Improving wheat crop models through temperature response: Phyllochron and photosynthesis. | Amélioration des modèles de cultures du blé par leurs réponses à la température : Phyllochrone et photosynthèse.

English. Crop models are tools used to predict crop yield in virtual climates. They enable to anticipate the effects of climate change and other constraints and to provide solutions to improve ouragriculture. However, current models have a limited consideration of the impact of thermal history on plant capacities, which could be a major limit to their performances. The workpresented here provides areas for improving wheat crop models by formalisms of leaf appearance rate and carbon assimilation response to temperature and its variations. The first chapter of thisstudy questions the actual modelling of leaf appearance rate. It is mostly predicted through empirical equations, which do not account for all known effects of temperature, light intensity,photoperiod, atmospheric CO2 concentration and development stage on wheat development rhythm. We present here a new way of modelling wheat leaf appearance rate (LAR) based onplant carbon status. This hypothesis of a carbon-driven development rate was supported by an experiment implying different levels of temperature, light intensity, photoperiod and atmosphericCO2. Results have been translated into an ecophysiological model which showed good performances in predicting LAR in contrasted field growth conditions. The second focus of thisthesis was the acclimation of wheat photosynthesis to a temperature change. Experiences carried out in this thesis allowed the development of a data set of assimilation capacities under a largenumber of temperature change scenarios. We were able to differentiate two types of acclimation mechanisms. The first one is the direct result of temperature effect on the photosynthesismetabolism rate, while the second one reflects the response of stomata to a change of temperature. These hypotheses have been studied deeper in the third chapter of this work, inwhich these results were reanalyzed through a gas exchange model. The objectives were first to understand the implication of stomatal conductance in wheat carbon assimilation response tolong and short-term temperature changes; and then to define the limitation of the model to predict this acclimation. This thesis demonstrates the importance of improving formalisms oftemperature effects on development rate and carbon assimilation. It also highlights the limits of empirical models and demonstrates that developing new equations closer to biological knowledgecould improve predictions of crop growth models.

French. Les modèles de cultures sont des outils très utilisé pour prédire le rendement des cultures dans des climats fictifs. Ils permettent d’anticiper les effets du changement climatique et d’autres contraintes et de prévoir des solutions pour améliorer notre agriculture. Mais les modèles actuels n’ont qu’une prise en compte limitée de l’impact de l’histoire thermique sur les capacités des plantes, ce qui pourrait être une limite majeure à leurs performances. Le travail présenté ici propose des pistes d’amélioration des modèles de culture, en particulier sur l’impact de l’histoire thermique des plantes sur la réponse du rythme d’apparition des feuilles et celle de la photosynthèse. Le premier axe de cette étude remet en question la modélisation actuelle du rythme d’apparition des feuilles. Ce dernier est majoritairement prédit via des équations empiriques qui ne traduisent généralement pas tous les effets connus de la lumière, photopériode, température, concentration en CO2, ou même du stade de développement sur le rythme d’émergence des feuilles de blé. Le premier chapitre de cette étude présente donc une nouvelle façon de modéliser le rythme de développement du blé basé sur la teneur en carbone de la plante. Cette hypothèse a pu être testée et validée par des expériences impliquant différentes températures, intensités lumineuses, photopériodes et teneurs atmosphériques en CO2. Les résultats ont été traduits en un modèle écophysiologique qui a montré de très bonnes performances dans des conditions de cultures en champs variées. Le deuxième axe de cette thèse s’intéresse à l’acclimatation de la photosynthèse du blé à un changement de température. Les expériences menées ici ont permis de développer un jeu de données regroupant un nombre important de scénarios de changement de température avec des suivis temporels de l’acclimatation de la photosynthèse. Nous avons pu différencier deux mécanismes d’acclimatation de la photosynthèse à la température : le premier est le résultat de l’effet de la température sur la vélocité du métabolisme, alors que le deuxième reflète la réponse des stomates aux changements de température. Ces hypothèses ont pu être approfondies dans un troisième axe d’étude où nous avons utilisé nos résultats dans un modèle de photosynthèse. Le but était ici d’abord de comprendre l’implication de la conductance stomatique dans la réponse de la photosynthèse à un changement température, qu’il soit immédiat ou sur du plus long terme ; puis de définir les limites du modèle à prédire l’acclimatation à la température. Ce travail démontre l’intérêt d’une prise en compte de l’aspect temporel sur la réponse des cultures à la température, que ce soit pour la photosynthèse ou pour le rythme de développement. Il montre aussi les limites des modèles empiriques et démontre que l’amélioration des modèles passe par la construction d’équations se rapprochant des connaissances biologiques.