134 57 -76 (88) Eté 6 -242 -292 -184 (75) Automne 122 47 89 132 (62) Σ (P+E+A) -4 -329 -146 -128 (131) Total annuel 92 -228 10 25 (152)

Tableau 1: Caractéristiques des années climatiques durant l’essai mené sur le site de Bordes à Jeu-les-Bois.

Données source Météo France (traitement Arvalis – Institut du végétal).

3

Brisson N., Levrault F. (2010) Synthèse du projet Climator (2007-2010), ADEME, ISBN 978-2-35838-128-4, 336 p.

dans les normales : cela explique la productivité exceptionnelle en 6 coupes (productions annuelles moyennes de 18,9 et 15,7 t MS/ha respectivement pour les fétuques élevées et les dactyles).

L’année 2015 a été une année très sèche (~ -200 mm par rapport à la moyenne 83-2013), mais dans les normales en termes de sommes de température. Les rendements ont donc été pénalisé (11,1 et 9,3 t MS/ha resp. pour les fétuques et dactyles sur 5 coupes). La dernière année d’essai a combiné deux aléas extrêmes : un printemps extrêmement pluvieux (+71 mm par rapport à la moyenne 83-2013) et à l’inverse, une période estivale encore plus sèche qu’en 2015 (-121 mm par rapport à la moyenne 83-2013), ce qui a de nouveau eu un impact négatif sur les productions moyennes annuelles des deux espèces (resp. 11,3 et 9 t MS/ha pour les fétuques et dactyles sur 4 coupes). Les principaux résultats par variété en 2014 et 2015 sont brièvement décrits dans la figure 3. Chez le dactyle, la variété Porto, non méditerranéenne s.s. et tardive à la fois en démarrage en végétation et à épiaison, s’est montrée peu productive en total annuel avec un rendement essentiellement concentré à la deuxième coupe. La productivité totale de la variété Medly, typiquement méditerranéenne, a été observée nettement supérieure à celle de Porto et du même niveau que la variété tempérée témoin, Ludac.

Figure 3: Productivité annuelle comparée de 5 variétés de Fétuque élevée et 4 variétés de Dactyle et de leur mélange 1:1 d’une variété Méditerranéenne et Tempérée, essai de Jeu- Les-Bois (Arvalis Institut du Végétal). Les variétés sont classées dans l’ordre croissant de productivité totale avec le rendement de chacune des 5 coupes en %. Les flèches en bleu indiquent les dates de prélèvement dans les mélanges pour détermination de la composition en variété Méditerranéenne vs Tempérée à la repousse 2, 4 et 5.

La saisonnalité de croissance de la variété Medly vis-à-vis de Ludac a été surtout observée à la deuxième coupe, à épis, et négativement du fait de la précocité de cette variété (- 8 %) ; elle est apparue cependant positive, bien que faiblement, à la première coupe (+5%) et à la dernière coupe (+2%). Plus intéressant est le mélange des deux variétés qui dépassent de 6% la productivité totale des deux variétés constitutives et en se concentrant à la deuxième coupe.

Chez la fétuque élevée, le contraste de la productivité totale entre méditerranéenne et tempéré (Cv Centurion vs Soni) est nettement plus marqué que chez le dactyle, avec un net déficit pour la première, 84 sur une base 100=Soni. La productivité du mélange 1:1 des deux variétés et de leur hybride (Cv Lutine) est voisine et pratiquement identique à la valeur moyenne des deux variétés. La saisonnalité de la variété méditerranéenne est nettement plus marquée chez la fétuque que chez le dactyle en se reportant principalement aux deux dernières coupes d’automne. Le déficit de production annuelle de la variété méditerranéenne vis-à-vis de la variété tempérée tient alors essentiellement au déficit de rendement à la 2ème coupe au printemps et il est d’autant plus significatif que les deux variétés sont de précocité à épiaison identique.

