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Test d’une méthode de phénotypage du maintien de la
croissance des organes reproducteurs femelles de maïs
(Zea mays L.) en réponse au déficit hydrique
David Verney
To cite this version:
David Verney. Test d’une méthode de phénotypage du maintien de la croissance des organes
repro-ducteurs femelles de maïs (Zea mays L.) en réponse au déficit hydrique. Biologie végétale. 2013.
�hal-02809040�
Master 1
Biologie Fonctionnelle des Plantes
Année universitaire 2012-2013
R
APPORT DE STAGE
David VERNEY
Maître de stage : Olivier Turc
Laboratoire d’Ecophysiologie des Plantes sous Stress Environnementaux
UMR LEPSE-INRA-Montpellier Supagro
Equipe : MAGE
Test d’une méthode de phénotypage du maintien de la croissance des organes
reproducteurs femelles de maïs (Zea mays L.) en réponse au déficit hydrique
Mot clés : Déficit hydrique, Zea mays, avortement, grain, croissance, soies, phénotypage
Nombre de mots du résumé : 299
Nombre de mots du manuscrit : 7472
Remerciements
Je veux présenter mes plus vifs remerciements à mon maître de stage et Chargé de Recherche Olivier TURC, pour sa disponibilité et nombreux conseils particulièrement enrichissant.
J’aimerai également remercier mon encadrant et Thésard Vincent OURY, avec qui j’ai pu maniper tout au long de ce stage. Sa complicité a été capitale, et la transmission de ses compétences un acquis inestimable.
Je voudrais remercier Ivan Peironnenche, pour son aide précieuse et indispensable au bon déroulement de ce stage. Sa grande disponibilité et bonne humeur nous a permis de travailler en dans la plus grande sérénité… Même les WE !
Je suis également reconnaissant envers l’équipe maintenance, à savoir Stéphane et Ben, pour leur coopération et leur écoute… Toujours avec le sourire.
Enfin, j’aimerai remercier le responsable du laboratoire et François Tardieu, pour m’avoir accueilli dans sa structure.
Pour finir j’adresse mes remerciements à l’ensemble du personnel du LEPSE avec qui il fait bon vivre de travailler, pour leur accueil chaleureux, leur soutien, leur aide, leur humour… toujours au rendez-vous ! Ces quatre mois de stage en leur compagnie auront été, inoubliables. Merci !
Résumé
Background et objectifs : Le nombre de grains récoltés chez le maïs (Zea mays L.) est particulièrement
sensible à l’alimentation hydrique de la plante autour de la date de floraison : un déficit hydrique pendant cette période réduit fortement le nombre de grains par un avortement des ovaires et des jeunes grains. Des publications récentes suggèrent qu’en cas de déficit hydrique modéré la réduction de la croissance des organes femelle est le premier responsable. Le but de ce stage est de caractériser au cours de la floraison, l’émergence des soies en conditions hydriques limitées ou non.
Méthodes : L’étude a été réalisée sur quatre hybrides obtenus par croisement de quatre lignées (B73, Oh43,
F924, MS153) avec la même lignée parentale (UH0007). Les plantes ont été cultivées en conditions
contrôlées. Une à deux fois par jour, des mesures au pied à coulisse et par imagerie du diamètre d’ouverture de spathes ont été effectuées pour comparaison, et mises en relation avec les cinétiques de soies émergées et leur nombre final en fin d’expérimentation, ainsi qu’avec le nombre de grains produits.
Résultats clés : Il n’y a pas de correspondance directe entre le diamètre d’ouverture de spathes d’un épi et
son nombre de soies émergées au même instant. Cependant, à l’échelle d’un groupe de plantes, ce caractère est bien corrélé avec le nombre de soies émergées en début de floraison puis, à partir du cinquième jour de floraison, avec le nombre final de soies émergées moyen et le nombre moyen de grains qui sera produit par plante.
Conclusion : Le diamètre d’ouverture de spathes est un bon estimateur précoce du nombre de grains produit par plant, utilisable pour le phénotypage. Un apprentissage de la mesure et un nombre de répétition modéré sur les plantes produisant peu de grains, permet d’augmenter sa fiabilité.
Sommaire
I. Introduction ... 1
1.1. Origine, domestication et taxonomie du maïs... 1
1.2. Contexte économique ... 1
1.3. La culture du maïs ... 1
1.4. Sensibilité du maïs au déficit hydrique ... 2
1.5. La dynamique de croissance des soies responsable des processus d’avortement ? ... 2
1.6. Test d’une méthode non destructive de suivi de l’émergence des soies ... 3
II. Matériel et méthode ... 4
2.1. Sélection des génotypes étudiés : ... 4
2.2. Traitements expérimentaux :... 4
2.3. Mesures et contrôles ... 4
III. Résultats ... 6
3.1. Relation à un instant t entre diamètre d’ouverture de spathes et nombre de soies ... 6
3.2. Pouvoir prédictif du diamètre d’ouverture de spathes sur le nombre final de soies et grains. ... 8
3.3. Effets expérimentateurs : importance de l’écrasement lors de la mesure au pied à coulisse. ... 9
3.4. Comparaison génotypes / traitements. ... 10
Figure 1: A gauche, représentation graphique de l'architecture aérienne et racinaire d'un plant de maïs au stade floraison. A droite, représentation graphique d’un épi de maïs à maturité complète.
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I. Introduction
1.1. Origine, domestication et taxonomie du maïs
Le maïs cultivé (Zea mays ssp mays) a probablement été domestiqué dès 5000 ans avant J.-C. par les Aztèques, Incas et Mayas. Il fut introduit en Europe en 1493 par Christophe Colomb, et cultivé en Andalousie. Possédant 2n = 20 chromosomes, il a pour ancêtre la téosinte (Zea mays L. subsp. mexicana (Schrad.) H. H. Iltis et ssp parviglumis). De la famille des POACEES, le maïs est une espèce monoïque allogame, pouvant cependant s’autoféconder. Lorsqu’il est au stade floraison, on peut observer l’émergence d’une panicule mâle en position terminale, suivie de celle de l’inflorescence femelle et futur épi, en position mésotone (Fig. 1).
Il existe différents types de maïs, classés arbitrairement selon l’aspect (vitreux ou farineux) et la texture du tégument de leur grain : type corné, denté, à éclater, doux, cireux, etc… Cela représente en partie la grande diversité génétique que l’on rencontre chez cette espèce qui peut être expliquée par sa capacité à se croiser, et donc échanger du matériel génétique avec son ancêtre, dans son bassin d’origine : le Mexique. Une autre explication allant dans ce sens, viendrait de la forte concentration observée (environ 80%) de transposons et rétrotransposons contenus dans son génome, engendrant de nombreuses mutations et changement d’expression des gènes après chaque méiose (Doré et Varoquaux, 2006).
1.2. Contexte économique
A l’échelle mondiale, le maïs est une culture d’importance économique majeure, qui représente avec le blé et le riz, l’une des trois principales céréales produites dans le monde. Près de 1,14 millions de tonnes de grains ont été récoltés en 2009 (données FAO, 2009), mais le maïs peut également être récolté en plante entière avant maturité complète dans le cas du maïs dit « fourrage ». Avec des proportions variables d’une année à l’autre, près des trois quarts sont cultivés pour l’alimentation animale sous forme de maïs ensilage et grain, 20% pour l’amidonnerie, le reste étant destiné à la semoulerie.
1.3. La culture du maïs
Le maïs est cultivé sous forme de variétés hybrides. On distingue différentes catégories d’hybrides selon leur précocité de maturité, définie par un indicateur climatique de besoin en degrés Celsius*jours nécessaires à la plante pour atteindre son stade physiologique de maturité depuis sa date de semis (Doré et Varoquaux, 2006). Ainsi, les cultivars utilisés au nord de la France sont généralement à maturité précoce voire très précoce, tandis que dans les climats plus méridionaux l’utilisation de variétés plus productives à maturité dite tardive est possible.
