Etude des bases génétiques de l'efficience de l'utilisation de l'azote du riz pluvial (Oryza sativa L.) à Madagascar

Rakotoson Luciano Tatiana. 2019. Etude des bases génétiques de l'efficience de l'utilisation de l'azote du riz pluvial (Oryza sativa L.) à Madagascar. Antananarivo : Université d'Antananarivo, 214 p. Thèse de doctorat : Biotechnologie : Université d'Antananarivo

Titre anglais : Genetic basis of nitrogen use efficiency in rainfed upland rice (Oryza sativa L.) in Madagascar

Encadrement : Ratsimiala Ramonta, Isabelle ; Raboin, Louis Marie

Résumé : La riziculture pluviale prend une place importante dans les exploitations agricoles Malagasy, en particulier sur les " tanety " des Hautes terres et du Moyen Ouest. Pourtant, les sols de " tanety " sont souvent très peu fertiles, notamment, en azote, qui est un facteur limitant du rendement des céréales comme le riz. De plus, les riziculteurs n'ont pas les moyens d'apporter des engrais chimiques et les rendements restent très faibles. L'enjeu de l'amélioration de l'efficience de l'utilisation de l'azote (NUE) est donc crucial dans ce contexte d'agriculture de subsistance ayant très peu recours aux engrais chimiques. La création de variétés pour ces systèmes à bas niveau d'intrants doit être envisagée. L'objectif global de cette étude est donc de contribuer à une meilleure compréhension du déterminisme génétique du NUE du riz pluvial et de l'élaboration du rendement en grains en fonction de la nutrition azotée. Pour ce faire, deux expérimentations ont été menées à Ivory, dans le Moyen Ouest de Madagascar, pendant quatre campagnes successives (2012 à 2016) pour évaluer le niveau de variabilité génétique existant pour NUE et d'autres caractères agronomiques, et pour identifier les régions chromosomiques responsables de la variation de ces caractères sur le riz pluvial, à l'aide de la génétique d'association (GWAS). La première expérimentation a été menée sur 13 variétés de riz pluvial dans un dispositif en bloc randomisé avec six répétitions et deux niveaux de fertilisation azotée (faible et fort), pendant trois campagnes (2012 à 2015). Au total, 21 caractères ont été mesurés dont le NUE et ses composantes ainsi que le rendement en grains (GY) et ses composantes. Une variabilité génétique pour NUE et ses deux composantes, ainsi que pour tous les autres caractères mesurés, a été montrée sur le riz pluvial. La variation de l'efficience de l'absorption de l'azote (NUPE) contribue le plus, fortement, à la variation de NUE, quel que soit le niveau d'azote du milieu. Nous n'avons pas observé la relation négative fréquemment reportée entre NUE et la teneur en azote des grains (GNC) dans les conditions de faible niveau d'azote. Les mesures négatives d'absorption d'azote post-floraison (POSTFLNUP), qui ont été mesurées par la différence entre absorption d'azote à floraison et à maturité, tendraient à indiquer que des pertes d'azote, par volatilisation, seraient intervenues après la floraison. Il est à noter que POSTFLNUP est toujours plus élevé à faible niveau d'azote qu'à fort niveau d'azote et qu'il existe une corrélation positive et significative entre NUE et POSTFLNUP à faible niveau d'azote. La deuxième expérimentation a été effectuée sur un panel de 198 variétés de riz pluvial dans un dispositif alpha plan avec deux répétitions sur deux campagnes (2014 à 2016) et deux niveaux d'azote. Des données phénotypiques sur le terrain concernant 21 caractères agronomiques, dont le NUE et ses composantes, et des données de génotypage par séquençage pour 190/198 variétés, donnant 38390 marqueurs SNP, ont été acquises pour mettre en oeuvre une étude de génétique d'association. Au total, 306 associations marqueurs-caractères ont été identifiées au seuil de p=10-4. Les marqueurs impliqués dans ces associations et qui sont en fort déséquilibre de liaison ont été regroupés en 47 régions haplotypiques. Très peu d'associations significatives ont été détectées pour les caractères complexes comme NUE ou GY mais beaucoup plus pour l'ensemble de leurs composantes, ce qui confirme l'intérêt de décomposer ces caractères complexes en des caractères plus simples et plus héritables. Toutefois, trois haplotypes sont particulièrement intéressants car ils ont des effets pléiotropiques sur un grand nombre de caractères. Deux sur trois sont associés au NUE et au GY. Un certain nombre de gènes candidats, proche de signaux d'association détectés, ont été proposés comme pouvant être impliqué dans la variation des caractères étudiés. Toutefois ces indications restent très spéculatives compte tenu du niveau de résolution de GWAS dans notre étude.

