Exploring pearl millet root system and its outcome for drought tolerance

Passot Sixtine. 2016. Exploring pearl millet root system and its outcome for drought tolerance. Montpellier : Université de Montpellier, 140 p. Thèse de doctorat : Biologie, interactions, diversité adaptative des plantes : Université de Montpellier

Titre français : Exploration du système racinaire du mil et ses conséquences pour la tolérance à la sécheresse

Encadrement : Laplaze, Laurent ; Guédon, Yann

Résumé : Pearl millet plays an important role for food security in arid regions of Africa and India. Nevertheless, it lags far behind other cereals in terms of genetic improvement. Improving its root system could improve pearl millet tolerance to abiotic constraints (drought and low nutrient availability) and lead to a significant increase in production. The objective of this work is to characterize pearl system root system development in order to produce knowledge for breeding, mainly targeted on tolerance to drought stress occurring at the early growth stages. First, we described the dynamics of early pearl millet root system development and the anatomy of the different root types. This work revealed the existence of three anatomically distinct types for lateral roots. We also showed the existence of variability in primary root growth and lateral root density in a diversity panel derived from cultivated varieties. Our study also revealed a large variability among the growth profiles of lateral roots. To further analyze this diversity, the growth rates of a large number of lateral roots were measured daily and a statistical model was developed to classify these lateral roots into three main trends, according to their growth profiles. These three categories distinguish roots according to their growth rate and their growth duration. These different lateral root types are randomly distributed along the primary root and there seem to be no influence of root types on the intervals between successive lateral roots. The three growth types correspond, though imperfectly, to the three anatomical types evidenced in the first chapter. A similar work has been performed on maize, which was used to compare these two phylogenetically close cereals. Finally, we initiated the search for genetic markers associated to primary root growth, a trait potentially involved in early drought stress tolerance. A large panel of genetically fixed pearl millet inbred lines was phenotyped, confirming the presence of a large variability existing for this trait. These lines were then genotyped by sequencing. Analyses of association between phenotype and genotype are underway. This work provides a precise description of pearl millet root system that was little studied to date. Our data were used for parameterization and testing of functional structural plant models simulating root growth and water transport. The statistical tool developed for the characterization of the different lateral root growth types is an original approach that can be used on other cereals. Finally, results from our association study will reveal new information on the genetic control of root growth and open the way to marker assisted selection for root traits in pearl millet.

Résumé (autre langue) : Le mil est une céréale d'importance majeure pour la sécurité alimentaire dans les régions arides d'Afrique et d'Inde. Pourtant, elle a fait l'objet de relativement peu d'efforts d'amélioration variétale par rapport à d'autres céréales. En particulier, l'amélioration de son système racinaire pourrait permettre une amélioration de la tolérance de cette plantes aux contraintes physiques qu'elle subit (sécheresse et faible disponibilité en nutriments) et ainsi un accroissement substantiel de la production. L'objectif de ce travail est de caractériser ce système racinaire, en vue de produire des connaissances nécessaires à l'amélioration variétale, axée principalement sur la tolérance à la sécheresse en début de cycle. Dans un premier temps, nous avons décrit précisément la morphologie du système racinaire dans les premiers stades de développement, la dynamique de mise en place des axes racinaires ainsi que l'anatomie des différents types de racines. Ce travail a mis en évidence l'existence de trois types anatomiques distincts pour les racines latérales. Nous avons également mis en évidence l'existence de variabilité dans la dynamique de mise en place précoce du système racinaire au sein d'un panel de diversité issu de variétés cultivées. Notre étude a aussi révélé une grande variabilité des profils de croissance des racines latérales. Pour analyser plus avant cette diversité, la croissance d'un grand nombre de racines latérales a été mesurée quotidiennement et un modèle statistique a été conçu pour classer ces racines en trois grandes tendances selon leurs profils de croissance. Ces trois catégories distinguent les racines en fonction de leur taux de croissance et de leur durée de croissance. Ces différents types racinaires sont répartis aléatoirement le long de la racine primaire et il ne semble pas y avoir d'influence des types sur les intervalles entre racines latérales successives. Les trois types cinétiques correspondent, imparfaitement cependant, aux trois types anatomiques mis en évidence dans le premier chapitre. Un travail similaire a été effectué sur le maïs, ce qui a permis de comparer ces deux céréales phylogénétiquement proches. Enfin, nous avons débuté la recherche de marqueurs génétiques associés à la croissance de la racine primaire, un trait supposément impliqué dans la tolérance à la sécheresse précoce. Ce travail a nécessité le phénotypage de ce trait sur un panel de lignées de mil fixées, qui a confirmé la présence d'une grande variabilité existante pour ce trait. Ces lignées ont ensuite été génotypées par séquençage. Les analyses d'association génotype/phénotype sont en cours. Ce travail de thèse a permis de caractériser plus précisément le système racinaire du mil, relativement mal connu jusqu'à ce jour. Il a fourni des données utiles pour la paramétrisation et le test de modèles fonctionnels de croissance et de transport d'eau. La caractérisation cinétique précise des types de racines latérales est une approche originale et pourra être utilisée chez d'autres céréales. Enfin, les données acquises par génétique d'association devraient pouvoir servir à une meilleure compréhension de la mise en place de ce système racinaire et ouvrent la voie à l'amélioration assistée par marqueurs génétiques pour des traits racinaires chez le mil.

Mots-clés libres : Root system, Anatomy, Modeling

Classification Agris : F50 - Anatomie et morphologie des plantes
F62 - Physiologie végétale - Croissance et développement
U10 - Informatique, mathématiques et statistiques

Champ stratégique Cirad : Axe 1 (2014-2018) - Agriculture écologiquement intensive

Auteurs et affiliations

• Passot Sixtine, CIRAD-BIOS-UMR AGAP (FRA)

Source : Cirad-Agritrop (https://agritrop.cirad.fr/582726/)

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