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Les isotopes stables du Carbone, Oxygène et Nitrogène
Challenger dans les programmes de recherche de
l’amélioration du blé
Présenté par : Salima Yousfi
Alger du 09-12 Sep 2013
Introduction
SÉCHERESSE
ﺍﻟﺟﻔﺎﻑ
Anomalie climatique caractérisée par le manque ou
l'absence totale des précipitations
Peut toucher des régions du monde entier
Dramatique zones arides et met en danger la survie et l’alimentation
des populations
Augmentation de la fréquence des périodes de sécheresse
dans la région méditerranéenne
irrigation inadéquate à long terme et dans des conditions
d’une demande élevée d’evapotranspiration
Fertilisation excessive
Problèmes associés à la qualité des eaux d’irrigation
Emploi des eaux de mal qualité et le mal drainage
augmentent les effets de la sécheresse dans les terres
cultivées
Augmentation des superficies de terres agricoles
Affectés par la sécheresse
La sécheresse est l’un des facteurs climatiques les plus
limitant de la production des céréales dans le bassin
méditerranéen
Sécheresse en Algérie
Grande partie des terres situées dans les régions
semi-arides est occupée par les céréales dont les
rendements restent faibles et irréguliers
La variation des rendements à l’hectare demeurent
faibles et variables d’un an á l’autre et la principale
cause de cette fluctuation est la sécheresse
déficits hydriques et coups de chaleur
Production mondial des cereales
2180.2
778
658.3
444.3
Total Maiz Blé Riz
(FAO, 2010)
• Le blé est par extension la principale production céréalière en
Algérie
• La base alimentaire de la
population algérienne.
• Il est fréquemment cultivé dans des conditions d‘irrigation
déficitaire
Une diminution très appréciable dans les rendements
apparition de la sécheresse dans les terres cultivées
pose de sérieux problèmes qui limitent la production et les
rendements du blé
Augmentation du % de population sous-alimentée
Déséquilibre production/demande
Augmentation des importations¿Y a-t-il des variétés de blé qui pourraient aider à stabiliser et /ou
augmenter les rendements ?
Dis m inuir
Amélioration génétique
Augmenter la tolérance du blé à la sécheresse
Sélection de génotypes plus résistants et(ou) tolérants à la sécheresse
-Actuellement en Algérie, de nombreuses recherches sur les céréales sont
orientées vers la sélection pour la tolérance à la sécheresse
-Objectif final est augmentation et la stabilisation des rendements.Pendant plusieurs années l’amélioration du blé a été
empirique
Amélioration du rendement
Une héritabilité très faible et une haute interaction G x AUtilisation des caractères secondaires basés sur une réponse physiologique plus représentative.
Critères faciles à mesurer
Critères qui sont de bonne indicateurs de l’effet du stress sur le cycle de croissance des plantes
Parmi ces critères on peut citer :
Green seeker
Relation avec la croissance des plantes
Mesure de SPAD
Résistance stomatique: Poromètre Conductance stomatique
Température foliaire Transpiration
Les isotopes stables (C,O,N) qui sont potentiellement utilisés
pour évaluer l'effet de différents types de stressIsotopes stables
c’est quoi un isotope? isos = même topos = endroit
Eléments qui occupent le même endroit dans la table périodique
Les isotopes sont des atomes du même élément avec le même
numéro de proton et différent numéro de neutron.Propriétés des isotopes
Les isotopes sont identiques chimiquement
mais différent physiquement.