La culture du maïs est souvent associée à l’idée d’une forte consommation en eau. Pourtant, si l’on compare le rapport consommation en eau / quantité de biomasse produite, on s’aperçoit en fait, qu’il n’est pas plus gourmand qu’une autre espèce ayant le même métabolisme carboné que lui (de type C4), comme le sorgho par exemple. L’amélioration considérable des rendements sur cette espèce au cours de ces dernières années explique à elle seule les forts besoins en eau de cette culture d’été. Plusieurs stratégies sont mises en place pour faire face à ce problème. Parmi celles-ci, il est classiquement admis d’utiliser des variétés dites « précoces », afin de décaler le cycle de la plante.
Les stades de floraison et de remplissage du grain sont ainsi avancés vers des périodes climatiques plus propices, où la disponibilité en eau dans le sol est naturellement accrue. Une seconde stratégie d’ordre génétique consiste à sélectionner et développer des variétés maintenant un rendement en grain acceptable malgré un déficit hydrique relatif. Toujours par sélection, la modification du système racinaire du maïs vers une architecture plus ramifiée, dense et profonde comme peut être celle du sorgho, est une stratégie utilisée pour rendre l’extraction de l’eau et éléments minéraux contenus dans le sol plus performante chez le maïs (Doré et Varoquaux, 2006).
Figure 2 : Développement d’épis et nombre de grains matures sur des plants de maïs soumis à faible potentiel hydrique autour de la pollinisation. (A) Témoin avec un fort potentiel hydrique, (B) plants subissant un faible potentiel hydrique avec un ajout de saccharose infusé dans les tiges, (C) plants subissant un faible potentiel hydrique. Les épis sont quelques peu courbés à cause du prélèvement lors de la pollinisation des ovaires à mi-hauteur le long de l’épi, créant une légère déformation à maturité. Les zones d’échantillonnage sont à l’arrière des épis, et donc non visibles (McLaughlin et Boyer, 2004b).
Figure 4 : Développement des épis, (B) masse des grains et (C) nombre de grains à maturité, avec application d’un ombrage autour de la pollinisation. Control : témoins sans ombrage, Shade + sucrose infusion : plantes recevant un ombrage et un ajout par perfusion de saccharose dans la tige, Shade : plantes recevant un ombrage sans perfusion de saccharose (Hiyane et al., 2010).
Figure 3 : (A) Potentiel hydrique foliaire, (B) consommation en eau, (C) activité photosynthétique nette, et (D) pourcentage des zones vertes en bonne santé sur les feuilles en fonction du temps, suite à l’arrêt d’irrigation dès la sortie des premières soies. Les cercles ouverts représentent les plantes témoins avec un haut potentiel hydrique, les carrés fermés celles avec un faible potentiel hydrique auxquelles est ajouté par infusion au niveau des tiges du saccharose, et les cercles fermés les plantes avec un faible potentiel hydrique et sans ajout de saccharose (McLaughlin et Boyer, 2004a).
Figure 5 : Comparaison de l’évolution du nombre de cellules « en file indienne » par soie (symboles fermés) avec la longueur de soie (symboles ouverts) (a, c, e), et le taux relatif de division cellulaire (symboles fermés) avec le taux de croissance relatif des soies (symboles ouverts) (b, d, f), en fonction du temps thermique. Le temps journalier est indiqué entre parenthèses. Le potentiel hydrique du sol a été maintenu au dessus de -0,1 MPa en « well-irrigated plants » (a, b), entre -0,3 et -0,5 MPa pour « mild deficit » (c, d), et entre -0,6 et -0,8 MPa pour « medium deficit » (e, f), à partir de l’initiation des soies. Les lignes verticales en pointillés indiquent la fin de chaque phase du cycle de développement des soies. Les flèches indiquent les dates des évènements d’émergence des panicules mâles (T), de maturité des anthères (A), et de l’émergence des soies (S) (Fuad-hassan et al., 2008).
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1.4. Sensibilité du maïs au déficit hydrique
Le maïs est une plante très sensible au manque d’eau pendant les quelques semaines encadrant sa floraison (Claassen et Shaw, 1970), entrainant l’avortement des jeunes ovules et donc une diminution significative de la production au champ (Herrero et Johnson, 1981).
Cette diminution résulte conjointement d’une réduction significative du nombre de grain par épi et de leur biomasse individuelle (McLaughlin et Boyer, 2004b) (Fig. 2).
Un déficit hydrique à cette période entraine de nombreuses modifications métaboliques, ainsi qu’une réduction de l’activité enzymatique et de la croissance des soies (Herrero et Johnson, 1981). Cela a également pour effet d’inhiber partiellement l’activité photosynthétique de la plante (McLaughlin et Boyer, 2004a) (Fig. 3), diminuant le flux de composés carbonés vers les ovaires qui alors, avortent rapidement. La fermeture des stomates par l’augmentation de la concentration en acide abscissique au sein de la plante subissant un stress hydrique pourrait en être la cause (McLaughlin et Boyer, 2004b).
Le métabolisme carboné de la plante a longtemps été mis en cause dans le déclenchement des mécanismes d’avortement des ovules (Boyer et McLaughlin, 2007). Toutefois, une étude récente a pu montrer que la diminution en sucre dans la nutrition des ovaires n’avait en fait qu’une influence sur leur taux de croissance, se traduisant par une perte de biomasse et d’activité invertase, mais nullement sur l’avortement de ceux-ci (Hiyane et al., 2010) (Fig. 4).
Cette tendance a également été confirmée par des premiers résultats acquis par l’équipe MAGE du LEPSE, qui suggèrent un rôle important des mécanismes contrôlant la vitesse de développement des organes et la signalétique entre organes, tandis que le métabolisme carboné semble peu impliqué dans le déterminisme de l’avortement des jeunes ovaires en réponse au manque d’eau (Oury, 2010 ; Ashenafi, 2011)
1.5. La dynamique de croissance des soies responsable des processus d’avortement ?
La diminution des flux de saccharose provenant de la photosynthèse n’étant pas la cause des processus d’avortement des ovaires mais en fait une conséquence, de nouvelles hypothèses ont été examinées. Ainsi, la croissance et l’émergence des soies, qui sont justement des facteurs déterminants du rendement au champ dans des conditions de stress hydriques, ont pu être étudiés (Fuad-hassan et al., 2008). Le développement des soies se déroule en plusieurs étapes. La première consiste en une division et allongement cellulaire de façon uniforme le long de la soie. Puis, tandis que l’allongement cellulaire continue, on observe un ralentissement progressif jusqu’à arrêt complet de la division cellulaire depuis l’apex jusqu’à la base de la soie. Enfin, l’allongement cellulaire s’arrête dans les parties émergentes, alors qu’il diminue dans les parties encore enfermées dans les spathes (Fuad-hassan et al., 2008) (Fig. 5).
La vitesse de croissance des soies est la principale variable explicative de la date de sortie des soies relative au stade de maturation des anthères (Fuad-Hassan et al., 2008). Cet intervalle de temps, appelé ASI (anthesis-silking interval), est très utilisé en amélioration variétale du maïs pour caractériser la tolérance d’un génotype à un stress hydrique (Bruce et al., 2002). Plus l’ASI est important, moins la concordance de floraison est bonne, et plus le rendement est diminué (Bruce et al., 2002). Les génotypes tolérants sont donc ceux qui présentent un ASI faible en situation de déficit hydrique, grâce au maintien de la croissance des soies. Au sein d’un même épi, la date d’émergence des soies varie selon la position de l’ovaire le long de l’épi : les premières soies qui sortent proviennent de la base de l’épi et les dernières proviennent de l’extrémité apicale. Ce décalage est accentué lorsque la vitesse de croissance des soies est diminuée, par exemple si la plante est en condition de stress hydrique, impactant alors directement les ovaires apicaux dont le développement est stoppé, en raison d’une sortie de soies trop tardive, voire d’une non-sortie des soies (Oury, 2010) (Fig. 6). Ainsi, plus la vitesse de croissance des soies est importante, plus courte sera l’ASI, et meilleure sera la synchronisation de sortie des soies, garantissant une pollinisation et un développement optimal des ovaires sur l’ensemble de l’épi.
