Genetic caracterisation, transcriptomic and physio-morphological characterization of cold plasticity in sunflower Helianthus annuus | Caractérisation génétique, transcriptomique et physio-morphologique de la plasticité au stress froid chez le tournesol cultivé Helianthus annuus

Английский. Early sowing is an effective agricultural practice to reduce the increasing negative effects of drought due to climate change on sunflower yield. This practice involves sowing sunflower seeds earlier in the year, but exposes young plants to low temperatures, also causing significant yield losses. Exploiting plants' natural ability to modify their morphology and physiology, called plasticity, allows for adaptation of crops to agricultural practices suited to climate change.<p>This thesis project characterized the transcriptomic response at early stages and morphological and physiological plasticity in response to low temperatures from early stages to the final yield of the XRQ reference genotype. The use of controlled environment growth chambers, the Heliaphen highthroughput phenotyping platform under semi-controlled conditions, and field studies revealed a significant reduction in both aerial and underground plant development. Physiologically, an increase in ROS (Reactive Oxygen Species) and a decrease in chlorophyll content were observed in leaves at early stages. Enrichment in unsaturated fatty acids was observed in the hypocotyl. At later stages, flowering was delayed, seeds were enriched in unsaturated fatty acids, and yield was higher with early sowing.</p><p>To study how early stress impacts final yield, fine mapping of a QTL on chromosome five controlling yield plasticity under cold stress was conducted using a biparental population derived from a cross between IR (sensitive allele) and RHA438 (tolerant allele). Initially spanning 906,403 bp, mapping reduced the candidate size to 291,219 bp in the parent possessing the sensitive allele and 367,595 bp in the parent possessing the tolerant allele. Screening the 22 genes within this window against transcriptomic data reduced this list to eight candidate genes distributed across six functions. Five genes with functions related to cold tolerance described in literature were retained as candidates: alternative NADH oxidoreductase (x2), fatty acyl transferase, and H3K4me3 (x2).</p><p>To study plasticity of morphological and physiological traits at early stages potentially impacting later stages, genome-wide association studies (GWAS) were conducted on individuals stressed by cold, nonstressed individuals, and their plasticities. Two QTLs involved solely in plant size plasticity were detected, one QTL for hypocotyl size plasticity, three QTLs for ROS production plasticity, and one QTL for flavonol content plasticity. Genes in these QTLs are primarily associated with regulatory and signaling functions.</p>

Французский. Le semis précoce est une pratique agricole efficace pour diminuer les effets négatifs croissants de la sécheresse due au changement climatique sur le rendement du tournesol. Cette pratique consiste à semer le tournesol plus tôt dans l’année mais expose les jeunes plants à des basses températures, causant également d'importantes pertes de rendement. L’exploitation de la capacité naturelle des plantes à modifier leur morphologie et leur physiologie, appelée plasticité, permet une adaptation des cultures aux pratiques agricoles adaptées au changement climatique.Ce projet de thèse a permis de caractériser la réponse transcriptomique à des stades précoces et la plasticité morphologique et physiologique en réponse aux basses températures du stade précoce jusqu’au rendement final du génotype de référence XRQ. L’utilisation de chambres de culture en conditions contrôlées, de la plateforme de phénotypage haut-débit Heliaphen en conditions semi-contrôlées et en champs a permis de révéler une diminution importante du développement aérien et souterrain de la plante. Au niveau physiologique, une augmentation des ROS (Espèce réactive de l’oxygène) et une diminution de la quantité de chlorophylle sont observées dans les feuilles à des stades précoces. Un enrichissement en acides gras insaturés est observé dans l’hypocotyle. À des stades plus tardifs, la floraison est retardée et les graines sont enrichies en acides gras insaturés, et le rendement est plus important en semis précoce.Afin d’étudier comment un stress précoce impacte le rendement final, une cartographie fine d’un QTL sur le chromosome 5 contrôlant la plasticité du rendement sous stress froid est effectuée à l’aide d’une population biparentale issue du croisement entre IR (allèle sensible) et RHA438 (allèle tolérant). Initialement d’une taille de 906 403 pb, la cartographie a permis de diminuer la taille candidate à 291 219 pb chez le parent possédant l’allèle sensible et 367 595 pb chez le parent possédant l’allèle tolérant. La confrontation des 22 gènes présents dans cette fenêtre avec des données de transcriptomique a permis de réduire cette liste à huit gènes candidats répartis dans six fonctions. Cinq gènes dont les fonctions impliquées dans la tolérance au froid sont décrites dans la littérature sont retenus comme candidats : alternative NADH oxido-réductase (x2), fatty acyl transferase et H3K4me3 (x2).Afin d’étudier la plasticité de traits morphologiques et physiologiques à des stades précoces pouvant potentiellement impacter des stades plus tardifs, des études d’association (GWAS) menées sur des individus stressés au froid, des individus non stressés et leurs plasticités sont menées. Deux QTL impliqués uniquement dans la plasticité de la taille de la plante sont détectés, un QTL pour la plasticité de la taille de l’hypocotyle, trois QTL pour la plasticité de la production de ROS et un QTL pour la plasticité du contenu en flavonol. Les gènes de ces QTL sont principalement associés à des fonctions de régulation et de signalisation.