Les propriétés physique se détermine para la masse
ou le poids atomique (Am= Z+N)
Ce critère est très important dans le cas des atomes ou
molécules qui ont faible poids atomique.Isotopes Z= N Am= (Z+N)
+ =6
Les molécules + =6
avec un faible poids + =6
atomique sont les plus préférées par les
plantes ( assimilation ou diffusion facile)
N =6 N =7 N =8
Am = 6+6 =12 Am = 6+7 =13 Am = 6+8 =14Isotopes stables
Unités et terminologies
Se utilise la notation internationale : ()
Cette notation nommée delta () est déterminée para la déviation relative du quotient
isotopes en relation avec un échantillon standard accepté internationalement
Ces déviations son tellement petites que leur unités sont interprétées en ‰Mesures de la composition isotopique
R
R = 13C/12C R = 18O/16O R = 15N/14N
δ13C ‰ = [(Réch – Rst) / Rst] × 1000Elément Isotope stable Abondance relative
Carbone 12C 98.892 %
13C 1.108 %
Nitrogène 14N 99.635 %
15N 0.365 %
Oxygène 16O 99.759 %
17O 0.037 %
18O 0.204 %
16O
12
C 13C 18O
14N
15NMesures de la composition isotopique
Les elements standards
Isotope
13
C/12C 15
N/14N 18
O/16O
Standard PDB N2 Aire SMOW
Notation δ13C δ15N δ18O
Intervalle d’observation (‰) -35 a -5 -10 a +10 +15 a +35
Erreur analytique (‰) 0.1 0.2 0.05-0.2
PDB : Pee Dee Belemnite : échantillon de calcaire fossile constitué d’un rostre de
Bélemnite de Caroline du Sud
N2 Aire: Nitrogène atmosphérique
SMOW : Standard Mean Ocean Water ( moyenne standard de eau des océans )Processus de discrimination isotopique
• Diffusion
•EnzimatiqueLes isotopes plus légers ( faible masse atomique) ont la
propriété de se diffuser facilement en comparaison avec
les isotopes lourds
13C16O16O m/z 45 4
12C16O16O m/z 44 5Discrimination enzymatique
L’énergie utilisée pour détruire les liaisons entre les molécules
composées par des isotopes lourds est très élevée
Toutes les réactions enzymatiques sont associées à un processus de
discrimination contre les isotopes lourds.16 16
16 18
Chaque enzyme a une discrimination particulière qui a
une grande utilité a l’échelle expérimentale.Comment on mesure la composition isotopique ?
IRMS - Isotope Ratio Mass Spectrometry
La séparation des masses se réalise en combinant une ionisation
moléculaire avec un champ magnétique.
Cette technique mesure le quotient (R) entre les molécules de différents
poids moléculaires.
Les résultats son obtenus en comparant élément étudié avec des éléments
standards (Rstandard) qui ont un quotient isotopique connus.C’est quoi un IRMS ????????????
Un spectromètre de masse est un instrument qui sépare les
atomes ou molécules chargées en base de son poids
moléculaire
Principe d’un IRMSRécolte des échantillons
Assèchement dans étuve
Broyage
Peser
≈ 1 mgDéposition des échantillons
dans IRMSLa 13C est la plus utilisée
La 13C est caractérisée par son large utilisation
16O
dans les programme d’amélioration. 12
C 13C 18O
La 15N et la 18O sont des caractères complémentaires et
il sont peu étudiés. 14N
15NLes intervalles d’observation de la composition
isotopique
Isotope
13
C/12C 15
N/14N 18
O/16O
Standard PDB N2 Aire SMOW
Notation δ13C δ15N δ18O
Intervalle d’observation (‰) -35 a -5 -10 a +10 +15 a +35
Erreur analytique (‰) 0.1 0.2 0.05-0.2La composition isotopique du carbone
12C
13C 13C
Critère connus il y’a plus de 25 ans après les travaux pionniers de
Farquhar et al.
La 13C a une réponse intégrée de plusieurs limitations éco-
physiologiques à travers le temps.