Comme le montre la figure 7 de Carcova et Otegui (2007) la pollinisation des soies déclenche une accumulation rapide de biomasse dans les ovaires leur correspondant due au développement de l’embryon. Si l’on pollinise manuellement l’ensemble des soies d’un épi, cela permet de synchroniser la croissance des ovaires des parties extrêmes de ce dernier. En condition d’irrigations contrôlées, il a été montré que le
Figure 6 : Estimation du nombre de soies sorties en fonction de la zone de l’épi et du statut hydrique. En vert les plantes bien irriguées (IR), et en jaune les plantes en déficit hydrique (DH). Les barres d’erreurs représentent l’intervalle de confiance à un seuil de 0,05 (Test de Student). n=3 (Oury, 2010).
Figure 8 : Réponse du nombre de grain par plant (KNP) en fonction du taux de croissance des soies (ROGR) entre les parties extrêmes de l’épi (ROGR= taux de croissance des ovaires apicaux/taux de croissance des ovaires basaux) déterminé pour la période allant de trois à cinq jours après la sortie de soies. Les données NP représentent les pollinisations naturelles, et les SP les pollinisations synchronisées (Carcova et Otegui, 2007).
Figure 7 : Evolution de la masse de matière fraiche des ovaires situés en différentes positions le long de l’épi de maïs (basale, médiane et apicale) sur des plants soumis à une pollinisation naturelle (NP) et synchronisée (SP), menée sur deux expériences indépendantes. Les astérisques indiquent une différence significative (P<0.05) entre les deux modes de pollinisation. Les flèches blanches symbolisent à la fois le début de la sortie des soies et de la pollinisation des plants NP. Les flèches noires représentent l’application d’une pollinisation manuelle des plants SP. Pour les plants SP, la ligne en pointillés prend en compte uniquement les ovaires de l’épi n’ayant jamais été pollinisés (Carcova et Otegui, 2007).
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nombre de grains par plant de maïs peut être nettement augmenté en assurant une synchronisation de la pollinisation (Carcova et al., 2000). Cela n’a généralement aucun effet sur le rendement de récolte par plant car on observe en retour une diminution du poids moyen de grain (Uribelarrea et al., 2007) qui s’explique par une masse de matière sèche des ovaires plus faible chez les épis ayant subi une pollinisation synchronisée (Carcova et Otegui, 2007). Une étude a montré un lien étroit entre le nombre de grains par plant et la synchronisation de croissance des ovaires, pouvant être caractérisée par le rapport entre la croissance des ovaires des parties extrêmes de l’épi (Carcova et Otegui, 2007) (Fig. 8). En situation de pollinisation naturelle, la synchronisation des ovaires dépend directement de la vitesse d’émergence des soies. Cette corrélation illustre donc la relation entre la vitesse d’émergence des soies et le nombre de grains par plant. Cela montre un rôle central des mécanismes contrôlant la vitesse de développement des soies et particulièrement leur précocité et vitesse d’émergence, comme étant les principaux responsables de l’avortement ou non des ovaires, et donc du maintien des rendements sous contrainte hydrique.
Dans ce contexte, il serait donc intéressant de disposer d’une méthode rapide et fiable permettant de caractériser de nombreux génotypes sur leur aptitude à maintenir la croissance et l’émergence des soies en situation de déficit hydrique.
1.6. Test d’une méthode non destructive de suivi de l’émergence des soies
Dans la littérature, l’émergence des soies est un sujet relativement peu étudié. Leur quantification se fait généralement par comptage direct sur épi prélevés, rendant la méthode laborieuse et destructive (Bassetti et Westgate, 1993). Cette stratégie n’est donc raisonnablement pas applicable en phénotypage de routine.
Des travaux récents menés par le LEPSE, montrent une relation étroite entre le nombre de soies émergées, compté en fin d’expérience, et le diamètre d’ouverture des spathes, correspondant à l’orifice par où sortent les soies, mesuré à la fin de la floraison (Soewarto, 2012) (Fig. 9). Par extrapolation, on suppose que pour un instant t, la mesure du diamètre de l’orifice est un estimateur du nombre de soies émergées à ce même instant. C’est à partir de ce postulat, que le laboratoire a développé une méthode indirecte pour quantifier le nombre de soies émergées au cours du temps, de façon non destructive et rapide, potentiellement intéressante pour le phénotypage. La vérification et la caractérisation de cette relation, ainsi que l’application de cette méthode sur différents génotypes et en fonction de différentes conditions environnementales ont précisément été l’objectif de mon stage.
Pour cela, l’évaluation de la pertinence de cette méthodologie passe par la capacité à caractériser chacune des variables composant la mesure du diamètre d’ouverture de spathes au pied à coulisse : l’épaisseur de spathes, la surface occupée par les soies et leur densité seront les principaux facteurs à caractériser pour donner un sens à celles-ci. La robustesse de la méthode pourra être estimée par son application sur un panel génétique varié en fonction de statues hydriques limitant ou non. La capacité à discriminer de façon prédictive des plantes avec des productions grains sensiblement différents, pourra également servir d’indicateur de sa fiabilité. C’est à partir de celui-ci que l’on pourra tenter d’évaluer le nombre de mesures minimums et nécessaires à effectuer pour maximiser statistiquement la fiabilité de la méthode, tout en considérant la surcharge de travail que cela peut entrainer. Enfin, l’effet expérimentateur sera étudier, et nous permettra d’élaborer une stratégie pour améliorer sur le terrain et d’un point de vue technique notre méthodologie.
Figure 9 : Corrélation entre le diamètre de l’ouverture des spathes mesuré 5 jours après la sortie des premières soies et le nombre de grains en développement à la fin de l’expérimentation 15 jours après la sortie de soies pour les six modalités étudiées : plantes bien irriguées et en déficit hydrique, pour les génotypes B73, K64R et B73xK64R (Soewarto, 2012).
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II. Matériel et méthode
2.1. Sélection des génotypes étudiés :
L’étude a été conduite sur 4 génotypes contrastés, issus d’un panel représentatif de la diversité génétique au sein de l’espèce Zea mays. Il s’agit d’hybrides obtenus par croisement de quatre lignées (B73, Oh43, F924, MS153) avec la même lignée parentale (UH0007).
2.2. Traitements expérimentaux :
L’expérimentation a été conduite en serre, sur la plateforme de phénotypage à haut débit PhenoArch jusqu’au stade préfloraison. Les plantes ont ensuite été réparties en deux groupes distincts afin de mener en parallèle deux expérimentations complémentaires l’une de l’autre. L’expérimentation SE (pour Silk Emergence) et l’expérimentation SD (pour Silk Density). Pour chacune de ces expérimentations, les plantes ont été divisées en deux modes d’alimentation hydrique différents. Un premier groupe de plantes témoins en conditions bien irriguées (WW), un second subissant un déficit hydrique de 7 jours (WD) à partir de l’apparition des premières soies. Dès l’apparition des premières soies, l’arrosage est assuré à partir d’une solution nutritive de type Hoagland diluée (1/10).
