Intraspecific competition in maize : Observation through in situ phenotyping, in silico modelling, light regime and application to sowing structure optimization | Compétition intraspécifique chez le maïs : observation par phénotypage in situ, modélisation in silico, régime lumineux et application à l'optimisation de la structure de semis

Inglés. Agroecology integrates ecological principles into agriculture to enhance crop resilience by limiting inputs and maximizing efficiency of natural resources or mechanisms. This latter point is the focus of this thesis. Indeed, one option to enhance the performance of agricultural systems is to optimize plant architecture increasing radiation interception efficiency. This improvement could be achieved through a natural mechanism called phenotypic plasticity. In a competitive environment, with high plant density, maize plants optimize their position by adjusting the arrangement of their photosynthetic organs (leaves) based on neighboring plants, through biophysical processes. Thus, a shade reduction dynamic could limit the illuminated surface area lost at the canopy level. Following this hypothesis, this study aims to understand the influence of plant canopy on its ability to intercept light. This involves two levels of study: maize architecture at the individual plant level and the overall population architecture through sowing patterns, defined by density and row spacing. Our analyses rely on both true field trials, to be as close to real conditions (in situ) as possible, and 3D reconstructions of canopy, establishing a radiative balance on these virtual scenes (in silico). Concerning in situ data, they were collected over the three years of thesis. An unique panel of five hybrid was studied under various sowing patterns configurations, creating more or less competitive environments depending on plant density and spacing between them. A set of aerial characteristics was precisely described for each treatment and trial. This was done through manual acquisitions or indirect estimations using high-throughput phenotyping. Special emphasis was placed on genetic and environmental differences in leaf orientations. This focus, on this specific trait, is due not only to its importance in light interception but also to a lack of knowledge identified in the state of the art. For this purpose, we developed an image analysis algorithm to describe the interactions gxE of induced plasticity by modifying row spacing. Subsequently, thanks to this focus and using data from other aerial parameters collected, allometric relationships were used to model (in silico) virtual canopies. These relationships are considered realistic as they explicitly derive from what was observed in the field. In these cases, they are referred as digital twins. This reconstruction method allowed simulating several architectural specificities both at the individual and population levels. Thus, estimating their influence on the light regime to extract ideotypes, i.e., the best theoretical configurations for optimizing yield. Finally, these conclusions were compared to the actual yield measurements from the three years of experiments to study the reliability of the integrative approach on the yield maximization issue. The results of these analyses revealed significant differences both within hybrids and sowing patterns. Particularly in leaf positioning, showing a strong predominance of leaves oriented perpendicularly to the row direction with increasing intra-row competition. However, we found that this behavior ultimately had little influence on light interception thanks to sensitivity analysis (max. 25% importance). However, it turned out that vertical leaf inclination is the main architectural variable that regulates light intensity and its distribution. In this regard, plants with more erectophilic leaves will result in increased canopy photosynthesis. Finally, the configuration of the sowing pattern played a crucial role. According to this thesis work, reducing row spacing systematically had a positive impact on yield, regardless of the density considered. The magnitudes of yield gains involved in narrowing rows are approximately +1.0 to 2.0 t/ha when sowing at high density (>10 plts/m²) and considering relatively short row distances (<0.6m).

Francés. L'agroécologie intègre les principes écologiques dans l'agriculture pour améliorer la résilience des cultures en limitant les intrants et en maximisant l'efficacité des ressources ou des mécanismes naturels. Ce dernier point est au cœur de cette thèse. Une option pour améliorer les performances des systèmes agricoles est d'optimiser l'architecture des plantes en augmentant l'efficacité de l'interception du rayonnement. Cela pourrait se faire grâce à un mécanisme naturel appelé plasticité phénotypique. Dans un environnement compétitif, avec une densité élevée de plantes, le maïs optimise l'arrangement de ses organes photosynthétiques (feuilles) en fonction des voisins, à travers des processus biophysiques. Ainsi, une réduction de l'ombrage pourrait limiter la perte de la surface illuminée au niveau du couvert végétal. Suivant cette hypothèse, cette étude vise à comprendre l'influence du couvert végétal sur sa capacité à intercepter la lumière. Cela implique deux niveaux d'étude : l'architecture du maïs au niveau de la plante individuelle et celle de la population dans son ensemble au travers des schémas de semis, définis par la densité et l'espacement des rangs. Nos analyses reposent à la fois sur des essais terrain, pour se rapprocher autant que possible des conditions réelles (in situ), et sur des reconstructions 3D du couvert, établissant un bilan radiatif sur ces scènes virtuelles (in silico). Concernant les données in situ, elles ont été collectées au cours des trois années de thèse. Un panel unique de cinq hybrides a été étudié sous diverses configurations de semis, créant des environnements plus ou moins compétitifs en fonction de la densité des plantes et de l'espacement entre elles. Un ensemble de caractéristiques aériennes a été précisément décrit pour chaque traitement et essai. Soit par des acquisitions manuelles ou des estimations indirectes à l'aide du phénotypage à haut débit. Un accent particulier a été mis sur les différences génétiques et environnementales dans les orientations des feuilles dû non seulement à son importance dans l'interception de la lumière, mais aussi à un manque de connaissances identifié dans l'état de l'art. À cette fin, nous avons étudié les interactions gxE et la plasticité induite en modifiant l'espacement des rangs. Grâce à ce focus et en utilisant des données collectées d'autres paramètres aériens, des relations allométriques ont pu être créées pour modéliser les couverts virtuels. Ces relations sont considérées comme réalistes car elles dérivent explicitement de ce qui a été observé sur le terrain (i.e. jumeaux numériques). Cela s'est conclut par l'estimation de l'influence des traits sur le régime lumineux afin d'extraire des idéotypes, i.e. les meilleures configurations théoriques optimisant le rendement. Les résultats de ces analyses ont révélé des différences significatives entre les hybrides et les schémas de semis. En particulier dans le positionnement des feuilles, montrant une forte prédominance des feuilles orientées perpendiculairement à la direction du rang avec l'augmentation de la compétition intra-rang. Cependant, nous avons constaté que ce comportement avait finalement peu d'influence sur l'interception de la lumière grâce à une analyse de sensibilité (importance max. 25%). Cependant, il s'est avéré que l'inclinaison verticale des feuilles est la principale variable architecturale qui régule l'intensité lumineuse et sa distribution. À cet égard, les plantes avec des feuilles plus érectophiles entraîneront une photosynthèse du couvert accrue. Enfin, la configuration du schéma de semis a joué un rôle crucial. Selon ce travail, la réduction de l'espacement des rangs a systématiquement eu un impact positif sur le rendement, quelle que soit la densité considérée. Les amplitudes des gains de rendement liés au rétrécissement des rangs sont d'environ +1.0 à 2.0 t/ha lors du semis à densité >10 plts/m² et en considérant des distances entre rangs relativement courtes (<0.6m).