Drysdale (2002) et Rees (2003) : Les
premières variétés de blé tendre
résistantes à la sécheresse en les
améliorants pour un WUE élevée en
utilisant la 13C
13C s’utilise dans plusieurs cas pour évaluer plusieurs caractéristiques
associées au inter-change gazeux et aux relations hydriques des
plantes.Suivant Passioura (1977)
GY = WU × WUE × HI
Economisation de utilisation de eau
(more crop per drop)
13C (C to H2O utilisé)Relation entre dioxyde du carbone y état hydrique durant la
photosynthèse
Stomates ouvertes:
Stomates ouvertes :
- Disponibilité des molécules de C élevée
- Disponibilité en eau élevée
-dis-cEra
im
uin
na
’etsitop
naésleuvnéfeacotenutrelilm
e itCa1n3O
t 2pour le fonctionnement de la plante.
13Ces fermées:
- FaSibtolemat
Sto-m
Faaibte
lesdfiesrpm
onéibeisli:té en eau
- Eau est un facteur limitant pour le fonctionnement de la plante.
-Faible disponibilité des molécules de C
-Faible discrimination contre le C13O2
- 13C élevée13C varie en fonction des limitations photosynthétiques ou stomatiques. 13C mesurée dans la matière organique est un indicateur du quotient Ci/Ca et de l’efficience de utilisation de l’eau (WUE) dans les plantes C3.
Quelles sont les paramètres qui influent sur La
composition isotopique du carbone ???????
Critère très utilisé dans l’études de l’effet du
stress sur les plantesApplications de la discrimination isotopique en physiologie
Végétale
Activité photosynthétique des plantes
Efficience de l’utilisation de l’eau dans les plantes
Conductance interne des feuilles
Taux de croissance des plantesLa composition isotopique de l’ oxygène
16O
18O
Suivant les travaux de Barbour et Farquhar (aprox. 10 ans) la
18O en matière végétale varie en fonction de:
-Facteurs d’environnement qui affectent la
Des études ont
transpiration et lesmontré que
gradients de la d’eau
la vapeur
18 O est ,
un bon indicateur
conséquence des de
de l’ humidité conditions
l’aire et de de
la
température.
transpiration et conductance
stomatique des feuilles durant tout
- Ou la diminution de la gs à travers la
le
disponibilité cycle
d’eau. des plantesPlantes en conditions optimum de croissance : • Stomates ouvertes • Fluidité d’eau d’ évapotranspiration très élevée au niveau de la feuille. • Bon fonctionnement de la plantes • 18O très faible ( évaporation 18O ) Plantes en conditions de stress : • Stomates fermées • Fluidité d’eau d’ évapotranspiration très faible au niveau de la feuille. • Fonctionnement de la plantes affecté par le stress • 18O très élevée ( accumulation 18O au niveau des feuilles).
δ15N des plantes
Equilibre entre l’activité
Enzymatique et la concentration
externe du N et sa translocation
dans la plante.
Outil important pour étudier l’ effet du stress
sur le métabolisme du nitrogène des plantes.Durant plusieurs années diverses études
ont été orientées seulement sur la 13C
des plantes du blé sous des conditions de
sécheresse (quelques études en salinité)
Il ya peu d’études sur la 15N en
conditions de stress
Il n’ya aucune études sur la 15O du blé en
salinité et très peu sous conditions de stress
hydrique
Absence des études combinant
les trois isotopes ensembles en
même tempsUtilisation des isotopes stables comme un critère de
sélection a atteint une grande importance ces
derniers décades dans les études de blé cultivé
dans des condition de stress.
16O
12
C 13C 18O
Importance de cette technique son intégration et
avec un grand intérêt dans les programme
d’amélioration du blé.