WW : potentiel hydrique du sol Ψsol > -0.1 MPa pendant tout le cycle de culture
WD : -0.6 < Ψsol < -0.4 MPa pendant la floraison, et Ψsol > -0.1 MPa le reste du temps
Pendant toute la période de floraison, une pollinisation manuelle le matin et l’après midi sur chaque plant a été assurée. Afin de garantir une production suffisante de pollen, des plants (semés en décalés dans le temps) ont été réservées exclusivement à cet effet.
Durant toute l’expérimentation, la photopériode est maintenue à 16h de jour et 8h de nuit. La régulation thermique de la serre (chauffage/rafraichissement) a permis de maintenir la température dans la gamme 22-26°C le jour et 18-20°C la nuit. Un problème lié à la régulation de l’éclairage complémentaire dans une zone de la serre (non fonctionnement des lampes situées au-dessus de certaines plantes) nous a conduit à distinguer, parmi les plantes bien irriguées (WW), un sous-groupe de plantes ayant subi un déficit en lumière au moment de la floraison.
2.3. Mesures et contrôles
L’enregistrement du poids de chaque pot associé à ceux des conditions météorologiques du jour ont permis de calculer le seuil quotidien d’arrosage. Par arrosage manuel et quotidien, le déficit hydrique appliqué à chaque pot a été contrôlé de façon précise.
La phénologie des plantes a été notée chaque jour afin d’appliquer à toutes les plantes et à un même stade, le régime d’irrigation voulu pour les WW ou WD. En début de journée, l’ensemble des épis ont été pollinisés afin d’assurer la fécondation et le gonflement des ovaires dont les soies sont sorties. Sur l’expérimentation SE, le diamètre d’ouverture de spathes moyen d’un épi a été estimé le matin et le soir, par une série de trois mesures successives effectuées par deux notateurs différents, à l’aide d’un pied à coulisse. Une rotation de 120° d’une mesure à l’autre a été respectée tant que celles-ci ne prennent pas en compte l’épaisseur d’une nervure centrale de spathes.
Chaque matin et avant d’être pollinisées, les soies émergeantes des épis des plantes de l’expérimentation SD ont été coupées au ras de l’extrémité des spathes (figure 10) et conservées dans de l’alcool absolu. Une photo de contrôle a été prise en vue du dessus dans le but d’effectuer un comptage direct du nombre de soies (figure 11). La qualité des photos a été suffisante pour évaluer les surfaces et diamètres d’ouverture avec ou sans spathes, mais il n’a été possible de compter à partir de celles-ci le nombre de soies exact que sur un nombre limité de clichés, nécessitant un comptage manuel à partir des prélèvements de soies effectués avant chaque photo. Cette étape a consisté à séparer pour comptage les nouvelles soies émergées du jour repérables par leur apex fin et fourchu, de celles dont l’apex a déjà été prélevé les jours précédents. Le comptage manuel des soies demandant beaucoup de minutie et patience, il a été effectué sur sept plantes au total. Cette étape, associée aux calculs de la surface occupée par les
Figure 10 : (A gauche) Coupe transversale quotidienne des soies, au niveau de l’extrémité des spathes, pour préparation à la mesure du diamètre de l’ouverture des spathes (Pequignot, 2012). (A droite) Mesure au pied à coulisse, en début et en fin de journée, du diamètre de l’ouverture des spathes depuis la sortie des premières soies jusqu’au jour de prélèvement.
Figure 11 : Au centre, photo de contrôle en prise de vue de dessus de l’ouverture de spathes immédiatement après coupe des soies émergeantes au ras de l’extrémité des spathes. A gauche, mesure par imagerie des diamètres et surface d’ouverture avec les spathes. A droite, mesure par imagerie des diamètres et surface d’ouverture sans les spathes.
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soies ont permis d’obtenir leur cinétique de densité, en nombre de soies par mm². Après chaque prélèvement, une mesure au pied à coulisse du diamètre de l’ouverture des spathes a été effectuées par le notateur A et B, intervenant sur l’expérimentation SE. Les cinétiques du nombre de soies émergées ont été comparées aux mesures du diamètre d’ouverture des spathes. Le nombre de soies émergées et le nombre de grains développés ou avortés ont été comptabilisés en fin d’expérience pour toutes les plantes. Ces données nous ont permis de quantifier et mettre en la relation la mesure au pied à coulisse avec le nombre de soies émergées et le nombre de grains produits.
Figure 12 : A gauche, graphiques représentant au cours du temps les cinétiques du nombre de soies émergées obtenues par comptage manuel (symboles fermés) avec celles des diamètres d’ouverture de spathes mesurés par imagerie (symboles ouverts), sur un hybrides B73_H témoin (WW), un hybride en condition de déficit hydrique (WD), et un hybride F924_H témoin (WW). A droite, graphiques représentant au cours du temps les cinétiques des densités de soies (symboles fermés) calculées à partir des surfaces de soies mesurées par imagerie et comptage manuel des soies. L’épaisseur des spathes (barres fermées) a été cumulée au rayon de la surface occupée par les soies (barres ouvertes) mesuré par imagerie sur un hybrides B73_H témoin (WW), un hybride en condition de déficit hydrique (WD), et un hybride F924_H témoin (WW).
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III. Résultats
3.1. Relation à un instant t entre diamètre d’ouverture de spathes et nombre de soies
Les graphiques A, B, et C de la figure 12 représentent les cinétiques au cours du temps du nombre de soies émergeantes, en parallèle de celles des diamètres d’ouverture de spathes obtenues par imagerie sur trois plantes différentes : une plante de chaque traitement hydrique du génotype B73_H, et une plante du génotype F924_H en condition irriguée. Pour la plante B73_H-P3A_WW, le nombre de soies émergées et le diamètre d’ouverture des spathes suivent une dynamique croissante similaire jusqu’au troisième jour après floraison. Passée cette date, ces deux caractères ne semblent pas être en étroite relation. Le nombre de soies poursuit sa progression pour ne trouver un point culminant qu’au neuvième jour après le début de floraison, et dernier comptage à près de 750 soies. Le diamètre d’ouverture de spathes atteint son maximum dès le troisième jour à 10.5 mm, puis diminue pour s’équilibrer finalement autour de 9 mm. Comme illustré par le graphique D de la figure 12, ceci s’accompagne d’une augmentation brusque de la densité de soies, passant de 10 à 14 soies par mm² en seulement quatre jours Au contraire, on peut noter la faible variation de l’épaisseur de spathes au cours du temps, supposant une évolution en parallèle du diamètre d’ouverture de spathes avec celle de la surface occupée par les soies sur cette plante. Cette remarque est également valable pour la plante en condition d’irrigation F924_H-P1B_WW (figure 12, graphique F), mais n’est plus valable pour B73_H-14_WD à partir du sixième jour (figure 12, graphique E). L’augmentation progressive de son épaisseur de spathes est due à un biais expérimental. En effet, le prélèvement quotidien des soies émergeantes des plantes de l’expérimentation SD nécessitait de rafraîchir régulièrement une partie de l’extrémité des spathes, entrainant un abaissement du point de coupe par rapport à l’ouverture de spathes d’origine. La conséquence est une augmentation progressive de l’épaisseur des spathes et donc du diamètre moyen d’ouverture de spathes. Ce biais reste négligeable pour les plantes en conditions irriguées, où le prélèvement quotidien des soies émergeantes ne nécessité pas un abaissement systématique du point de coupe par rapport à celui de la veille. Pour les plantes en condition de déficit hydrique, les cinétiques de diamètre d’ouverture de spathes et épaisseur de spathes ne peuvent être analysées au-delà du sixième jour. Pour la plante B73_H-14_WD (figure 12, graphique B), le nombre de soies sorties le jour de sa floraison s’élève à près de 200, soit autant que la valeur observée un jour plus tard chez le témoin B73_H-P3A_WW, et nettement plus que le nombre observé à la même date pour la plante F924_H-P1B (figure 12, graphique C). Malgré ce départ rapide, a progression est faible ensuite, stagnant dès le troisième jour à moins de 300 soies. Les mesures de diamètre d’ouverture de spathes de la plante B73_H-14_WD (figure 12, graphique B) suivent une évolution assez proche de celle des soies émergentes, passant de 7.5 à près de 9mm entre le début de la floraison et le sixième jour. Des variations inverses entre le premier et troisième jour existent cependant, supposant que le diamètre d’ouverture de spathes ne puisse rendre compte du nombre de soies émergées de façon fiable et évidente. Ce constat s’applique également pour F924_H-P1A_WW (figure 12, graphique C). La cinétique du nombre de soies émergées est de type asymptotique, partant d’une cinquante de soies en début de floraison, et atteignant son maximum le dixième jour, à près de 700 soies. Celle du diamètre d’ouverture de spathes suit grossièrement cette tendance passant de quatre à presque douze millimètres sur la même période. Contrairement à la cinétique de soies émergées, celle du diamètre d’ouverture de spathes est moins régulière, pouvant augmenter de presque deux millimètres en une journée (du jour un à deux), puis subir une diminution de même ordre le lendemain, et augmenter de la même manière le surlendemain. Ce comportement « en dents de scie » du diamètre d’ouverture de spathes, très net sur cette plante, laisse à nouveau penser que l’estimation du nombre de soies émergées est en relation non directe et peu évidente avec le nombre de soies. La densité des soies doit être prise en compte, car comme illustré par le graphique F de la figure 12, elle peut être très fluctuante au cours du temps, et sensiblement différente d’une plante à l’autre.
