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Stage master : contribution de la densité stomatique à la transpiration chez la vigne : approche par génétique d’association (h/f)
Référence
1540894750
Date limite pour postuler
31/12/2018
Date de publication
30/10/2018

Caractéristiques

Précision sur la nature du contrat
Stage
Durée du contrat
6 mois
Date de début de contrat
01/03/2019

Rémunération
Selon la règlementation en vigueur pour 2019 (environ 550 €/mois)
Domaine professionnel
Sciences de la vie et de la terre

Affectation

Nom de l'unité d'affectation
UMR0759 LEPSE Écophysiologie des Plantes sous Stress environnementaux
Adresse de l'unité d'affectation
INRA - Campus Supagro Montpellier 2 place Viala 34060 MONTPELLIER CEDEX 2
Région de l'unite d'affectation
Occitanie

Descriptif

Environnement de travail

Contexte et problématique :

Les productions fruitières sont menacées par les effets duchangement climatique, notamment dans les régions méditerranéennes où le risque d’augmentation de la fréquence et de l’intensité des épisodes desécheresseest particulièrement élevé(1). Ainsi,optimiser l’efficience d’utilisation de l’eau par les plantes devient impératif face à la concurrence croissante pour l’usage de l’eau. L’adaptation au changement climatique fait l’objet de l’Axe thématique 4 du GIS Fruits.

Une stratégie consiste àréduire les pertes en eaupar transpiration. Cependant, les plantes sont soumises à un compromis fonctionnel entretranspiration et photosynthèse. Ce compromis trouve son origine au niveau des stomates, à la surface des feuilles. En s’ouvrant pour faciliter la diffusion du CO2  jusqu’aux chloroplastes et ainsi accélérer la photosynthèse, les stomates laissent la vapeur d’eau du mésophylle s’échapper vers l’atmosphère(2). Ce couplage a donné naissance au concept d’efficience d’utilisation de l’eau(3), qui s’est transformé en cible de choix pour l’améliorationvariétale de la  tolérance à la sécheresse (4).  Ainsi, la recherche des  génotypes capables de découpler photosynthèse et transpiration a pu guider des programmes de sélection chez le blé(5). Chez  les espèces  fruitières,  plusieurs  approches  de  génétique  quantitative  ont  été  menées  pour  tenter d’identifier des zones génomiques impliquées dans le contrôle de l’efficience d’utilisation de l’eau, comme chez la tomate(6), le pommier(7–9)ou la vigne(10, 11).

Une possibilité d’améliorer cette efficience est deminimiser les pertes d’eau qui ont lieu pendant la nuit. En effet la nuit, il existe une transpiration résiduelle qui peut représenter jusqu’à 30% de la transpiration diurne(12). En première approche, ces pertes nocturnes sont qualifiées de « non productives » puisque la photosynthèse n’a plus  lieu  pendant  cette  période.  Ainsi,  notre  équipe  a  montré  récemment  qu’on  pouvait  sélectionner  certains génotypes  de  vigne  pour réduire  la  transpiration  nocturne  sans  affecter  l’assimilation  du  carbone  et  la croissance de la plante(10). Ce résultat a été obtenu en comparant 186 descendants issus d’un croisemente entre deux cépages emblématiques du Sud de la France, l’un réputé consommateur d’eau (Syrah, anisohydrique) et l’autre plus économe (Grenache, isohydrique)(13).

Nous avons montré que les pertes nocturnes sont  majoritairement d’origine  stomatique, à savoir que  les génotypes  qui  ont  la  transpiration nocturne  la  plus  forte  sont  ceux  dont  les  stomates montrent  une fermeture incomplète et/ou  une densité  élevée (10).  Le  niveau  résiduel  d’ouverture  stomatique  dépend  de  nombreux processus physiologiques  spécifiques à la nuit ou non(14), alors que la densité stomatique  détermine a priori aussi bien le niveau de transpiration diurne que nocturne. En effet, la conductance stomatique (permissivité de la feuille  vis-à-vis  des  pertes  de  vapeur  d’eau)  est  proportionnelle  à  cette  densité (15,  16).  Elle  résulte  de mécanismes  développementaux  qui  contrôlent  l’espacement  régulier  des  stomates  sur  l’épiderme  avec  un écartement qui augmente d’autant plus que les conditions favorisent le grandissement des cellules de l’épiderme(17,  18).  La  réduction  de  la  densité  stomatique  a  permis  de  réduire  les  pertes  d’eau  par  transpiration  chez plusieurs  espèces,  mais  essentiellement  par  le  biais  de  processus  diurnes  qui  peuvent  favoriser  l’efficience d’utilisation de l’eau aux dépens de la croissance(19–22). Aussi, dans une perspective d’amélioration variétale, il est  important  de  déterminer  quelle  est  la  contribution  de  la  densité  stomatique  à  la  transpiration  diurne  et nocturne, et d’identifier les zones génomiques responsables du couplage et découplage entre ces processus.

