Control of nighttime transpiration and its effects on water-use efficiency in grapevine - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Control of nighttime transpiration and its effects on water-use efficiency in grapevine

Déterminismes de la transpiration nocturne et ses effets sur l’efficience d’utilisation de l’eau chez la vigne

Résumé

Viticulture covers a large part of arable lands in the Mediterranean regions. However, maintaining this emblematic crop in such drought-prone environments is critically challenged by climate change. Exploring large genetic collections can help to breed cultivars with enhanced water use efficiency. Leaf stomata, which are tiny epidermal pores delineated by guard cells that can open and close, play a pivotal role in this process as they regulate gas exchange – photosynthesis and transpiration – between the plant and the atmosphere. Due to stomatal behaviour, enhanced photosynthesis generally coincides with enhanced transpiration. Accounting for this process, lowering transpiration at night has been recently proposed as a promising breeding strategy to reduced water loss without penalty on photosynthesis. However, daytime and nighttime transpiration are interrelated to some extent. Here, we explored the genetic and physiological bases of diel (24-h) dynamics of transpiration in grapevine (Vitis vinifera). A pipeline was developed for high-throughput phenotyping of transpiration dynamics on detached leaves. This enabled genome wide association studies (GWAS) on a diversity panel made of 279 cultivars, which generated candidate genes that were further addressed by different approaches. Quantitative genetic analyses revealed several single nucleotide polymorphisms (SNPs) associated with different aspects of the diel transpiration dynamics. Notably, we found an association for nighttime transpiration that co-localized with the abundance of prostrate trichomes and cuticular nanoridges on the leaf epidermis. A MYB transcription factor was identified as a good candidate involved in the production of both structures, showing a complex interplay with stomatal development. Based on genomic and coexpression analyses, we propose a new model of interacting genes involved in the development of epidermal structures and impacting nighttime transpiration. Unexpectedly, we also found an association for daytime transpiration that was close to a gene that is essential for nighttime starch metabolism. The corresponding mutant in Arabidopsis thaliana was impaired in light-induced stomatal opening and endogenous nighttime reopening. Comparison with other mutants of the pathway revealed that the role of this gene in controlling stomatal movements extends beyond starch metabolism. Its cell-autonomous action was addressed, without unequivocal conclusion. Overall, this work provided several targets of interest to save water at night and favouring higher water use efficiency in grapevine.
La viticulture couvre une grande partie des terres arables dans les régions méditerranéennes. Cependant, le maintien de cette culture emblématique dans des environnements sujets à la sécheresse est menacé par le changement climatique. L'exploration de larges collections génétiques peut aider à sélectionner des cultivars plus efficaces en termes d'utilisation de l'eau. Les stomates, de minuscules pores sur l’épiderme des feuilles délimités par des cellules de garde pouvant s'ouvrir et se fermer, jouent un rôle essentiel dans ce processus car ils régulent les échanges gazeux – photosynthèse et transpiration – entre la plante et l'atmosphère. En raison du comportement stomatique, une photosynthèse accrue coïncide généralement avec une transpiration accrue. Ainsi, réduire la transpiration nocturne apparait comme une stratégie de sélection prometteuse pour réduire les pertes en eau sans pénaliser la photosynthèse. Cependant, la transpiration diurne et nocturne sont corrélés dans une certaine mesure. Ici, nous avons exploré les bases génétiques et physiologiques de la dynamique journalière (24 h) de la transpiration chez la vigne (Vitis vinifera). Un protocole a été développé pour le phénotypage à haut débit de la dynamique de la transpiration sur feuilles détachées. Cela a permis de réaliser des études d'association pangénomique (GWAS) sur un panel de diversité composé de 279 cultivars, ayant généré des gènes candidats qui ont ensuite été étudiés par différentes approches. Des analyses génétiques quantitatives ont révélé plusieurs polymorphismes nucléotidiques uniques (SNP) associés à différents aspects de la dynamique de la transpiration. Nous avons notamment trouvé une association pour la transpiration nocturne qui co-localise avec l'abondance de trichomes couchés et de stries cuticulaires sur l'épiderme des feuilles. Un facteur de transcription MYB a été identifié comme un candidat probant impliqué dans la production des deux structures, montrant une interaction complexe avec le développement stomatique. Sur la base d'analyses génomiques et de coexpression, nous proposons un nouveau modèle de gènes en interaction, impliqués dans le développement des structures épidermiques et ayant un impact sur la transpiration nocturne. De manière inattendue, nous avons également trouvé une association pour la transpiration diurne proche d'un gène essentiel au métabolisme nocturne de l'amidon. Le mutant correspondant chez Arabidopsis thaliana était altéré dans l'ouverture stomatique à la lumière et la réouverture nocturne endogène. La comparaison avec d'autres mutants de la voie a révélé que le rôle de ce gène dans le contrôle des mouvements stomatiques s'étend au-delà du métabolisme de l'amidon. Son action cellule-autonome a été étudiée, avec des conclusions équivoques. Dans l'ensemble, ces travaux ont fourni plusieurs cibles intéressantes pour économiser l'eau la nuit et favoriser une meilleure efficience d'utilisation de l'eau chez la vigne.
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tel-03356983 , version 1 (28-09-2021)

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  • HAL Id : tel-03356983 , version 1

Citer

Adrianus J Westgeest. Control of nighttime transpiration and its effects on water-use efficiency in grapevine. Agronomy. Montpellier SupAgro, 2020. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03356983⟩
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