Il ne ressort pas de tendances très nettes entre ces différents graphiques. On peut noter toutefois, une densité moindre sur la plante B73_H-14_WD (figure 12, graphique E) en condition de déficit hydrique (de cinq à neuf soies par millimètre carré, contre huit à quinze chez les deux plantes en condition irriguée). Les cinétiques des soies émergentes augmentent rapidement la première semaine de floraison chez les plantes bien irrigués, puis ralentissent progressivement (figure 12, graphiques D et F). Ce ralentissement est accentué et très précoce encore chez la plante ayant subi un déficit hydrique. Enfin, la relation diamètre
Figure 13 : Nombre de soies émergées en fonction du diamètre d’ouverture de spathes. Mesures faites depuis l’apparition des première soies jusqu’au sixième jour, sur les plantes de l’expérimentation SD comprenant six plantes du génotype B73_H et une plante du génotype F924_H. Le nombre de soies a été compté manuellement et les diamètres d’ouverture de spathes mesurés au pied à coulisse par le notateur A. (D) Les points SS+0, SS+1, SS+2, SS+3, SS+4 et SS+5 ont été placés en faisant correspondre pour un même jour la moyenne des diamètres d’ouverture de spathes avec la moyenne du nombre de soies.
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d’ouverture de spathes et nombre de soies sorties semble complexe. La densité des soies qui ne peut être considérée comme constante est très influente sur celle-ci et difficilement modélisable, tandis que l’épaisseur des spathes semble jouer un rôle mineur durant la première semaine de floraison.
La relation entre le diamètre d’ouverture de spathes à une date donnée et le nombre de soies émergées à ce même instant ne permet pas de mettre en évidence des corrélations robustes si l’on travaille plante par plante. En considérant l’ensemble des mesures effectuées sur les sept plantes dont un comptage manuel a été effectué, un coefficient de détermination de 0.77 lie ces caractères avec une dispersion importante (figure 13, graphique A). Pour un diamètre de sept millimètres, il peut y avoir un nombre de soies très variable, allant de 200 à plus de 500. Cette dispersion reste modérée pour des diamètres supérieurs à huit millimètres et demi, et d’autant plus faible pour des diamètres inférieurs à six millimètres.
Cette relation n’est pas stable au cours de la floraison. Elle est négative au moment de l’apparition des premières soies, s’inversant brusquement les jours suivant (donnée non montrée). Le coefficient de corrélation atteint un plateau à 0.9 entre le premier et troisième jour de floraison, puis décroit sensiblement pour passer sous les 0.4 au sixième jour de floraison.
A l’échelle d’une plante, la corrélation diamètre d’ouverture de spathes et nombre de soies émergées reste variable (figure 13, graphique B). Pour la plantes B73_H_P3B cette relation est positive suivant une régression linéaire évidente. Pour les six autres plantes cette relation est moins marquée, en particulier pour les plantes B73_H_P3A, B73_H_P4A et B73_H_14. Ce graphique illustre la limite du caractère diamètre d’ouverture spathes comme estimateur du nombre de soies émergées au moment de la mesure, remettant en cause sa fiabilité à l’échelle d’une seule plante.
La prise en compte du nombre de jours écoulés au moment de la mesure depuis l’émergence des premières soies est judicieuse. Comme illustré par le graphique C de la figure 13, l’ensemble des points de mesures d’une journée s’alignent de façon évidente pour le jour zéro, un et deux. Le diamètre d’ouverture de spathes aux premiers jours de floraison pourrait être un indicateur du nombre de soies émergées au moment de la mesure. L’alignement des points de mesures d’une même journée est moins marqué ensuite, mais une certaine logique persiste d’une journée de mesures à l’autre. Les nuages de points d’une journée à l’autre semblent respecter la chronologie du stade de floraison de la plante, jusqu’au cinquième jour après l’apparition des premières soies. Cette tendance s’accentue encore si l’on considère ces mêmes points, traitement par traitement.
En regroupant l’ensemble des mesures effectuées à des stades de floraison identique et durant les cinq premiers jours, la relation diamètre d’ouverture de spathes et nombre de soies émergées à l’instant de la mesure, présente un coefficient de détermination proche de 0.96 (figure 13, graphique D). Jusqu’au cinquième jour après le début de la floraison, le nombre de soies émergées et le diamètre d’ouverture de spathes montre une relation marquée avec le nombre de jours écoulés. Le diamètre d’ouverture de spathes est donc un bon estimateur du nombre moyen de soies émergées au sein d’un groupe de plantes en début de floraison, mais n’est pas un indicateur fiable si l’on concentre notre analyse à l’échelle d’un individu. De plus, cette relation peut évoluer en fonction du traitement expérimental, nécessitant une certaine retenue pour conclure.
Figure 14 : Mesures faites sur les plantes de l’expérimentation SE. Le nombre de grains final et le nombre final de soies émergées ont été comptés par imagerie en fin d’expérience (20 jours après l’émergence des premières soies) et les diamètres d’ouverture de spathes mesurés au pied à coulisse par le notateur A.
Figure 15 : Mesures faites sur les plantes de l’expérimentation SE. Le nombre de grains final a été compté par imagerie en fin d’expérience (20 jours après l’émergence des premières soies) et les diamètres d’ouverture de spathes mesurés au pied à coulisse par le notateur A. (A) Nombre de grains produits en fonction des diamètres d’ouverture mesurés le jour de l’émergence des premières soies. (B) Nombre de grains produits en fonction des diamètres d’ouverture mesurés cinq jours après l’émergence des premières soies. (C) Nombre de grains produits en fonction des diamètres d’ouverture mesurés quatorze jours après l’émergence des premières soies.
