Temporal ecophysiological study of carbon and nitrogen reserve management in three miscanthus genotypes | Etude écophysiologique temporelle de la gestion des réserves carbonées et azotées par trois génotypes de miscanthus

Inglés. Lignocellulosic biomass from Miscanthus x giganteus (M×g) is an ecological alternative to the use of fossil resources. Thanks to nutrient recycling mechanism, M×g presents low nitrogen fertilization requirements, which limits its environmental impacts. Nowadays, only one clone of M×g is mainly cultivated in France. Miscanthus sinensis (Msin) presents a high intra-specific variability in terms of biomass quality and stress tolerance. This species is interesting to expand varietal offer only if its environmental impacts are as low as M×g. But its functioning and nutrients management have not yet been really investigated. The aim of this thesis is to characterize carbon and nitrogen reserves management of Msin in comparison with M×g, in relation to plant development and biomass production. This thesis constitutes, to our knowledge, the first temporal characterization of the development, biomass production and reserves management of two miscanthus species simultaneously.Plant development monitoring and whole plant sampling were carried out in field every ten days during the growing season for two years on Msin Goliath, Msin Malepartus and M×g. To our knowledge, such an experimental work, which combines carbon and nitrogen management in 3 genotypes, with such a fine time resolution has never been done before.Nitrogen functioning was characterized by endogenous and exogenous fluxes. The management of carbon and nitrogen reserves was studied through the analysis of starch, sucrose and nitrogen concentrations in the rhizome, which was separated into functional compartments according to their source or sink relation, and in the stembases. Carbon and nitrogen storage and their remobilization dynamics in the rhizome were studied together, while the storage roles of functional compartments were determined. Finally, multivariate statistical analyses were carried out to highlight functional types.M×g remained an ideotype for biomass production due to its high yield (22 t ha-1 yr-1 in February vs 10 to 14 t ha-1 yr-1 for Msin) combined with an efficient nitrogen recycling, including a high spring remobilization efficiency with 59% of the rhizome nitrogen which were remobilized. It was characterized by a high RUE (2.58 g MJ-1 vs 1.21 to 1.60 g MJ-1 for Msin), a higher non-structural carbohydrates reserve content (99 mg g-1 vs 47 to 57 mg g-1 for Msin), which was mainly composed by starch (70%). Msin Malepartus presented a lower biomass production and an earlier flowering of one to two months, but remained interesting regarding its autumnal nitrogen remobilization efficiency (74 to 75% of the above-ground parts nitrogen were remobilized) but uptook a significant part of exogenous nitrogen (81% of the total nitrogen of the plant came from exogenous nitrogen). Finally, Msin Goliath presented a good production potential but appeared less efficient to limit environmental impacts because its nitrogen recycling seemed less efficient: 57 to 63% of the above-ground parts nitrogen were remobilized in autumn and 10 to 24% of the above-ground parts nitrogen were stored in rhizome during winter. It has a high proportion of sucrose (41 to 54%). Although no direct link could be established, the stay-green character of Msin could be at the origin of the differences in reserve management compared to M×g. Variables related to reserve management were proposed to the breeders: high RUE, late panicle emergence date and high spring nitrogen remobilization efficiency were related with high yields. Early active senescence and low shoots number, combined with a high proportion of starch in the carbon reserves would be related to low above-ground parts nitrogen concentration in late winter.In conclusion, Msin is a promising species to expand varietal offer, with contrasted carbon and nitrogen reserves management as well as contrasted development. However, these results have to be expanded with several genotypes as well as various soil and climatic conditions.

Francés. La biomasse lignocellulosique issue de Miscanthus x giganteus (M×g) constitue une alternative écologique à l’utilisation des ressources fossiles. Son recyclage des nutriments lui permet de présenter de faibles besoins en fertilisation azotée, limitant les impacts environnementaux. Aujourd’hui, un seul clone de M×g est majoritairement cultivé en France. Miscanthus sinensis (Msin) présente une forte variabilité intra-spécifique (qualité de biomasse, tolérance aux stress). Il est intéressant pour élargir l’offre variétale s’il présente aussi peu d’impacts environnementaux que M×g. Mais son fonctionnement et sa gestion des nutriments ont été peu étudiés. L’objectif de la thèse est de caractériser la gestion des réserves carbonées et azotées de Msin par rapport à M×g, en lien avec le développement de la plante et la production de biomasse. Cette thèse constitue, à notre connaissance, la première caractérisation temporelle aussi fine du développement, de la production de biomasse et de la gestion des réserves de deux espèces de miscanthus en simultané.Le fonctionnement azoté a été caractérisé par des flux endogènes et exogènes d’azote. L’étude de la gestion des réserves carbonées et azotées a été réalisée grâce à l’analyse des concentrations en amidon, en saccharose et en azote dans le rhizome, séparé en compartiments fonctionnels selon leurs rôles source ou puits, et dans les bas de tiges. Les dynamiques de stockage et de remobilisation du carbone et de l’azote dans le rhizome ont été mises en parallèle, et les rôles de stockage des compartiments fonctionnels ont été déterminés. Finalement, des analyses statistiques multivariées ont permis de définir des types de fonctionnement.M×g reste un idéotype pour la production de biomasse grâce à son rendement important (22 t ha-1 an-1 en février vs 10 à 14 t ha-1 an-1 en pour les Msin) couplé à un recyclage de l’azote efficient, notamment une forte efficience de remobilisation printanière avec 59% de l’azote du rhizome remobilisés. Il présente aussi une RUE importante (2,58 g MJ-1 vs 1,21 à 1,60 g MJ-1 pour les Msin), une plus forte teneur en glucides de réserve (99 mg g-1 vs 47 à 57 mg g-1 pour les Msin) composés majoritairement d’amidon (70%). Msin Malepartus, présente une production de biomasse inférieure et une floraison plus précoce d’un à deux mois, mais reste intéressant grâce à son efficience de remobilisation automnale de l’azote (74 à 75% de l’azote des parties aériennes sont remobilisés) mais utilise une part importante d’azote exogène (81% de l’azote total de la plante est issu de l’absorption d’azote exogène). Finalement, Msin Goliath, présente un bon potentiel de production mais apparait moins adapté pour limiter les impacts environnementaux car son recyclage de l’azote semble moins efficient : 57 à 63% de l’azote des parties aériennes sont remobilisés à l’automne et 10 à 24% de l’azote des parties aériennes sont stockés dans le rhizome durant l’hiver. Il présente une forte proportion de saccharose dans ses réserves carbonées (41 à 54%). Même si aucun lien direct n’a pu être établi, le caractère stay-green des Msin pourrait être à l’origine des différences de gestion des réserves par rapport à M×g. Des variables en lien avec la gestion des réserves sont proposées aux sélectionneurs : une forte RUE, une date de sortie de panicule tardive et une forte efficience de remobilisation printanière de l’azote indiquent des rendements importants. Une sénescence active précoce et un faible nombre de tiges, associés à une forte proportion d’amidon dans les réserves carbonées seraient liés à une faible teneur en azote dans les parties aériennes à la fin de l’hiver.En conclusion, Msin est une espèce prometteuse pour élargir l’offre variétale, mais les génotypes montrent des différences concernant leur gestion des réserves carbonées et azotées et leur développement. Il est cependant nécessaire de compléter cette étude sur plusieurs génotypes dans des conditions pédoclimatiques variées.