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Theses Year : 2021

From pollination to seed production : the case of chestnut

De la pollinisation à la formation des graines : le cas du châtaignier

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Abstract

Sexual reproduction of plants is a key stage in their life cycle, on which the functioning of ecosystems and our food supply depend. For seed plants, sexual reproduction requires successful pollination, i.e. the transport of pollen from the stamens of a flower to the stigmata. This can fail if the quantity of compatible pollen produced is insufficient (pollenizer limitation) or if pollen is not transported successfully (pollinator limitation), both mechanisms resulting in an insufficient quantity or quality of pollen received by the stigmata (pollen limitation). Once the pollen has been delivered, post-pollination mechanisms can result in ovule or seed abortion before maturity. The European chestnut (Castanea sativa, Fagaceae), an important forest and fruit tree, is used to explore and model pollination, from pollen production to fruit set. Using observations (phenology, floral architecture, insects), experiments (insect exclusion with insect-proof nets and emasculation), molecular analyses (characterization of genetic diversity using SNP markers and nuclear and chloroplast microsatellites, and paternity analyses), and a spatially explicit Bayesian model of pollination and fruit set, a detailed account of chestnut pollination is provided. The objective is to identify the key reproductive mechanisms that allow fruit formation in orchards and forests. By preventing insects from accessing to female flowers with insect-proof nets, fruit production collapses, thus proving that chestnut trees are insect-, not wind-pollinated, as was assumed before. Beetles and flies, not bees, are the main pollinators. Some European chestnuts are naturally male-steriles, i.e. they no longer produce pollen, indicating that this species is gynodioecious. Male sterility is shown to be of cytoplasmic origin, with male-sterile trees producing more fruits than male-fertile ones. An emasculation experiment demonstrates the strong negative impact of self-pollination on fruit set, suggesting that one of the main mechanisms behind this sexual polymorphism is self-interference between maternal and paternal functions resulting in ovule discounting in bisexual trees. This mechanism was confirmed by modelling: paternity and pollination success are well explained by a late-acting self-incompatible mechanism causing abortion of self-pollinated seeds. The model also revealed variable and asymmetrical barriers between chestnut species, matching well with observed paternity and seed-set in production orchards. Finally, difficulties encountered in transferring these results to the general public and to farmers are briefly discussed and possible solutions are outlined.
La reproduction sexuée des plantes est une étape clé de leur cycle de vie, dont dépend le fonctionnement des écosystèmes et notre l’alimentation. Pour les plantes à graines, la reproduction sexuée implique le succès préalable de la pollinisation, c’est-à-dire le transport du pollen des étamines vers les stigmates. Mais celle-ci peut échouer car la quantité de pollen compatible produite peut être limitante, ou bien le ou les vecteurs du pollen peuvent être inefficaces, aboutissant dans les deux cas à une quantité et une qualité de pollen reçu insuffisantes. Enfin, une fois le pollen déposé sur les stigmates, des mécanismes post-pollinisation peuvent aboutir à l’avortement de l’ovule ou de la graine avant sa maturité. Le châtaignier européen (Castanea sativa, fagacées), un arbre forestier et fruitier important, est utilisé dans cette thèse comme espèce modèle pour comprendre et modéliser les principales étapes de la pollinisation, depuis la production du pollen jusqu’à la formation des graines. A l’aide d’observations (phénologie, architecture florale, insectes visiteurs), d’expériences (exclusion d’insectes avec des filets et émasculation), d’analyses moléculaires (caractérisation de la diversité génétique à l’aide de marqueurs SNP et de microsatellites nucléaires et chloroplastiques, recherches de paternité), et d’un modèle bayésien spatialement explicite, les mécanismes du succès de la pollinisation du châtaignier et de la formation des fruits sont étudiés en détails, afin d’identifier les mécanismes clés de la reproduction en verger ou en forêt. En empêchant les insectes d’accéder aux fleurs femelles à l’aide de filets anti-insectes, la production de fruits s’effondre, prouvant ainsi que la pollinisation des châtaigniers est assurée par les insectes et non par le vent. Les coléoptères et les diptères sont les principaux insectes pollinisateurs, à la différence des abeilles, qui ne visitent pas les fleurs femelles. Certains châtaigniers sont mâle-stériles, c’est-à-dire qu’ils ne produisent plus de pollen. Cette stérilité mâle est d’origine cytoplasmique et existe à l’état naturel chez le châtaignier européen, qui est donc une espèce gynodioïque. Les arbres mâle-stériles produisent nettement plus de fruits que les arbres mâle-fertiles. Une expérience d’émasculation a mis en évidence le fort impact négatif de l’autopollinisation sur le succès de la pollinisation, suggérant que l’un des principaux mécanismes à l’origine de l’avantage des femelles et du maintien de la gynodioécie chez le châtaignier est l’auto-interférence entre les fonctions maternelles et paternelles aboutissant au gaspillage d’ovules chez les individus bisexués. Ce mécanisme a été confirmé par modélisation : les recherches de paternité et les mesures du succès de la pollinisation sont bien expliquées par un mécanisme d’auto-incompatibilité tardif provoquant l’avortement des graines auto-pollinisées. Le modèle a aussi permis de mettre en évidence des barrières spécifiques variables et asymétriques entre les différentes espèces de châtaigniers étudiées qui expliquent bien les résultats obtenus en vergers de production. Pour finir, les difficultés rencontrées lors du transfert de ces résultats au grand public et aux professionnels sont brièvement discutées, et des solutions pour contourner ces difficultés sont présentées.
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tel-03533842 , version 2 (20-01-2022)

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  • HAL Id : tel-03533842 , version 2

Cite

Clément Larue. De la pollinisation à la formation des graines : le cas du châtaignier. Biologie végétale. Université de Bordeaux, 2021. Français. ⟨NNT : 2021BORD0349⟩. ⟨tel-03533842v2⟩
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