Figure 16 : La courbe de l’évolution de l’écart type des diamètres d’ouverture de spathes mesurés au pied à coulisse par le notateur A au cours du temps, a été obtenue en moyennant les écarts types des génotypes B73_H, F924_H, MS153_H et Oh43_H (de l’expérimentation SE) observés sur une plage de mesures de 3 jours, entre la veille et le lendemain du jour considéré. La courbe de vitesse du diamètre d’ouverture de spathes au cours du temps, à été obtenu en moyennant jour par jour les vitesses moyennes de chaque génotypes B73_H, F924_H, MS153_H et Oh43_H (de l’expérimentation SE). Les cinétiques de vitesse du diamètre d’ouverture de spathes de chaque plante ont été obtenues à partir des mises en équations de leur cinétique de diamètre d’ouverture de spathes.
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3.2. Pouvoir prédictif du diamètre d’ouverture de spathes sur le nombre final de soies et grains.
L’analyse qui suit concerne l’ensemble des plantes de l’expérimentation SE pour lesquelles il n’y a pas d’augmentation artificielle du diamètre d’ouverture de spathes due à un prélèvement quotidien des soies émergeantes, permettant sur celle-ci d’analyser les résultats même après une semaine de floraison.
Les coefficients de corrélation du nombre de grains produits et du nombre total de soies émergées, avec le diamètre d’ouverture de spathes suivent au cours du temps des évolutions semblables (figure 14). Le coefficient de corrélation entre ces caractères étant proche de 0.93 sur les plantes de l’expérimentation SE (données non montrées), leur prédiction en fonction du diamètre d’ouverture de spathes au cours du temps restent liées. On remarque une amélioration très nette des corrélations du nombre final de soies sorties et du nombre de grains produits durant les premiers jours de floraison. Leurs courbes décélèrent sensiblement durant le troisième jour, pour atteindre un équilibre autour de 0.8 entre le quatrième et septième jour de floraison. Au-delà du sept à huitième jour, la courbe du coefficient de corrélation du nombre de grains produits progresse lentement jusqu’au quinzième jour de floraison pour atteindre un maximum de 0.9, suivit de près par celle du nombre final de soies sorties. Les prédictions de ces caractères ne peuvent donc raisonnablement pas être estimées avant le troisième jour de floraison. Ce résultat s’accompagne d’une contrainte pour être mis en pratique. Le stade et donc la date de floraison précise de chaque plante doit être connu, ce qui n’est pas forcément évident au sein d’une parcelle de maïs.
Les graphiques A, B, et C de la figure 15, illustrent en détail le type de relation entre le nombre de grains produits, et le diamètre d’ouverture de spathes à des dates clés : respectivement, au jour de l’apparition des premières soies, au cinquième jour, et au quatorzième jour. Le graphique A de la figure 15 démontre l’importante dispersion qu’il peut y avoir entre ces caractères en début de floraison. Pour un diamètre de quatre millimètres correspond des productions de grains extrêmes, s’étalant de l’ordre de la dizaine à plus de cinq cents grains. Au cinquième jour (figure 15, graphique B), on remarque un ajustement étroit des points pour des nombres de grains supérieurs à cent, tandis que les plantes ayant produit peu de grains présentent une dispersion accrue du diamètre d’ouverture de spathes, passant de deux à sept contre deux à cinq au jour zéro. Sur le graphique C de la figure 15, on retrouve au quatorzième jour après floraison un alignement similaire à celui au cinquième jour (illustré par le graphique B de la figure 15), des points correspondants à des nombres de grains supérieurs à cent. De plus, la dispersion des diamètres correspondant à des nombres de grains inférieurs à cent est significativement diminuée, restant cloisonnée entre deux et quatre millimètres. L’augmentation progressive entre le septième et quinzième jour du coefficient de corrélation entre le diamètre d’ouverture des spathes et le nombre de grains finals (figure 14), s’explique par l’amélioration de leur relation pour les plantes ayant une faible production de grains. Les plantes à faible production correspondant en majorité à celles ayant subi un déficit hydrique, l’application d’un tel stress semblerait favoriser la variabilité du diamètre d’ouverture de spathes au cinquième jour. Pour ces plantes, la prédiction du nombre de grains produits par la mesure du diamètre d’ouverture nécessiterait donc un nombre de répétitions supérieur à celles à forte production.
Afin d’être moins dépendant d’un stade précis pour effectuer la mesure de l’ouverture des, il faudrait la réaliser à une période où elle évolue peu au cours du temps. Les variations du diamètre d’ouverture de spathes sur une plage de mesures de trois jours consécutifs évoluent sensiblement au cours de la floraison (figure 16). L’écart type moyen observé 24 heures après l’apparition des premières soies entre les quatre génotypes étudiés est proche de 0.9mm, diminuant à un seuil de 0.35mm maintenu jusqu’au septième jour. Il progresse ensuite jusqu’au onzième jour à 0.4 avant de diminuer à nouveau. Sur une période de 72h, la variation de ce caractère est donc minimisée à partir du troisième jour. La courbe représentant l’évolution de la vitesse du diamètre d’ouverture de spathes au cours de la floraison vient étayer ce résultat. On observe une vitesse moyenne proche de 0.6mm.j-1 un jour après l’apparition des premières soies. Au cinquième jour de floraison, la vitesse moyenne d’ouverture de spathes s’annule, pour atteindre progressivement un seuil
plancher de -0.2mm.j-1 le onzième jour. C’est donc autour du cinquième jour après le début de la floraison
Figure 17 : Diamètres d’ouverture de spathes mesurés au pied à coulisse sur les plantes de l’expérimentation SE, depuis le jour de l’émergence des premières soies, jusqu’au quinzième jour.
Figure 18 : Diamètres d’ouverture de spathes mesurés au pied à coulisse par le notateur A sur les plantes de l’expérimentation SE, depuis le jour de l’émergence des premières soies, jusqu’au quinzième jour. La moyenne entre la mesure du notateur A et celle du notateur B est utilisée pour ranger par classe chaque couple de mesures.
Figure 19 : Diamètres d’ouverture de spathes mesurés au pied à coulisse sur les plantes de l’expérimentation SE, depuis le jour de l’émergence des premières soies, jusqu’au quinzième jour.
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3.3. Effets expérimentateurs : importance de l’écrasement lors de la mesure au pied à coulisse.
Parmi les 1203 mesures de diamètres d’ouvertures de spathes effectuées au pied à coulisse par chacun des deux notateurs sur les plantes de l’expérimentation SE, le coefficient de détermination est de 0.82 (figure 17). Pour un diamètre mesuré par le notateur A compris entre cinq et six millimètres, le notateur B mesure un diamètre variant de quatre et demi à huit millimètres. Cet étalement est de même ordre si l’on compare les mesures du notateur A par rapport à celle du notateur B. Pour un diamètre compris entre cinq et six millimètres, le notateur A peut mesurer des diamètres allant de trois et sept millimètres. Or un écart d’un millimètre du diamètre d’ouverture de spathes construit un écart sur la prédiction du nombre de grains final de l’ordre de la centaine (figure 15, graphique B). Alors que la droite de régression permettant d’ajuster au mieux les mesures entre le notateur A et B coupe l’axe des ordonnées à 0.83mm, sa pente est légèrement inférieur à un.
On observe ainsi une surestimation des mesures du notateur B sur celles du notateur A qui, comme le montre la figure 18, tend à diminuer de moitié pour des diamètres d’ouverture de spathes importants. Entre les plus petits et ceux compris entre sept et neuf millimètres, on observe une diminution de moitié des écarts entre les notateurs, passant de 17 à 8%. Elle est négligeable au-delà de neuf millimètres, malgré un écart type important mais nettement plus faible que celui correspondant à des faibles diamètres. Cette surestimation peut être due en partie à une application de pression différente entre les deux notateurs qui devient d’autant plus négligeable lorsque le tissu se rigidifie.