Parallèlement, les prélèvements de limbes dans les parcelles en mélange ont été réalisés par URP3F en 7 passages et le génotypage par marquage AFLP, complètement achevé en début d’année 2016. L’ensemble du profil depuis le semis ne montre une augmentation relative du constituant méditerranéen qu’au 1er

prélèvement ; celui réalisé le 17 déc embre 2013, trois mois après le semis. Chez le dactyle, le ratio des deux variétés revient à 1:1 lors du prélèvement d’avril à l’épiaison pour se stabiliser à environ 30 % et jusqu’en fin de prélèvement. Cette évolution est bien plus drastique chez la fétuque élevée puisque la variété méditerranéenne Centurion n’est pratiquement plus échantillonnée à partir du 2ème prélèvement en Avril 2014 et ce, jusqu’au dernier prélèvement en octobre 2015.

Le rapprochement de la composition du mélange avec la productivité suggère un comportement relatif des deux variétés en mélange assez différent entre les deux espèces. Bien que très présente en terme de couverture du sol (et de réduction de l’envahissement par le rumex notamment), la variété Centurion reste très peu compétitive vis-à-vis de la variété Soni et ne doit plus contribuer à la productivité du mélange que de façon insignifiante. Cela ne l’empêche pas d’avoir un effet négatif très significatif sur son partenaire dominant puisque le mélange accuse un déficit de 6% de productivité par rapport à la variété Soni en pur. Chez le dactyle, une complémentarité plutôt qu’un antagonisme semble s’exprimer au sens où le mélange a présenté une productivité supérieure à celle de chacune de ses variétés constitutives. Une hypothèse est alors que c’est le décalage de phénologie au printemps entre les deux variétés qui a permis une productivité supérieure à la meilleure variété en pur malgré le ratio 3:7 observé sur la base du génotypage.

Compte-tenu de ces résultats et de l’enveloppe budgétaire, les prélèvements en mélange pour génotypage n’ont pas été poursuivis en 2016 tandis qu’une troisième campagne de coupes a été réalisée par Arvalis pour confirmer les tendances observées au champ. Pour les dactyles, l’ordre de rendements des variétés est un peu changé par rapport à 2015, mais Currie reste toujours la variété la moins productive (7,9 t MS/ha) et a de nouveau décroché par rapport aux autres variétés et au mélange (-1 t MS/ha par rapport à la moyenne). En fétuque élevée, la production moyenne est de 11,3 t MS/ha. Seul l’écotype Verdom est très en-dessous de cette valeur avec moins de 9,5 t MS/ha (-16%). Le mélange Soni – Centurion a très légèrement moins produit (-4%) que Soni et Gardian, les 2 meilleures variétés encore en 2016 avec 12 t MS/ha. La meilleure productivité des variétés tempérées sur les méditerranéennes (Centurion) ou issu de croisement (Lutine) est encore notable cette année puisque ce sont Soni et Gardian qui sont les plus productives, mais les écarts avec Lutine et Centurion sont malgré tout très ténus cette année (-2%).

Les résultats sont encore en cours de traitement. Une valorisation de l’essai par le biais d’un article dans la revue Fourrages de l’association française pour la production fourragère (AFPF) est envisagée en 2018.

Action 3.1 :

Les observations en pépinière des populations récoltées à Lusignan et Montpellier en fin de de projet Validate ont été réalisées au cours des années 2012 et 2103, date d’épiaison et hauteur à floraison au printemps, sensibilité à la rouille, remontaison en été, repousse feuillue en automne. L’exploitation statistique des données phénotypiques a été complètement achevée en 2014. Une

Figure 4: Evolution de la fréquence de la variété Méditerranéenne et tempérée dans un mélange monospécifique binaire 1:1 de dactyle (Medly vs

