Études des changements physiologiques et moléculaires du blé (Triticum aestivum L.) en réponse aux concentrations élevées de CO2 durant l'acclimatation au froid

Kane, Khalil (2012). « Études des changements physiologiques et moléculaires du blé (Triticum aestivum L.) en réponse aux concentrations élevées de CO2 durant l'acclimatation au froid » Thèse. Montréal (Québec, Canada), Université du Québec à Montréal, Doctorat en biologie.

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Résumé

Les prédictions du réseau intergouvernemental sur les changements climatiques indiquent que la concentration ambiante de dioxyde de carbone (CO2) d'environ 350 µm.mol-1 va doubler d'ici la fin du siècle. Cette hausse de CO2 combinée au réchauffement de la température va avoir un effet drastique sur l'agriculture et les écosystèmes. Grâce à leur grande variabilité génétique, le blé (Triticum aestivum) et le seigle (Secale cereale) sont très adaptés aux stress abiotiques et biotiques. Les variétés d'hiver capables de s'acclimater au froid sont plus résistantes aux basses températures. Cette meilleure capacité de tolérance pourrait-elle conférer un avantage durant la croissance et le développement des céréales soumis aux concentrations élevées de CO2 de 700 µm.mol-1? La comparaison des processus physiologiques, biochimiques et moléculaires associés à la réponse du blé et du seigle non acclimatés et acclimatés au froid durant leur croissance et développement en concentrations ambiantes et élevées de CO2 ont été l'objet de notre étude. Dans le premier article de ce travail, nous avons comparé la contribution des effets de la plasticité phénotypique observée au niveau des feuilles et de la plante entière avec les effets biochimiques et moléculaires sur la performance photosynthétique et l'utilisation de l'eau des cultivars hivernaux et printaniers de blé (cv Norstar et cv Katepwa) et de seigle (cv Musketer et cv SR4A) non-acclimatés (20°C) et acclimatés au froid (5°C). Le blé et le seigle d'hiver acclimatés au froid présentent des hausses de 22 et 44% de leur activité photosynthétique maximale (Asat) et du double de leur efficacité d'utilisation de l'eau. Les sucres produits par la photosynthèse sont exportés au niveau des organes de réserve et de la paroi cellulaire. Les analyses biochimiques et moléculaires montrent que les céréales d'hiver acclimatées au froid augmentent leur efficacité et taux de transfert d'électrons photosynthétiques, diminuent la pression d'excitation au niveau de leur photosystème II et augmentent la dissipation de l'énergie sous forme de chaleur, démontrant ainsi une meilleure performance face à l'inhibition photosynthétique associée au froid. Par ailleurs les résultats obtenus avec la surexpression de BNCBF17 chez Brassica napus indiquent que les gènes CBFs/DREBs semblent réguler la tolérance au gel et gouvernent l'architecture des plantes, l'anatomie des feuilles, la performance photosynthétique et l'efficacité de l'utilisation de l'eau. Nous discutons dans cet article des coûts et des bénéfices de la plasticité phénotypique en termes de survie hivernale et de la capacité de reproduction. Dans le deuxième article nous avons déterminé si l'exposition à court terme aux concentrations élevées de CO2 de 700 µm.mol-1 pouvait compenser l'inhibition photosynthétique induite par le froid chez les variétés printanières de céréales. Les taux d'assimilation de la photosynthèse (Asat) ont été mesurés chez deux variétés (hivernale et printanière) de blé Triticum aestivum (cv Norstar et Katepwa) et de seigle Secale cereale (cv Musketeer et cv SR4A) non acclimatées (température 20/16°C jour/nuit) et acclimatées au froid (température 5/5°C jour/nuit). Suite à une exposition courte de aux concentrations élevées de CO2 de 700 µmol C mol-1, les variétés printanières de blé et seigle acclimatées au froid présentent une diminution de 45 à 60% de leur taux de photosynthèse comparée à leurs homologues non acclimatées. Les plants de blé et de seigle d'hiver acclimatés au froid présentent une augmentation de 15 à 35% de leur photosynthèse comparativement aux plants non acclimatés. L'assimilation