La comparaison, au cours du temps, des mesures de diamètres d’ouverture de spathes au pied à coulisse entre le notateur A et B, met en évidence un effet expérimentateur significatif (figure 19). Durant la première semaine de floraison, l’expérimentateur B surestime de façon systématique ses mesures en regard de celle du notateur A. Cet effet semble minime, voire nul à partir du dixième jour et au-delà.
Le biais observé entre le notateur A et B, s’explique par une stratégie de mesure différente. La comparaison des mesures de chacun à celles calculées par imagerie, démontre une différence d’écrasement entre les deux notateurs (figure 20). Pour apprécier cet effet, nous avons comparé, pour chacune des observations, la mesure au pied à coulisse de chacun des notateurs à celle obtenue par analyse d’image sur les photos correspondantes. Une pression sur le pied à coulisse se traduit par une mesure de diamètre inférieure à ce qui est observé sur la photo, ce qui est le cas dans la quasi-totalité des situations (Fig. 20). Le notateur A tend à écraser de cinq à dix pourcents le diamètre d’ouverture des spathes, contre moins de trois pour cents pour le notateur B sur la plage un à dix jours après l’émergence des premières soies.
Les corrélations au cours de la floraison entre le diamètre d’ouverture de spathes et le nombre final de soies émergées ou grains produits sont sensiblement différentes entre les notateurs A et B (figure 21). Leurs corrélations se superposent en début de floraison jusqu’au deuxième jour après le début de floraison, ainsi qu’en fin de mesures au-delà du douzième jour. Entre ces deux plages, les coefficients de corrélation du notateur A atteignent une moyenne de 0.8 contre moins de 0.7 voire 0.6 pour le nombre de grains produits chez le notateur B. Cette différence peut être expliquée par la différence d’écrasement appliquée au cours de la mesure entre les deux notateurs. Une pression suffisante et systématique appliquée par le notateur A, permettrait d’augmenter sensiblement la prédiction du nombre final de soies émergées et nombre de grains produits. Cette amélioration est significative entre le deuxième et douzième jour après l’apparition des premières soies. L’application d’une pression tend à réduire la part de « vide » entre les spathes et les soies, et entre les soies, permettant de réduire les variations d’épaisseur de spathes et de densité de soies et donc le bruit autour de la relation moyenne entre le diamètre d’ouverture des spathes et le nombre de soies situées à l’intérieur.
Figure 20 : Diamètres d’ouverture de spathes mesurés au pied à coulisse par les notateurs A et B sur les plantes de l’expérimentation SD, comparées à ceux calculés par imagerie.
Figure 1 : (A) Diamètres d’ouverture de spathes mesurés au pied à coulisse sur les plantes de l’expérimentation SE, depuis le
jour de l’émergence des premières soies, jusqu’au quinzième jour. Le nombre de soies final a été estimé par analyse d’image. (B) Diamètres d’ouverture de spathes mesurés au pied à coulisse sur les plantes de l’expérimentation SE, depuis le jour de l’émergence des premières soies, jusqu’au quinzième jour. Le nombre de grains produits a été estimé par analyse d’image.
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3.4. Comparaison génotypes / traitements.
L’application d’un stress hydrique modéré en début de floraison entraine une diminution du diamètre d’ouverture des spathes de l’ordre de deux millimètres, lorsqu’il est mesuré au cinquième jour (figure 22, graphique A). Cette tendance s’observe sur les quatre génotypes étudiés : B73_H, F924_H, MS153_H, et Oh43_H. Elle est accentuée encore, sur les plantes ayant subi en début de floraison un déficit de lumière. L’exemple le plus marquant est celui observé sur le génotype B73_H, passant de près de neuf à trois millimètres, contre seulement sept à quatre millimètres pour l’hybride Oh43_H.
Une diminution très marquée du nombre final de soies émergées sur les plantes ayant subi un stress hydrique modéré en début de floraison est également observée (figure 22, graphique B). Cette remarque s’applique de la même manière pour le nombre de grains produits (figure 22, graphique C). Un déficit de cumul de lumière au moment de la floraison (figure 22, graphique D) semble avoir un effet comparable à celui du déficit hydrique en termes de nombre final de soies émergées et nombre de grains. Si l’on compare les graphiques entre eux, on remarque que les génotypes en condition irriguée conservent un même classement en termes de diamètre d’ouverture de spathes et nombre de grains produits, laissant présager une bonne prédiction du second caractère à partir du premier, au cinquième jour après floraison. Ce classement n’est pas respecté pour les plantes en condition de déficit hydrique et celles irriguées ayant subi un déficit de lumière au alentour de leur floraison. Ces dernières classes correspondent aux plantes ayant produit un faible nombre de grains, inférieur à 100, contre 300 à 400 pour les irriguées. La prédiction du nombre de grains produits sur les plantes ayant une faible production de grains semble moins évidente que pour les plantes témoins à forte production. Cette remarque rejoint le graphique B de la figure 15, sur laquelle on pouvait observer une grande variabilité du diamètre d’ouverture de spathes pour des plantes à faible production de grains, et une variabilité moindre pour des plantes produisant au moins une centaine de grains.
Le graphique A de la figure 23, représente la relation entre le nombre final de soies émergées et le diamètre d’ouverture de spathes. Le regroupement des plantes par génotype et par traitement permet de visualiser le placement moyen de chacun le long de la régression. Les plantes des quatre génotypes en condition irriguée avec un nombre moyen de soies émergées proche de 500, se détachent des autres traitements tout en étant peu écartés de la régression. Les plantes en condition d’irrigation mais ayant subi un manque de lumière restent sans se confondre, avec les plantes en déficit hydrique. Les plantes de ces traitements ont des nombres de soies émergées similaires, de l’ordre de 150. Cependant, on observe des écarts importants de diamètre d’ouverture de spathes pour ces groupes de plantes. Cette remarque se transpose au graphique B de la figure 23, représentant le nombre de grains produits en fonction du diamètre d’ouverture de spathes. Avec une corrélation comparable au graphique A de la figure 23, les plantes ayant une production importante de grains s’alignent mieux sur la courbe de régression, que celles en ayant produit peu.
Le regroupement des plantes par génotype et traitement permet de rapprocher chaque groupe le long de la courbe de régression. Cependant, un ajustement de la courbe de régression en fonction de chaque génotype permettrait, sous condition de conserver un même nombre de répétition, de prédire avec une fiabilité au moins aussi bonne, le nombre final de soies émergées et le nombre de grains produits d’un groupe de plantes à partir du diamètre d’ouverture de spathes mesuré au cinquième jour de floraison.
Figure 22 : Les barres ouvertes représentent les plantes en condition irriguée, les barres grises représentent les plantes en condition irriguée ayant subi un déficit de lumière lorsqu’elle était en début de floraison, les barres noires représentent les plantes en condition de déficit hydrique. (A) Diamètres d’ouverture de spathes mesurés au pied à coulisse par le notateur A sur les plantes de l’expérimentation SE, au cinquième jour après l émergence des premières soies. (B) Nombres de soies émergées en fin d’expérience, estimés par analyse d’image sur les plantes de l’expérimentation SE. (C) Nombres de grains calculés par analyse d’image sur les plantes de l’expérimentation SE. (D) PAR moyen reçu au cours d’une journée entre le deuxième jour avant floraison et le deuxième jour après floraison. La courbe d’un trait continu représente les plantes ayant reçu une quantité de lumière suffisante, celle en pointillée représente les plantes ayant subit un déficit de lumière.
Figure 23 : Les points ouverts représentent les plantes en condition bien irriguées, les points gris représentent les plantes en condition bien irriguées ayant subi un déficit de lumière lorsqu’elle était en début de floraison, les points noirs représentent les plantes en condition de déficit hydrique. Chaque génotype est représenté par symbole spécifique : Les ronds pour B73_H, les carrés pour F924_H, les losanges pour MS153_H, et les triangles pour Oh43_H. Les graphiques ont été construits à partir des diamètres d’ouverture de spathes mesurés au pied à coulisse par le notateur A sur les plantes de l’expérimentation SE, au cinquième jour après l émergence des premières soies. (A) Les nombres finals de soies émergées ont été estimés par analyse d’image. (B) Les nombres de grains produits ont été calculés par analyse d’image.