Ludac) et fétuque élevée (Centurion vs Soni),

communication internationale partielle en a été donnée à l’occasion de la réunion de la Section Eucarpia des plantes fourragères en Serbie du 12 au 16 mai 2013, puis reprise pour le colloque Climagie (metaprogramme ACCAF/INRA) organisé par l’unité à Poitiers les 16 et 17 novembre 2015. Les résultats sont présentés globalement dans la figure 5 sous forme de profils de réponses standardisées et donc comparables entre variétés, combinaisons lieu x scénario et caractères. Sur l’ensemble des 232 contrastes testés à un risque de 0.05, 42 % correspondent à une réponse significative des populations récoltées par rapport à la génération précédente des variétés. Le taux de réponses significatives est un peu plus élevé chez la fétuque (47 %) que chez le dactyle (37 %) mais surtout plus contrasté entre origines. Ainsi, la variété méditerranéenne de fétuque élevée (Centurion) s’est montrée plus réactive que la variété tempérée Soni (53 % contre 40 %), à l’inverse du dactyle avec 32 % contre 41 % pour chaque origine, et respectivement, chez cette espèce. La direction des réponses et la nature des caractères concernés sont également discriminantes ; seules les réponses chez le dactyle tempéré Ludac sont équilibrées dans les deux sens (11+ vs 12-), pour devenir majoritairement négatives chez la variété tempérée de fétuque Soni (9+ vs 15-) et atteindre 73 % et 87 % de réponses négatives chez les deux variétés méditerranéennes, Medly et surtout Centurion chez la fétuque élevée.

La date d’épiaison et la hauteur des plantes à floraison sont les variables en pépinière qui ont le plus changé chez le dactyle ainsi que la biomasse végétative par plante en bac, mais en direction opposée entre les deux variétés : évolution vers une plus grande précocité chez la variété tempérée, une plus grande hauteur en pépinière et une biomasse végétative accumulée au printemps augmentée. Chez la variété méditerranéenne Medly, ces variables ont répondu soit de façon opposée entre lieux (date d’épiaison), soit par la négative (biomasse en bac).

Lorsque les réponses sont significatives chez le dactyle, la plupart sont unidirectionnelles pour un caractère donné avec, dans certains cas, une intensité de la réponse proportionnelle à l’intensité du stress hydrique a priori. Toutefois, c’est la localisation de l’essai, Montpellier vs Lusignan, qui est restée déterminante de l’intensité de la réponse devant le scénario S1 vs S2 appliqué dans un lieu donné. La date d’épiaison chez la variété Medly constitue un rare cas de réponse divergente entre

lieux, et pour les deux années d’observation, en étant plus précoce à Lusignan mais plus tardive à Montpellier.

Figure 5 : Profils de réponses phénotypiques chez deux variétés tempérées et Méditerranéennes de dactyle et fétuque élevée pour 12 caractères observés en pépinière en 2012 et 2013 et 3 caractères observés en bac sous serre en 2012. Pour chaque caractère, les 4 réponses lieux x scenarios sont ordonnées de gauche à droite dans le sens croissant du déficit hydrique ; les réponses significatives (p < 0.05) sont indiquées par des barres pleines.

Chez la fétuque, la variété tempérée se caractérise surtout par une opposition de la croissance et de la taille des plantes observées en pépinière, et donc induites à floraison, avec celles des plantes non vernalisées observées en bac, l’ensemble pour une réponse de la date d’épiaison seulement un peu plus précoce en deuxième année d’observation. De façon assez remarquable, les populations récoltées sur la variété Soni présentent une intensité de la remontaison en été nettement augmentée, tout scénario et lieu confondus. La variété méditerranéenne Centurion, identifiée précédemment comme la variété chez laquelle un maximum de réponses significatives négatives a été observé, amplifie encore le profil observé chez Soni par des réponses souvent plus élevées à Montpellier qu’à Lusignan, voire des situations de réponses divergentes entre les deux lieux : longueur des feuilles étirées en automne en 2012, densité de la repousse en 2012 et 2013.

