Water use efficiency in sunflower : Ecophysiological and genetic approaches | Efficience d'utilisation de l'eau chez le tournesol : approches écophysiologique et génétique

English. Water use efficiency (WUE), measured as the ratio of plant biomass to water consumption, is an essential agronomical trait for enhancing crop production under drought. Measuring water consumption is logistically difficult, especially in field conditions. The general objective of the present Thesis is to respond to three main questions: (i) can WUE be determined by using carbon isotope discrimination (CID), easy to measure?, (ii) how WUE and CID variation analysis can contribute to the genotypic selection of sunflower subjected to drought?, and (iii) can WUE variation be revealed by the variation of plant-water relation traits. Four experiments were carried out in greenhouse across two different years: (i) on two drought scenarios, progressive soil drying and stable water-stress, and (ii) on five levels of soil water content. The main traits that have been measured include WUE, CID, as well as plant-water relation traits, i.e. control of transpiration (FTSWt), water extraction capacity (TTSW), and dehydration tolerance (OA). A highly significant negative correlation was observed between WUE and CID, and a wide phenotypic variability was observed for both WUE and CID. A wide variability was also observed for FTSWt, TTSW and OA. The results provide new insight into the genetic control of WUE and CID related-traits, which, unlike to other crops, genetic control of WUE, CID, and TTSW in sunflower have never been reported in the literature. Further, quantitative trait loci (QTL) mapping for FTSWt was never reported in any plant species. The QTL for WUE and CID were identified across different drought scenarios. The QTL for CID is considered as a ‘‘constitutive’’ QTL, because it is consistently detected across different drought scenarios. The QTL for CID co-localized with the QTL for WUE, biomass and cumulative water transpired. Co-localization was also observed between the QTL for FTSWt and TTSW, between the QTL for TTSW and WUE-CID-biomass, as well as between the QTL for FTSWt-TTSW and biomass. This study highlights that WUE is physiologically and genetically associated with CID. CID is an excellent surrogate for WUE measurement, and can be used to improve WUE by using marker-assisted selection (MAS) to achieve the ultimate goal of plant breeding at genomic level.

French. L’efficience d’utilisation de l’eau (WUE), rapport entre la biomasse produite et l’eau consommée, est un trait essentiel à étudier en agronomie pour améliorer la production des cultures soumises à la sécheresse. Cependant, mesurer l’eau consommée par un couvert végétal est difficile à réaliser. L’objectif général de ce travail de thèse est de répondre à trois principales questions : (i) peut-on déterminer WUE en utilisant la discrimination isotopique du carbone (CID) facile à mesurer? (ii) comment l’analyse de la variabilité de WUE et CID peut contribuer à sélectionner des génotypes de tournesol soumis à la sécheresse? (iii) et les variations de WUE peuvent-elles être révélées par les variations de relations hydriques? Quatre expériences ont été conduites en serre pendant deux années : (i) avec deux scenario de sécheresse, l’une progressive, l’autre stable, et (ii) avec cinq niveaux de contenu en eau du sol stables. Les principaux traits mesurés sont WUE, CID et d’autres traits représentant les relations hydriques tels que le contrôle de la transpiration (FTSWt), la capacité d’extraction de l’eau (TTSW) et la tolérance à la déshydratation (OA). Une forte corrélation négative a été mise en évidence entre WUE et CID. Une large variabilité a également été observée pour FTSWt, TTSW et OA. Ces résultats permettent de connaitre le contrôle génétique de WUE et CID, ainsi que des traits associés, lesquels n’ont jamais été relatés dans la littérature. De plus, l’analyse QTL pour FTSWt n’a pas non plus été réalisée, chez aucune plante. Des QTL pour WUE et CID ont été identifiés pour différents scenario de sécheresse. Les QTL pour CID sont considérés comme ‘constitutifs’, parce qu’ils sont détectés dans les différents scenarios. Les QTL pour CID co-localisent avec ceux pour WUE, pour la biomasse et pour la transpiration cumulée. Des co-localisations de QTL ont également été observées entre FTSWt et TTSW, entre TTSW et WUE-CID-Biomasse, et entre FTSWt-TTSW et Biomasse. Cette étude met en évidence que WUE est physiologiquement et génétiquement associée à CID. De plus, CID représente un excellent substitue à la mesure de WUE et permet d’améliorer l’efficience d’utilisation de l’eau par sélection assistée par marqueurs.