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IV. Discussion
Pour être accessibles au pollen, les soies (styles) de maïs émergent d’un orifice situé entre les gaines des spathes (bractées). A partir du diamètre d’ouverture de spathes et d’un coefficient de forme, de l’épaisseur moyenne de spathes et de la densité de soies (nombre de soies émergées par mm² d’ouverture de spathes), nous avons émis l’hypothèse qu’il serait possible de transformer, via une relation mathématique unique, une valeur de diamètre moyen d’ouverture de spathes mesuré à un instant t en un nombre de soies émergées à cet instant. La difficulté de modéliser les cinétiques des variables non accessibles directement, densités de soies et épaisseur de spathes, ne nous a pas permis d’établir une telle relation commune à toutes les plantes étudiées. Cette analyse a été conduite sur un seul génotype pour lequel le nombre de soies a été compté de façon exhaustive. Le comptage sur l’ensemble des génotypes pourrait permettre de progresser dans l’établissement d’une relation mathématique commune.
Sans connaitre ces variables, le diamètre d’ouverture de spathes est cependant bien corrélé au nombre de soies émergées au moment de la mesure au pied à coulisse sur les six premiers jours de floraison. Le coefficient de détermination observé entre ces caractères est alors de 0.77. On observe toutefois des variations importantes de diamètres d’ouverture de spathes pour un même nombre de soies, rendant compte d’une fiabilité contestable de ce paramètre pour caractériser l’émergence des soies au cours du temps et pour une plantes donnée. Si l’on regroupe les mesures au jour près selon le stade de floraison auxquelles elles ont été effectuées, cette corrélation s’améliore sensiblement sur les cinq premiers jours, à 0.97 tous génotypes confondus. Le nombre de répétitions et la connaissance parfaite du stade de floraison des plantes mesurées semblent être deux conditions nécessaires pour obtenir une bonne estimation de la cinétique du nombre moyen de soies émergées sur un groupe de plantes. Ces résultats découlent de mesures effectuées sur seulement sept plantes de l’expérimentation SD. De prochains résultats permettront de confirmer ou ajuster nos premières hypothèses.
Les caractères prédictifs du diamètre d’ouverture de spathes sur le nombre final de soies émergées et le nombre de grains produits sont similaires. Le nombre final de soies émergées et le nombre de grains produits sont corrélés positivement à 0.93. L’étude de l’un est transposable sur le second. La relation entre le diamètre d’ouverture de spathes et le nombre de grains produits devient réellement significative (coefficient de corrélation supérieure à 0.8) à partir du quatrième jour de floraison, et d’autant plus étroitement que le stade de floraison est avancé (coefficient de corrélation proche de 0.9 à la fin de la floraison). Cette relation englobe la variabilité génétique de notre matériel végétal, et pourrait donc être meilleure encore au sein d’un unique génotype. Au cinquième jour cette relation est en fait hétérogène, entre les plantes ayant une production inférieure ou supérieure à 100 grains. La relation est très étroite pour les plantes ayant une bonne production, et beaucoup plus lâche pour les plantes ayant une production inférieure à 100 grains. Cela sous-entendant une mauvaise prédiction du nombre de grains à partir du diamètre d’ouverture de spathes sur ces plantes. Une estimation moyenne et non individuelle du nombre de grains produits d’un groupe de plantes doit être envisagée si elles ont un faible rendement. La prédiction du nombre de grains produits sur des plantes ayant une bonne production, peut être obtenue avec une confiance correcte à partir du diamètre d’ouverture de spathes mesuré au jour cinq. Cette date clé correspond à la fois à une corrélation suffisante du diamètre d’ouverture de spathes avec le nombre de grains produits, et à un stade où les variations du diamètre d’ouverture de spathes sont minimes d’un jour à l’autre. L’application de cette relation dans un champ pourrait être envisagée, où il n’est pas possible de connaitre au jour près le stade de floraison de chaque plante. Un décalage de floraison existe d’une plante à l’autre, justifiant d’intervenir quand le diamètre d’ouverture de spathes varie peu. La régression reliant diamètre d’ouverture de spathes et le nombre de grains produits peut être différente au champ et varier d’un génotype à l’autre. Il serait intéressant de vérifier sa stabilité.
L’obtention de tels résultats dépend directement de l’effet expérimentateur. La comparaison des mesures au pied à coulisse du diamètre d’ouverture de spathes entre le notateur A et B donne des cinétiques de corrélation avec le nombre de grains produits sensiblement différentes. Un écart entre les coefficients de corrélation des notateurs A et B de 0.15 est observé aux cinquièmes jours de floraison (0.85 contre 0.7 pour le notateur B). Cet écart s’explique par une stratégie de mesure différente. L’application d’une pression exercée au pied à coulisse par le notateur A permet d’améliorer nettement la relation diamètre d’ouverture de spathes et nombre de grains produits, vraisemblablement en limitant le « vide »
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entre les spathes et les soies et entre les soies elles-mêmes. Une certaine habileté est alors requise, pouvant nécessiter un apprentissage délicat pour de mesure en mesure, appliquer une pression constante.
L’application nécessaire d’une pression modérée lors de la mesure au pied à coulisse du diamètre d’ouverture de spathes ne peut se faire par imagerie. La prédiction du nombre de grains produits en fonction du diamètre d’ouverture des spathes ne peut donc se faire de cette manière. L’intervention d’une main experte semble une solution intéressante. Cependant, l’utilisation de l’imagerie dans le but d’accéder par comptage sur photo, au nombre de soies émergées à un instant t reste possible. Un contrôle et réglage de l’éclairement associé à une bonne optique est primordial, et peut être délicat en extérieur.
L’utilisation d’un pied à coulisse ne permet pas un contrôle précis de la pression appliquée lors de la mesure du diamètre d’ouverture de spathes. Un bruit est occasionné, limitant la précision et finesse de nos résultats à l’échelle d’un individu. Un nombre de répétitions suffisant nous a permis d’atténuer cette gêne. Toutefois, un équilibre entre le nombre de mesures nécessaires à effectuer pour maximiser statistiquement la fiabilité de la méthode, et la masse de travail que cela occasionne doit être évalué. D’un point de vue technique, l’utilisation d’un pied à coulisse dynamométrique ou d’un palmer adapté à nos travaux, pourraient améliorer nos prédictions de nombre de grains produits et de dynamique d’émergence des soies, à partir du diamètre d’ouverture de spathes.
La méthodologie développée ici présente des caractéristiques qui en font, potentiellement, un bon outil de phénotypage, notamment au champ. La mesure de l’ouverture des spathes est un estimateur prédictif et non destructif de la réponse du nombre de grains produits et du nombre final de soies émergées des génotypes aux facteurs de l’environnement. La mesure est rapide (moins d’1 mn par plante), stable pendant une fenêtre de temps suffisante pour englober la variabilité inter plantes de date de floraison usuellement observées dans une parcelle de maïs. On peut donc envisager de la réaliser en un seul passage dans la parcelle quelques jours après le pic de floraison. Elle pourrait avoir une application directe et concrète en amélioration génétique du maïs. Dans l’immédiat, l’identification de QTL (Quautitative Trait Loci) impliqués dans le « maintien d’une production de grains en conditions hydriques limités autour de la floraison » pourrait en être une. Des travaux complémentaires devront être réalisés pour ajuster la méthodologie, et vérifier son domaine de validité.