De façon générale, il est intéressant de noter que les réponses observées au sein des variétés sont cohérentes avec des mécanismes d’évitement au stress (précocité d’épiaison) ou de report de la croissance à des périodes réalisant un meilleur compromis physiologique (températures plus fraîches de l’automne mais sans déficit hydrique), mécanismes reproduisant, en raccourci, l’évolution naturelle qui s’est opérée de façon caractéristique non seulement chez les graminées pérennes mais aussi chez bon nombre d’espèces végétales en région méditerranéenne.

Les résultats soulignent que le déficit hydrique peut être en lui-même une source de pression de sélection non négligeable au sein d’une même variété de graminées, sur une seule génération de reproduction, avec un profil de réponses phénotypiques dépendant à la fois de l’espèce considérée, de l’origine géographique des variétés et de leur variabilité génétique propre (ce dernier niveau étant mieux appréhendé à l’aide de la fréquence à de nombreux marqueurs moléculaires, cf Action 5.). La reproduction sexuée et la phénologie semblent être ainsi des traits de fitness essentiels chez le dactyle mais dont la variabilité génétique chez la variété méditerranéenne qui a été étudiée peut déjà

constituer une limite. La réponse de la croissance à la température semble au contraire une variable plus sensible chez la fétuque élevée avec une origine méditerranéenne encore susceptible de fortes réponses génétiques, et différenciées suivant l’intensité du déficit hydrique.

Ces réponses, bien qu’appréciées de façon multi-variables, restent globales et peuvent masquer d’autres relations fonctionnelles comme génétiques entre caractères ; en particulier, avec le système racinaire ou encore avec l’aptitude à la compétition entre les plantes du peuplement lorsque le déficit hydrique ne se fait pas encore, ou suffisamment, sentir. Il est ainsi vraisemblable que la réaction au déficit hydrique ne mette pas seulement en jeu des traits relatifs au fonctionnement hydrique des plantes, et au moment du plus fort déficit, mais aussi, plus indirectement, des traits s’exprimant bien avant tout développement de la sécheresse. C’est ce qui a justifié l’approche expérimentale développée dans l’Action 3.2 ou la précocité d’épiaison a été découplée de l’origine géographique chez le dactyle par sélection dans la pépinière d’individus les plus contrastés suivant la date d’épiaison, croisement intra et inter origine puis étude sous abris à pluie des populations F1 produites. Action 3.2 :

Le dispositif sous abris à pluie a été conduit en 2015 pratiquement à l’identique de 2014 et heureusement, sans l’incident météorologique du mois de juin 2014 ; les observations plante à plante ont été réalisées pour les mêmes caractères : biomasse totale, longueur de feuilles étirées, teneur en glucides solubles. Les rideaux automatiques ont pu être mis en place de façon beaucoup plus précoce qu’en 2014 pour amener, sur une période sensiblement identique de 4 mois, le déficit hydrique à une valeur nettement plus importante, grâce aussi à des températures plus élevées notamment au mois de juillet (Figure 6).

Figure 6 Déficit hydrique de -160 mm (P-ET0) cumulé entre le 10 juin et le 5 Oct. 2014, et -528 mm (P-ET0) cumulé entre le 1er Avril et le 31 Août 2015

L’observation de la date de précocité en 2014 qui avait conduit à moduler la date de la 1ère

coupe en fonction de la précocité à épiaison de chaque croisement, n’a pas été renouvelée en 2015. Après une première coupe uniforme et sans stress hydrique, l’ensemble des plantes ont été coupées deux fois, avec un développement progressif du déficit hydrique à partir de la mise en place des abris à pluie le 1er Avril, bien en phase avec des conditions de sécheresse naturelle. Au 30 juin, un cliché par caméra thermique a pu être réalisé sous une température ambiante qui n’avait jamais pu être atteinte lors des 6 dates de prises de vues en 2014. Après remise en eau du dispositif expérimental fin Août, la récupération des plantes a été évaluée par une coupe après six semaines de repousse et pesée de la biomasse produite.

Malgré un déficit hydrique nettement plus intense qu’en 2014, pratiquement aucune mortalité individuelle de plante n’a été observée tandis qu’une variabilité en biomasse de la repousse, consécutive à une forte mortalité de talles au sein de chacune des plantes, s’est exprimée dans un rapport voisin de 1 à 3 (Figure 7).