Dans ce contexte se posent les questions suivantes :

  •  quel est l’impact de la densité stomatique sur la transpiration diurne et nocturne ?
  •  quelles en sont les bases génétiques chez la vigne ?

 

Objectifs généraux du stage / Résultats attendus :

 

L’objectif du stage est de localiser les zones génomiques responsables du contrôle de la densité stomatique sur un panel de279 accessions dont un-tiers sont des cépages de table(23). A cette fin, le/la stagiaire réalisera des images d’empreintes épidermiques de feuilles qui seront analysées pour déterminer la densité stomatique, et utilisera les données générées pour mener une analyse de génétique d’association que l’on espère encore plus résolutive et discriminante que la précédente population Syrah x Grenache.

Les empreintes  épidermiques seront  collectées  sur  lame  à  l’aide  d’un  vernis,  une  technique  maîtrisée  au laboratoire. Les images seront analysées à l’aide d’un script (vraisemblablement sous ImageJ) que l’étudiant(e) développera entre mars et mai 2019 à l’aide d’échantillons tests déjà prélevés en 2018. Selon la complexité des échantillons  et  l’appétence  de  l’étudiant(e)  pour  la  programmation,  le  script  pourra  varier  d’une  simple  macro facilitant la logistique des fichiers d’images et de résultats, à une macro plus complexe permettant d’extraire de manière (semi-)automatique le nombre de stomates et leur dimension, voire  le  nombre et la taille des cellules épidermiques non stomatiques (permettant d’accéder à l’indice stomatique, qui traduit les mécanismes d’initiation des précurseurs stomatiques sans être affecté par les processus d’expansion cellulaire). La possibilité d’utiliser un outil d’apprentissage automatique en ligne sera également étudiée (http://www.stomata.science/). Dans tous les   cas,   le/la   stagiaire   bénéficiera   du   soutien   de   Jean-Luc   Verdeil   et   des   experts   de   la  Plateforme d’Histocytologie  et  d’Imagerie  cellulaire  Végétale de  Montpellier  (avec  laquelle  le  LEPSE  collabore  très régulièrement)   pour  développer   l’outil   d’analyse   d’image   et   optimiser   l’acquisition   des   images  en conséquence.

Pour chaque feuille dont l’empreinte aura été collectée, on connaitra satranspiration diurne et nocturne. Le stagiaire  contribuera  à  ces  mesures  qui  seront  essentiellement  prises  en  charge  par  Adriaan  Westgeest, doctorant encadré par Florent Pantin et Thierry Simonneau et travaillant sur les déterminismes génétiques de la transpiration. Au cours de l’hiver 2017-2018, Adriaan a géré l’installation de la population en pot sur la pépinière de  l’équipe.  Durant  l’été  2018,  il  a  mis  en  place  avec  succès  un  protocole  pour  mesurer  des  dynamiques  de transpiration  sur  des  feuilles  détachées   de  vigne,  en  détournant  de  son  usage  initial  un automate  de phénotypage  développé   au   laboratoire   pour   Arabidopsis  (24).   Adriaan   participera   à   l’encadrement   de l’étudiant(e) au quotidien dans le contexte de sa thèse. Ainsi, les expérimentations effectuées par l’étudiant(e) en juin et juillet 2019 s’insèreront au sein d’une chaîne de mesures plus large au niveau de l’équipe.

Une  fois  les  données  collectées,  une analyse  de  génétique  d’association sera  menée  en  août  2019  pour détecter les zones génomiques impliquées dans le contrôle de la densité stomatique. Cette analyse sera réalisée en parallèle de celles menées par Adriaan sur des paramètres de transpiration, à l’aide de nos collaborateurs généticiens qui ont développé le panel d’association utilisé (équipe DAAV, UMR AGAP, Montpellier). Ainsi, nous pourrons  vérifier dans quelle mesure les zones identifiées pour la densité  co-localisent avec des régions impliquées  dans  le contrôle de  la transpiration diurne  et/ou nocturne. Nous  espérons  identifier  des formes alléliques intéressantes pour l’amélioration de la réponse à la sécheresse chez la vigne et les espèces fruitières

en général, les mécanismes de développement stomatique étant extrêmement conservés dans le règne végétal

(25, 26).