de CO2 durant l'acclimatation au froid est 60% moins élevée chez les variétés printanières comparativement aux variétés hivernales. Ces résultats démontrent que l'exposition à court terme aux concentrations élevées de CO2 ne peut compenser l'inhibition photosynthétique induite par le froid chez les variétés printanières. La limitation du CO2 pour la Ribulose 1, 5-biphosphate carboxylase/oxygénase que l'on observe généralement à concentration ambiante de CO2 est accentuée par l'acclimatation au froid chez les cultivars de printemps. De plus, l'exposition à court terme aux concentrations élevées de CO2, ne permet pas aux cultivars de printemps d'ajuster la sensibilité thermale associée à la photosynthèse durant l'acclimatation au froid comparativement aux cultivars d'hiver. Dans le troisième article, l'analyse du transcriptome chez le blé (Triticum aestivum. L,) d'hiver Norstar cultivé à long terme en conditions de CO2 ambiant (380 µmol C mol-1) et élevé (700 µmol C mol-1) a été initiée afin de déterminer les facteurs physiologiques et génétiques impliqués dans la réponse des plantes non-acclimatés (NA, 20°C) et acclimaté au froid (CA, 5°C) aux concentrations élevées de CO2. Les plantes acclimatées au froid en conditions de CO2 ambiant présentent, un phénotype court et robuste, une réduction de 33% de leur croissance, une hausse double du poids spécifique de leur feuille de même que de leur quantité de protéine et une hausse de 30% de leur quantité de chlorophylle par unité de surface foliaire comparativement aux plantes non acclimaté. Les concentrations élevées de CO2 ont peu d'effets sur ces paramètres morphologiques. Néanmoins les concentrations élevées de CO2 ont entraîné une hausse de 30% de la biomasse des parties aériennes du blé non acclimaté et acclimaté au froid. Le blé Norstar acclimaté au froid maintient des taux de photosynthèses en conditions de lumière et de CO2 saturantes comparables au blé non-acclimaté, mais requiert moins de quantum pour la fermeture du photosystème et pour la dissipation de l'énergie sous forme de chaleur. Les plantes non acclimaté et acclimaté au froid ne sont pas sensibles à l'inhibition photosynthétique induite par les concentrations élevées de CO2. L'effet le plus marqué des concentrations élevées de CO2 chez le blé non acclimaté est la diminution de l'expression des gènes impliqués dans la défense des plantes face aux pathogènes. Par contre, ces effets sont moins accentués chez les plantes acclimatées au froid grâce à l'induction des gènes impliqués dans la résistance aux pathogènes, dans la tolérance au gel, dans la protection et à la stabilisation du chloroplaste. Ces résultats démontrent que l'acclimatation au froid et les concentrations élevées de CO2 ont des effets opposés sur la régulation du système de défense des plantes. Ces résultats démontrent que es concentrations élevées de CO2 auront moins d'impact sur la performance et la productivité des plantes qui vivent dans les pays nordiques contrairement à celles qui vivent dans les environnements plus chauds. Avec les conditions de CO2 élevé prévu, la sélection de plantes ayant des caractères de résistance aux pathogènes est fortement suggérée. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Assimilation de CO2, concentrations élevées de CO2, acclimatation au froid, transcriptome, stress abiotiques et biotiques, gènes de résistance aux pathogènes

Type: Thèse ou essai doctoral accepté ()
Informations complémentaires: La thèse a été numérisée telle que transmise par l'auteur. La thèse originale comporte un document d'accompagnement disponible uniquement au comptoir du prêt de la bibliothèque
Directeur de thèse: Sarhan, Fathey
Mots-clés ou Sujets: Adaptation au froid, Aspect moléculaire, Blé, Effet physiologique, Gaz carbonique atmosphérique, Photosynthèse, Seigle
Unité d'appartenance: Faculté des sciences > Département des sciences biologiques
Déposé par: Service des bibliothèques
Date de dépôt: 04 juill. 2013 14:57
Dernière modification: 01 nov. 2014 02:25
Adresse URL : http://archipel.uqam.ca/id/eprint/5354

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