Figure 7 Effet de la précocité d’épiaison sur l’augmentation de température de la surface foliaire de dactyle (gauche) après 3 mois d’écart des précipitations (P-ET0 = - 338 mm) du 1er

Avril au 30 juin et sur la biomasse de la repousse (droite) après 5 mois d’écart des précipitations (P-ET0 = - 528 mm) du 1er

Avril au 31 Août sous abris à pluie à Lusignan. Moyenne de 40 plantes par population, 4 populations produites par croisement au sein de la variété Méditerranéenne Medly, 4 populations produites par croisement au sein de la variété tempérée Ludac et 6 populations par croisement entre origines Medly x Ludac.

De façon assez inattendue, ce sont les croisements intra-Méditerranéens qui ont montré un Delta de température de surface foliaire le plus élevé, interprété comme un accès aux ressources en eau par le système racinaire plus limité, alors que les dactyles de cette origine font preuve d’une tolérance à la sécheresse manifeste. De plus, au sein de chaque type de croisement, la précocité d’épiaison n’apparait plus corrélée à la réponse de la température de surface foliaire alors qu’on pouvait supposer qu’une épiaison précoce contribue à maintenir un système racinaire plus profond et limite les effets du déficit hydrique. Une analyse en modèle mixte de la biomasse de la repousse à l’aide de 4 co-variables observées au plus tard à mi-temps de la disposition des abris à pluie : précocité d’épiaison, biomasse à la première coupe, Delta de T°C de surface foliaire et nombre de pixels utilisés pour la détermination du Delta T°C, indique clairement que la variabilité génétique de la réponse au déficit hydrique, dans les conditions où elles ont été expérimentées, est bien plus indépendante de l’origine géographique des parents des croisements et même de leur précocité dont le contraste avait pourtant été augmenté par sélection au sein de chacune d’elles. Ainsi, dans un modèle où globalement la variabilité entre plantes prédomine très largement (r² = 0.175), c’est encore la biomasse produite au printemps, c’est-à-dire avant tout déficit hydrique notable, qui reste le meilleur prédicteur de la biomasse de la repousse après 5 mois sans aucun apport d’eau.

Le calcul des paramètres génétiques montre une héritabilité élevée de la mesure de biomasse avant et après déficit hydrique (figure 8). Si la variance génétique entre croisements est réduite d’un facteur 4 environ après déficit hydrique, la corrélation génétique reste positive de sorte qu’une sélection massale sur la productivité, et sans fort compromis entre les deux régimes hydriques, est envisageable. La productivité totale annuelle incluant des périodes de sécheresse apparait ainsi comme un index de sélection empirique assez naturel pour augmenter la réponse de la biomasse après une période de déficit hydrique mais qu’il reste susceptible de moduler suivant l’objectif.

Chez le ray-grass anglais, une étude antérieure du progrès génétique de la productivité n’avait pas montré de réponses significative aux coupes de printemps alors que positivement aux coupes d’été et surtout d’automne, c’est-à- dire incluant nécessairement des périodes de stress hydriques plus ou

moins intenses ou prolongées4 Si l’on relie ces observations, cela inciterait à utiliser la productivité au printemps non plus comme un objectif de sélection en soi mais comme un critère indirect pour augmenter l’efficacité de l’amélioration de la productivité en été ; pratiquement, en retenant parmi les plantes dont la biomasse de la repousse après l’été a été la plus élevée, celles qui ont été les plus productives aussi au printemps (à même précocité d’épiaison).