 En perspective, ce stage pourrait déboucher sur un sujet de thèse sur le même panel, dans le cadre d'un projet déposé  avec  l’équipe  DAAV  visant  à  comprendre  la  variabilité  génétique  des  effets  interannuels  du  déficit hydrique sur l’élaboration du rendement et la qualité de la baie.

 

Publications de  l’ équipe  d ’accueil  et/ou relatives au sujet (et/ou au projet dans lequel s’insère le stage) :

1.  Intergovernmental  Panel  on  Climate  Change,  Climate  Change  2014:  Synthesis  Report  R.  K.  Pachauri,  L.  Mayer,  Eds. (IPCC, Geneva, Switzerland, 2014; http://www.ipcc.ch/report/ar5/syr/).

2. A. M. Hetherington, F. I. Woodward, The role of stomata in sensing and driving environmental change, Nature 424, 901–908 (2003).

3.     M.     Bacon,     Water     Use     Efficiency     in     Plant     Biology     (Blackwell     Publishing,     Oxford,     UK,     2004; https://books.google.fr/books?id=L-hw0eRvpD4C).

4. A. G. Condon, R. A. Richards, G. J. Rebetzke, G. D. Farquhar, Breeding for high water-use efficiency, J. Exp. Bot. 55, 2447–2460 (2004).

5.  G.  J.  Rebetzke,  A.  G.  Condon,  R.  A.  Richards,  G.  D.  Farquhar,  Selection  for  reduced  carbon  isotope  discrimination increases aerial biomass and grain yield of rainfed bread wheat, Crop Sci. 42, 739–745 (2002).

6. X. Xu, B. Martin, J. P. Comstock, T. J. Vision, C. G. Tauer, B. Zhao, R. C. Pausch, S. Knapp, Fine mapping a QTL  for carbon isotope composition in tomato, Theor. Appl. Genet. 117, 221 (2008).

7. J.-L. Regnard, V. Segura, N. Merveille, C. E. Durel, E. Costes, QTL analysis for leaf gas exchange in an apple progeny grown under atmospheric constraints, Acta Hort. 814, 369–374 (2009).

8. G. Lopez, B. Pallas, S. Martinez, P.-É. Lauri, J.-L. Regnard, C.-É. Durel, E. Costes, Genetic variation of morphological traits and transpiration in an apple core collection under well-watered conditions: towards the identification of morphotypes with high water use efficiency, PLoS One 10, e0145540 (2015).

9. H. Wang, S. Zhao, K. Mao, Q. Dong, B. Liang, C. Li, Z. Wei, M. Li, F. Ma, Mapping QTLs for water-use efficiency reveals the potential candidate genes involved in regulating the trait in apple under drought stress, BMC Plant Biol. 18, 136 (2018).

10.  A. Coupel-Ledru,  E.  Lebon,  A. Christophe,  A.  Gallo,  P.  Gago,  F.  Pantin,  A.  Doligez,  T.  Simonneau,  Reduced nighttime transpiration is a relevant breeding target for high water-use efficiency in grapevine, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 113, 8963–8968 (2016).

11. E. Marguerit, O. Brendel, E. Lebon, C. Van Leeuwen, N. Ollat, Rootstock control of scion transpiration and its acclimation to water deficit are controlled by different genes, New Phytologist 194, 416–429 (2012).

12. M. A. Caird, J. H. Richards, L. A. Donovan, Nighttime stomatal conductance and transpiration in C3  and C4  plants, Plant Physiol. 143, 4–10 (2007).

13.  A. Coupel-Ledru,  É.  Lebon,  A.  Christophe,  A.  Doligez,  L.  Cabrera-Bosquet,  P. Péchier,  P.  Hamard,  P.  This,  T. Simonneau, Genetic variation in a grapevine progeny (Vitis viniferaL. cvs Grenache×Syrah) reveals inconsistencies between maintenance of daytime leaf water potential and response of transpiration rate under drought, J.  Exp. Bot. 65, 6205–6218 (2014).

14. J. M. Costa, F. Monnet, D. Jannaud, N. Leonhardt, B. Ksas, I. M. Reiter, F. Pantin, B. Genty, OPEN ALL NIGHT LONG: the dark side of stomatal control, Plant Physiol. 167, 289–294 (2015).

15. P. L. Drake, R. H. Froend, P. J. Franks, Smaller, faster stomata: scaling of stomatal size, rate of response, and stomatal conductance, J. Exp. Bot. 64, 495–505 (2013).

16. G. J. Dow, D. C. Bergmann, J. A. Berry, An integrated model of stomatal development and leaf physiology, New Phytol. 201, 1218–1226 (2014).