Résumé (autre langue) : Rainfed upland rice plays an important role on Malagasy farms, especially on the "tanety" of the Highlands and the Middle West. However, soils of "tanety" are often very little fertile, including nitrogen, which is a limiting factor in the yield of cereals such as rice. In addition, rice farmers cannot afford chemical fertilizers and yields are very low. The challenge of improving the nitrogen use efficiency (NUE) trait is therefore crucial in this context of low use of chemical fertilizers. The creation of varieties for these low-input systems should be considered. The overall objective of this study is therefore to contribute to a better understanding of the genetic determinism of the NUE in the rainfed upland rice and the elaboration of grain yield according to the nitrogen nutrition. Two experiments were then conducted at Ivory, in the Middle West of Madagascar, during four growing season (2012 to 2016) to evaluate the level of genetic variability existing for NUE and other related agronomic traits, and to identify chromosomal regions responsible for the variation of these traits on rainfed upland rice, using genome wide association study (GWAS). The first experiment was conducted on 13 varieties of rainfed upland rice in a randomized block device with six replicates and two levels of nitrogen fertilization (low and high) for three seasons (2012-2015). A total of 21 traits were measured, including NUE and its components as well as grain yield (GY) and its components. There was a genetic variability for NUE and its two components, as well as for all other traits measured in rainfed upland rice. Variation in Nitrogen Uptake Efficiency (NUPE) contributes most strongly to the variation of NUE, whatever the level of nitrogen supply. We did not observe the frequently negative relationship between NUE and grain nitrogen content (GNC) under low nitrogen conditions. The value of the post-flowering nitrogen uptake (POSTFLNUP), which were measured by the difference between nitrogen uptake at flowering and at maturation was negative, it suggest that nitrogen losses, through volatilization, occurred after flowering. It should be noted that POSTFLNUP is always higher at low nitrogen than at high nitrogen level and there was a positive and significant correlation between NUE and POSTFLNUP at low nitrogen level. The second experiment was carried out in a panel of 198 varieties of rainfed upland rice in an alpha plan device with two replications and two nitrogen level over two growing seasons (2014 to 2016). Phenotypic field data for 21 agronomic traits, including NUE and its components, and genotypic data from 190/198 varieties with 38390 SNP markers, were yielded to implement the genome wide association study. A total of 306 marker-trait associations were identified at the threshold of p = 10-4. The markers involved in these associations and which are in strong linkage disequilibrium were grouped into 47 haplotype. Very few significant associations were detected for complex traits like NUE or GY but much more for all of their components, which confirms the interest of splitting these complex trait into simpler and more heritable traits. However, three haplotypes are particularly interesting because they have pleiotropic effects on a large number of traits. Two out of three are associated with NUE and GY. A certain number of candidate genes, close to identified association signals, have been proposed as being able to be involved in the variation of the studied trait. However these indications remain very speculative given the level of resolution of GWAS in our study.

Mots-clés Agrovoc : Oryza sativa, riz pluvial, nutrition des plantes, azote, paramètre génétique, phénotype, rendement des cultures

Mots-clés géographiques Agrovoc : Madagascar

Classification Agris : F04 - Fertilisation
F30 - Génétique et amélioration des plantes

Auteurs et affiliations

• Rakotoson Luciano Tatiana, CIRAD-PERSYST-UPR AIDA (FRA)

Source : Cirad-Agritrop (https://agritrop.cirad.fr/592136/)

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