Cette hypothèse nécessite d’être confirmée en conditions agronomiques, c’est-à-dire de peuplement dense dans des parcelles soumises à des déficits hydriques au champ et d’intensité variable. D’autre part, l’étendue de la variabilité génétique qui a été observée ici, entre deux origines contrastées de dactyle, tend à maximiser la variation des caractères et rendre les corrélations positives. On remarque cependant que l’ensemble des croisements intra-Méditerranéens reste d’un potentiel de productivité inférieur en moyenne à celui de l’origine tempéré tandis qu’on peut trouver des croisements entre les deux origines optimisant la réponse de la biomasse aux deux régimes hydriques. Ces questions ont motivé la sélection en fin d’essai de 39 plantes au sein des 14 croisements et témoins des deux origines observés sous les abris à pluie. Les croisements F2 par paires ont été réalisés en 2016, ils permettront d’évaluer la réponse d’une sélection sur un critère de productivité totale et sous ces conditions, ainsi que l’intérêt d’une introgression de plantes d’origine méditerranéenne.

Action 4.1 :

La variabilité du niveau chromosomique des populations d’origine Algérienne imposait de le vérifier parmi les croisements évalués dans la pépinière de l’action 4.1. Un cytomètre à flux CyFlow space LED UV (Société Partec) a été acquis en 2013 dans ce but, avec un complément de financement par le Contrat de Plan Etat-Région Poitou-Charentes et du département BAP de l’INRA, puis rendu opérationnel courant 2014.

Pour des raisons de disponibilités de personnel, la détermination du niveau de ploïdie des plantes en pépinière n’a pu être entreprise qu’au printemps 2015. C’est une détermination globale des croisements qui a alors été effectuée, par hachage en mélange, et approximativement équilibré, de feuilles prélevées sur 2 à 10 individus d’une ligne de 10 plantes d’un même croisement dans la pépinière. Parmi les 50 croisements F1 avec des parents d’origine Algérienne, et pour les deux sens de croisement, 49 ont été échantillonnés à l’aide de 1 à 5 lignes par sens de croisement, soit un total de 111 mélanges passés au cytomètre.

4

Sampoux, J. P., Baudouin, P., Bayle, B., Beguier, V., Bourdon, P., Chosson, J.-F., Deneufbourg, F., Galbrun, C., Ghesquière, M., Noel, D., Pietraszek, W., Tharel, B., Viguie, A. (2011). Breeding perennial grasses for forage usage: An experimental assessment of trait changes in diploid perennial ryegrass (Lolium perenne L.) cultivars released in the last four decades. Field Crops Research, 123 (2), 117 - 129. DOI : 10.1016/j.fcr.2011.05.007

Figure 8 : Valeur génétique individuelle de la biomasse aérienne chez des plantes de dactyle (g MS/plante) récoltées au printemps et à la repousse après cinq mois d’écart des précipitations sous abris à pluie automatiques à Lusignan (P-ET0 = 528 mm). 14 croisements intra- et inter-origine entre 2 variétés témoins d’origine Méditerranéenne et précoce à épiaison (Medly) ou tempérée et tardive (Ludac); 40 plantes par croisement et témoin. Héritabilité s.s. de 0.62 au printemps et 0.36 à la repousse pour une corrélation génétique de 0.30.

Parmi les 111 lignes, nous avons observé que :

- 96 lignes, soit 39 croisements, ont donné un seul pic dans la distribution de l’intensité de la fluorescence en sortie du cytomètre et sont ainsi présumés d’un niveau de ploïdie homogène ; o 43 lignes correspondent à 32 croisements dont le parent femelle est d’origine

algérienne et suspecté d’être d’un niveau de ploïdie 2x, voire 3x;

o 53 lignes correspondent à 37 croisements dont le parent femelle est issu de la population de sélection récurrente poursuivie à Lusignan, et donc nécessairement d’un niveau 4x (30 croisements permettent de comparer le mode du pic de fluorescence entre les deux sens).

En revanche :

- 15 lignes, soit 10 croisements, ont donné 2 pics et dans un cas, trois pics (croisement n° 47 dans la numérotation de 1992) :

o 7 lignes dans le sens Algérien x Récurrente (8 croisements) ;

o 8 lignes dans le sens Récurrente x Algérien (10 croisements), dont 8 croisements dans les deux sens.