17. L. J. Pillitteri, K. U. Torii, Mechanisms of stomatal development, Annu. Rev. Plant Biol. 63, 591–614 (2012).

18. A. R. Simmons, D. C. Bergmann, Transcriptional control of cell fate in the stomatal lineage, Curr. Opin. Plant Biol. 29, 1–8 (2016).

19.  P.  J.  Franks,  T.  W.  Doheny‐Adams,  Z.  J.  Britton‐Harper,  J.  E.  Gray,  Increasing  water-use  efficiency  directly  through genetic manipulation of stomatal density, New Phytol. 207, 188–195 (2015).

20. C. Hepworth, T. Doheny‐Adams, L. Hunt, D. D. Cameron, J. E. Gray, Manipulating stomatal density enhances drought tolerance without deleterious effect on nutrient uptake, New Phytol. 208, 336–341 (2015).

21. J. Hughes, C. Hepworth, C. Dutton, J. A. Dunn, L. Hunt, J. Stephens, R. Waugh, D. D. Cameron, J. E. Gray, Reducing stomatal density in barley improves drought tolerance without impacting on yield, Plant Physiol. 174, 776–787 (2017).

22. R. S. Caine, X. Yin, J. Sloan, E. L. Harrison, U. Mohammed, T. Fulton, A. K. Biswal, J. Dionora, C. C. Chater, R. A. Coe, A. Bandyopadhyay, E. H. Murchie, R. Swarup, W. P. Quick, J. E. Gray, Rice with reduced stomatal density conserves water and has improved drought tolerance under future climate conditions, New Phytol. in press (2018), doi:10.1111/nph.15344.

23. S. D. Nicolas, J.-P. Péros, T. Lacombe, A. Launay, M.-C. Le Paslier, A. Bérard, B. Mangin, S. Valière, F. Martins, L. Le Cunff,  V.  Laucou,  R.  Bacilieri,  A.  Dereeper,  P.  Chatelet,  P.  This,  A.  Doligez,  Genetic  diversity,  linkage  disequilibrium  and power of a large grapevine (Vitis vinifera L.) diversity panel newly designed for association studies, BMC Plant Biol. 16, 74 (2016).

24. C. Granier, L. Aguirrezábal, K. Chenu, S. J. Cookson, M. Dauzat, P. Hamard, J.-J. Thioux, G. Rolland, S. Bouchier- Combaud,  A.  Lebaudy,  B.  Muller,  T.  Simonneau,  F.  Tardieu,  PHENOPSIS,  an  automated  platform  for  reproducible phenotyping  of  plant  responses  to  soil  water  deficit  in Arabidopsis  thaliana permitted  the  identification  of  an accession with low sensitivity to soil water deficit, New Phytol. 169, 623–635 (2006).

25. A. Vatén, D. C. Bergmann, Mechanisms of stomatal development: an evolutionary view, EvoDevo 3, 11 (2012).

26. C. C. C. Chater, R. S. Caine, A. J. Fleming, J. E. Gray, Origins and evolution of stomatal development, Plant Physiol. 174, 624–638 (2017).

Formations et compétences attendues

ACTIVITES DOMINANTES CONFIEES AU STAGIAIRE :

- microscopie et analyse d’images

- analyses de génétique d’association

- contribution à la manipulation d’un automate de phénotypage pour les mesures de transpiration

- contribution au suivi des plantes sur la pépinière de l’équipe

PROFIL REQUIS :

- Dernière année de Formation Supérieure BAC + 5

- Connaissances : génétique quantitative, écophysiologie

- Compétences opérationnelles : rigueur dans l’expérimentation et l’analyse de données

- Langues : français ou anglais

- Permis de conduire (le cas échéant) : non requis

AVANTAGES PROPOSES (le cas échéant) :

- logement : non

- restauration : subvention du Centre de Montpellier

- déplacements : sans objet

 

CONTACT MAITRE DE STAGE INRA :

(1) Maître de stage INRA (obligatoire)

Nom et fonction du responsable à contacter : Thierry Simonneau, DR INRA, animateur d’équipe

Adresse : UMR LEPSE, Bâtiment 7, IBIP, 2 place Viala, 34060 Montpellier cedex 02

Tél. : 04 99 61 27 52

Site web (équipe et/ou projet) : http://www6.montpellier.inra.fr/lepse/Equipes/ETAP Mail : thierry.simonneau@inra.fr

Contact

Nom
Thierry Simonneau
Telephone
04 99 61 27 52
Email
thierry.simonneau@inra.fr