14N
15NRésultats de quelques études sur
l’effet du stress sur le blé en utilisant
comme critères d’ évaluation les
isotopes stablesCorrélation très élevée entre la discrimination 13C et le rendement
Corrélation de la biomasse et le nitrogène avec la δ13C y
δ15N
-25
FI
-26 -26
FI-12 dS m-1
-1
FI-17 dS m
-27
DI
DI-12 dS m-1 -28
-28
C (‰)
-29
13
-30
-30
-31
r = - 0.81*** r = - 0.73** -32
-32
5 5
4 4
3 3
N (‰)
2 2
15
1 1
0 r = 0.73** 0
r = 0.69**
-1 -1
0 10 20 30 40 50 60 70 0 1 2 3 4 5 6 7
Biomass (g dry weight) Nitrogen (mmol g-1 dry weight)Effet du stress hydrique et salin sur les isotopes stables
δ18O δ13C N δ15N GS NR
Genotipos
Tolerante RIL47 27.47 ab -29.52 a 4.39 c 2.47 b 544.54 b 2.08 c
Tolerante RIL 85 27.24 a -29.62 a 4.34 c 2.92 c 442.71 b 1.83 bc
Susceptible RIL 24 28.12 c -28.92 b 3.45 b 2.12 b 280.99 a 1.57 b
Susceptible RIL 30 27.80 bc -27.88 c 2.91 a 1.68 a 249.37 a 0.99 a
Tratamientos
FI 27.00 a -30.76 a 4.95 d 3.13 b 488.02 c 3.82 c
FI- 12 dS m -1 27.96 c
c 4.20 c 83. aa 420.16 bc 1.25 b
FI-17 dS m -1 27.79 bc
-28.68 d
-27.79 2.98 b 84. 312.28 ab 0.78 a
DI 27.98 c -29.27 b 3.95 c 2.81 b 386.27 bc 1.43 b
DI- 12 dS m -1 27.34 ab -28.46 c 2.36 a 1.89 a 241.61 a 0.68 aSéparation de génotypes
FI FI- 12 dS m-1 FI-17 dS m-1
Tolerant Susceptible P Tolerant Susceptible P Tolerant Susceptible P
-30.86 -30.94 ns -27.18 -27.47 ** -24.23 -25.24 ns
δ13Cdm
δ13Cwsf -31.51 -31.50 ns -28.07 -28.68 ** -24.87 -25.47 ***
28.33 28.20 ns 30.19 30.16 ns 30.85 31.03 ns
δ18Odm
δ18Owsf 25.92 26.00 ns 26.30 25.94 ns 27.77 26.99 **
3.43 3.26 ns 1.84 1.16 *** 0.04 -0.30 ***
δ15Ndm
δ15Nwsf 8.24 7.75 ns 4.17 2.98 *** 1.66 1.04 ***Stepwise : Explique les différences en biomasse en utilisant come
critères physiologiques : hauteur des plantes, concentrations des
ions, paramètres de échanges gazeux , concentration du
nitrogène, la teneur en chlorophylle y la firme isotopique
Model treatments Variable chosen R2
Biomass FI gs 0.44***
Biomass FI-12 dS m_1 δ13C 0.52***
Biomass FI-17 dS m_1 δ13C 0.61***
Biomass DI Ci/Ca 0.23**
Ci/Ca, δ13C 0.50**
Biomass DI-12 dS m_1 Ci/Ca 0.51***
Ci/Ca, δ13C 0.73***Corrélation Transcription des genes –
1.0
F I-1 2 d S m
-1
-1
A isotopes stables
F I-1 7 d S m
C - genes DI
0.5
D I-1 2 d S m
-1
**
13
Correlation coefficient (
0.0
δ13C
-0.5
IR)
** **
***
1.0
B
O - genes
0.5
18
Correlation coefficient (
0.0 δ18O
-0.5
IR)
1.0
C
N - genes
** *** *** ***
0.5
15
(Correlation Coefficient
0.0
δ15N
-0.5
IR)
GS1 GS2 TaD R E B 1A TaD R E B 2B N H X 1Conclusions
La techniques des isotopes
stables est une présente et
future perspective efficace et
importante pour la sélection
des génotypes sous les
différentes conditions de stress .¡¡¡¡ ﺷﻛﺭﺍ
!!!! Gracias ¡¡¡¡
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