Pour comparer les croisements, le mode moyen du, ou des pics, a été calculé pour toutes les lignes d’un même croisement (et pondéré par les effectifs de chaque ligne) et un intervalle de confiance déterminé à partir du coefficient de variation (CV) moyen des modes entre lignes (Figure 9) Pour les témoins de niveaux de ploïdie, plantes 2x ou 4x maintenues à l’état de clones et testées à l’identique à chaque série d’analyses et/ou date de prélèvement donnée, c’est la moyenne et la variance des modes entre dates qui ont été utilisées (6 et 5 valeurs resp.) et non le CV moyen des modes.

Figure 9 : Mode du pic de fluorescence observé par cytométrie en flux chez des croisements, dans les deux sens, entre dactyles issus de la sélection récurrente 4x ou d’origine Algérienne et présumés de niveau 2x à 3x. Les croisements marqués par un symbole de grande taille (n°32–52–22-22-31) dérivent de populations algériennes où des individus 3x ont été détectés.

En classant les 37 croisements Tempéré x Algérien chez lesquels un seul pic a été détecté, et suivant un mode croissant, on note que la variation est continue entre les témoins de niveau de ploïdie connu. Ainsi, 10 croisements apparaissent de niveau 4x, 18 sont 3x et 9, 2x.

Dans l’autre sens, sur 32 croisements, 12 apparaissent 4x, 11 sont 3x et 9 croisements, 2x, avec cependant, une relation assez lâche du mode entre les deux sens de croisement (Figure 9). Le mode tendrait même à être un peu supérieur lorsque le parent d’origine Algérienne a été utilisé comme femelle alors qu’on aurait pu s’attendre du contraire, en raison du niveau présumé 2x à 3x du parent Algérien.

Au final, seulement de 10/37 à 12/32 (32 %) des parents utilisés en croisement en 1992 seraient compatibles avec un niveau 4x, tandis que 6 croisements (n° 19-23-24-25-32-38) présentent un mode moyen significativement inférieur, et pour les deux sens de croisement, au point que l’on peut se poser la question s’il ne correspondrait pas à un niveau 3x. Si cela était le cas, il faudrait imaginer un fort taux d’introgression des populations de dactyle en Algérie par les espèces diploïdes apparentées, grâce à un processus d’hybridation interspécifique constamment renouvelé et en fréquence élevée à chaque génération.

Cependant, d’après les déterminations chromosomiques par comptage des populations parentales de ces 6 croisements, toutes les plantes analysées sont apparues au moins de niveau 3x mais jamais 2x. D’autre part, la précision du mode entre croisements par le CV

moyen est considérablement surestimée compte-tenu de la variation entre lignes d’un même croisement incluant inévitablement la date de prélèvement. Des essais préliminaires avaient montré que l’on pouvait détecter nettement la présence de deux à trois pics dans un même mélange mais à condition d’effectuer la totalité du protocole expérimental en un seul prélèvement et un même jour. Aussi semble-t-il plus prudent de considérer que l’ensemble de ces 39 croisements pour lequel un seul pic est apparu au cytomètre sont en réalité homogènes d’un point de vue chromosomique, et de niveau 4x a priori.

Dans le cas des 10 croisements où deux à trois pic ont été observés dans le mélange, l’intervalle de confiance du mode moyen de chaque pic a été calculé en tenant compte de la variabilité entre lignes/dates de prélèvement, en plus du CV propre à chaque détermination d’un pic. Les intervalles de confiance autour des modes moyens sont alors très grands au point qu’il est difficile de dire s’il s’agit d’un mélange 3x-4x ou 2x-3x. La fréquence relative des deux pics montrent que dans 8 cas sur 10, c’est le pic de mode le plus faible (2x) qui est le plus représenté en moyenne dans le mélange (> 0.65). D’autre part, toutes les populations Algériennes d’où ont été tirées les parents des croisements avaient été repérées par comptage, soit comme homogènes à 2x, soit, et pour moitié, comme un mélange 2x-3x mais jamais 4x ou plus. On peut être alors plus assuré de se trouver en situation d’introgression au sein de 8 de ces 10 croisements (n° 20-21-39-41-43-47-53 et 59), en particulier le n° 47 où 3 pics ont été clairement observés.

