Nitrogen use efficiency inwheat in bread wheat (T. aestivum L.) : breeding & gene discovery | L'efficience d'utilisation de l'azote chez le blé tendre (triticum aestivum) : sélection et découverte de gènes

English. In a context of fertiliser reduction, breeding for enhanced nitrogen use efficiency in bread wheat is necessary. This PhD thesis resulting from private-public collaboration between the French National Institute for Agricultural Research and Biogemma aimed providing necessary tools. Analyses were conducted using a dataset of 225 commercial varieties genotyped with 24K SNP and tested in eight combinations of year, location, and nitrogen regimes. We showed that even if past selection increased nitrogen use efficiency at high and moderate nitrogen regimes, genetic progresses need to be accelerated and better balanced between traits. This could be achieved by mixing phenotypic and marker assisted selections. In this sense, we developed a method to define quantitative trait locus from genome-wide association study: 333 chromosomal regions involved in 28 NUE-related traits have been identified. The NAM-A1 gene was located in one of these regions and its natural variants were characterized. We also showed that genomic selection could be improved by pre-selecting SNP based on their significance in a multi-environmental genome-wide association study. Networks of epistasis interactions were also studied and an interesting sub-network was identified. Results and methods are discussed regarding breeding and gene discovery strategy. Further investigations and improvements are suggested.

French. Dans un contexte de réduction des intrants agricoles, la création de variétés de blé qui utilisent l’azote de manière plus efficiente est aujourd’hui nécessaire. Cette thèse, issue d'un partenariat public-privé entre l'Institut National de la Recherche Agronomique et Biogemma, avait pour but d'apporter des outils nécessaires à la création de variétés répondant à cette exigence. Pour ce faire, nous avons analysé 225 variétés commerciales génotypées avec 24K SNP et testées dans huit combinaisons d’année, lieu et régime azoté. Nous avons montré que même si la sélection a amélioré l’efficience d’utilisation de l’azote en condition optimale et sub-optimale, ce progrès génétique doit être accéléré et mieux réparti entre les différents traits. Nous proposons pour cela de mixer sélection phénotypique et sélection assistée par marqueurs. Dans ce sens, nous avons développé une méthode pour définir les régions chromosomiques associées à nos 28 traits. Parmi les 333 régions identifiées, nous avons notamment localisé le gène NAM-A1 et avons pu caractériser ses variants naturels. Nous avons aussi montré que la sélection génomique pourrait être plus efficace si les SNP étaient présélectionnés en fonction de leurs significativités en génétique d’association multi-environnementale. Les réseaux d’interactions épistatiques furent aussi étudiés, mettant en évidence un sous-réseau particulièrement intéressant. Nos résultats et méthodes sont discutés au regard des stratégies d’amélioration variétale et de découverte de gènes. Des pistes de recherche complémentaires et des améliorations ont aussi été suggérées.