C/K interactomics in oil palm metabolism and allocation related to yield

Mirande-Ney Cathleen. 2020. C/K interactomics in oil palm metabolism and allocation related to yield. Gif-sur-Yvette : Université Paris-Saclay, 208 p. Thèse de doctorat : Sciences agronomiques : Université Paris-Saclay

Titre français : Intéractome C/K dans le métabolisme et l'allocation liés à la production chez le palmier à huile

Encadrement : Ghashghaie, Jaleh ; Lamade, Emmanuelle

Résumé : Oil palm (Elaeis guineensis Jacq.) is one of the most productive oil crop in the world, with yield values of about 4 t oil ha-1. Potassium (K) is of considerable importance for oil palm production. In fact, K availability is crucial for fruit development by increasing bunch weight and number. Unfortunately, such positive effects of K fertilization remain rather difficult to predict because of the lack of knowledge of underlying metabolic mechanisms. In effect, understanding these mechanisms would allow agronomists to better anticipate oil palm responses in terms of photosynthetic sugar production, respiratory loss, or lipid biosynthesis. The objective of this thesis was precisely to assess the effect of K availability on oil palm metabolic pathways and determine if metabolic changes could be related to oil production. To do so, we conducted our research work in situ, that is, in plantations in Sumatra (Indonesia), using realistic K levels far from excess or deficiency, with two contrasted oil palm crosses (Deli x La Mé and Deli x Yangambi) that are widely used in commercial planting. We combined analysis of functional traits (vegetative biomass, phenology, production and fruit analysis, gas exchanges), elemental analyses, functional genomics (proteomics and metabolomics) in leaflets and fruits during maturation. Furthermore, in order to gain knowledge on the effect of K on the redistribution of photosynthetic products from source to sink organs and show the feasibility of isotopic tracing in the field, a preliminary 13CO2 labelling experiment was carried out. In addition to expected effects of potassium on vegetative traits and bunches (number of fruits and/or total fruit biomass), our results show that K availability affected carbon and nitrogen primary metabolism in both leaflets and developing fruits. In leaves, high K conditions led to an increased photosynthetic capacity reflected by higher content in several enzymes (e.g. sucrose phosphatase) and sugar content (in particular disaccharides), in a cross-dependent manner. In addition, high K reconfigured catabolism, with an increase in respiration, Krebs cycle enzyme content and proteins of the mitochondrial electron transfer chain. In fruits, high K accelerated the kinetics of lipid production (fatty acid synthesis and elongation) and associated pathways, including transitory sugar and transitory starch storage and utilization, amino acid remobilization or activity of the oxidative pentose phosphate cycle. However, final mesocarp lipid composition at maturity appeared to be unchanged by K availability. This thesis presents, for the first time, a detailed metabolic exploration of oil palm in the field and shows that some metabolic traits (metabolites or enzymes) are linked to K availability, thereby opening avenues for the use of leaf biochemical markers to monitor oil palm mineral nutrition.

Résumé (autre langue) : Le palmier à huile (Elaeis guineensis Jacq.) est l'un des oléagineux les plus productifs au monde, avec des rendements d'environ 4 t huile ha-1. Le potassium (K) a une importance considérable pour la production. En effet, l'apport en K est crucial pour le développement des fruits, augmentant non seulement le nombre mais aussi le poids des régimes. Malheureusement, les effets bénéfiques de K sont peu prédictibles car on ignore encore les mécanismes métaboliques sous-jacents. De fait, comprendre ces derniers permettrait aux agronomes de mieux anticiper les effets potassiques sur la production photosynthétique des sucres, les pertes respiratoires et la biosynthèse des lipides. L'objectif de cette thèse était précisément de regarder les effets de la disponibilité en K sur les voies métaboliques et de voir s'il pouvait y avoir une relation entre les modifications métaboliques et la production d'huile. Pour cela, nous avons réalisé une étude sur le terrain à Sumatra (Indonésie) en utilisant des niveaux de K réalistes évitant l'excès ou la déficience, sur deux croisements largement utilisées commercialement (Deli x La Mé, Deli x Yangambi). Nous avons combiné une étude des traits fonctionnels (biomasse, phénologie, analyse des régimes, échanges gazeux), des teneurs élémentaires, et de génomique fonctionnelle (protéomique et métabolomique) dans les folioles et les fruits en cours de maturation. De plus, pour mieux comprendre les effets de K sur l'allocation des photosynthats des feuilles sources aux organes puits et juger si un marquage isotopique sur le terrain est possible, nous avons fait des manipulations préliminaires de marquages avec du 13CO2. Outre les effets attendus sur des traits végétatifs ou les régimes (nombre et/ou poids), nos résultats montrent que l'apport en K impacte le métabolisme primaire du carbone et de l'azote aussi bien dans les folioles que dans les fruits. Dans les feuilles, à K élevé, il y a une capacité photosynthétique accrue que reflètent des teneurs en enzymes-clef (ex. sucrose phosphatase) ou en sucres (disaccharides notamment), et ce de façon croisement-dépendante. De plus, le K élevé reprogramme le catabolisme, avec une augmentation de la respiration, et de la teneur en enzymes du cycle de Krebs et de protéines de la chaîne de transport d'électrons mitochondriale. Dans les fruits, à K élevé, il y a une accélération de la cinétique de dépôt des lipides (synthèse et élongation des acides gras) et des voies associées, comme la synthèse transitoire des sucres et de l'amidon, la remobilisation des acides aminés ou l'activité du cycle des pentoses phosphate. Pourtant, la composition finale des lipides du mésocarpe reste inchangée. Cette thèse présente ainsi, pour la première fois, une étude détaillée du métabolisme du palmier à huile au champ, et montre que certains traits métaboliques (métabolites ou enzymes) sont liés à la disponibilité en K, mettant en abyme une potentielle utilisation de biomarqueurs foliaires pour piloter la nutrition minérale du palmier.

Mots-clés Agrovoc : rendement des cultures, potassium, productivité agricole, métabolisme, Elaeis guineensis

Mots-clés géographiques Agrovoc : Cameroun

Classification Agris : F04 - Fertilisation
F61 - Physiologie végétale - Nutrition
F01 - Culture des plantes

Auteurs et affiliations

• Mirande-Ney Cathleen, CIRAD-PERSYST-UPR Systèmes de pérennes (FRA)

Source : Cirad-Agritrop (https://agritrop.cirad.fr/600626/)

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