Ceci étant, les difficultés rencontrées soulignent la grande variation expérimentale de la détermination du niveau de ploïdie par cytométrie, en relation avec l’âge des plantes, l’état/la nature des feuilles prélevées et la date du prélèvement. Toujours est-il que ce premier tri parmi les croisements de 1992 permet de poursuivre l’étude de l’introgression par cytométrie en augmentant significativement les chances de détection d’évènements cytogénétiques ; elle serait alors à reprendre sur des germinations, stade reconnu comme étant le plus adapté à la cytométrie en flux chez les graminées mais qu’il n’a pas été possible d’appliquer ici lors du repiquage de la pépinière en 2012.

Figure 10: Mode et fréquence des pics de fluorescence observés par cytométrie en flux dans des croisements de dactyle où l’un des géniteurs est d’origine Algérienne et où plus d’un niveau de ploïdie a été détecté. Le mode est une moyenne entre des déterminations effectuées par mélange de plusieurs individus par ligne de 10 plantes en pépinière. La fréquence des modes est calculée à partir de la moyenne pondérée du nombre de cellules par mode comptées par le cytomètre.

Fin 2015, une sélection des plantes les plus intéressantes d’un point de vue agronomique a été réalisée par le partenaire Agri-Obtentions, dont certaines suspectées d’un niveau 3x. L’étude des descendances du polycross, et sur germination, permettra de confirmer le niveau de ploïdie des plantes-mères sélectionnées, évaluer en particulier si un niveau 3x n’affecte pas leur production de semences.

Action 4.2 :

La pépinière constituant le support expérimental de cette action suivie par le partenaire Agri-Obtentions a été installée au printemps 2014 et suivie régulièrement jusqu’aux notations de sortie d’hiver 2016. Aux observations individuelles pour un ensemble de caractères associés directement à la tolérance au déficit hydrique et/ou à la productivité (alternativité, précocité d’épiaison, remontaison, hauteur à floraison ainsi que différentes mesures et notations de repousse végétative au cours de l’année), une prise de vue par caméra thermique de l’ensemble de la pépinière a été effectuée durant l’été en 2014 et 2015, et simultanément aux abris à pluie. De la même façon, la biomasse de la repousse en Juillet 2015 a été mesurée dans le sous-essai correspondant à la réplique des croisements et témoins observés sous abris à pluie.

Une première sélection des plantes les moins remontantes et sensibles à la rouille et les plus repoussantes en automne 2014 a été complétée par une seconde sélection sur la date d’épiaison au cours du printemps 2015 afin de poursuivre la production de populations F2 recombinant origine géographique et précocité chez le dactyle. Au total, 6 polycross (Tempéré – Méditerranéen – Tempéré x Méditerranéen) x (précoce – tardif), plus un polycross plus rapidement valorisable à court terme au plan variétal, ont été installés et leur descendances (de 10 à 22 par polycross) récoltées individuellement dans l’été 2015. Dans la perspective d’essais de productivité fourragère en parcelle, la récolte M1 des 7 polycross a été implantée à l’automne 2015 pour multiplication et récolte en 2016. L’ensemble des données recueillies dans cette pépinière a été traité courant 2016 sous un modèle linéaire mixte avec estimation des variance-covariances génétiques. La structuration du matériel génétique en famille plein-frères et inter- et intra origine permet d’estimer précisément les paramètres génétiques de l’ensemble des caractères observés et de contribuer de façon générale à la réflexion sur la méthodologie de la sélection des graminées fourragères à un moment où le marquage moléculaire apparait comme un outil réaliste pour estimer de façon beaucoup plus précise la valeur génétique de plantes individuelles en pépinière (cf Action 5).