Ce projet serait sous la direction de : M. Gaëtan LOUARN et M. Romain BARILLOT
Unités de recherche : INRAE Lusignan – URP3F
Ecole doctorale : Rosalind Franklin – énergie, environnement, bio santé
Intitulé du sujet :
Modélisation structure-fonction de la plasticité du tallage chez les Poacées pour anticiper les effets du changement climatique sur les couverts prairiaux
Functional-structural modelling of tillering plasticity in Poaceae to anticipate the effects of climate change on grasslands
Mots clés : tallage, tallage, Poacées, changement climatique, modélisation, FSPM, plasticité, ecophysiologie
Début de thèse : à partir du 01/01/2027 (pour une durée de 36 mois à temps plein)
Résumé :
La plasticité du tallage est un levier majeur pour l’adaptation des Poacées au changement climatique. Cependant, la complexité des réponses biologiques face à des variations combinées des facteurs environnementaux limite fortement notre capacité à anticiper et modéliser la réponse du tallage dans une large gamme de conditions climatiques. Ainsi, le sujet de thèse propose de développer un modèle numérique de tallage chez les Poacées basé sur l’intégration des effets des principales variables climatiques (CO2, température) et édaphiques (eau et azote du sol) sur les processus morphogénétiques sous-jacents. Pour cela, l’étudiant(e) adaptera le modèle CN-Wheat afin d’y intégrer la dynamique de tallage et sa régulation par les facteurs environnementaux et internes (statut trophique et hydrique) de chaque talle. De plus, il s’agira de calibrer une version du modèle pour le blé mais également pour une espèce pérenne. Le modèle développé sera ainsi le premier FSPM décrivant la plasticité du tallage à partir d’une intégration mécaniste des facteurs internes à la plante et environnementaux. Ce modèle innovant sera utilisé pour comprendre la réponse du tallage dans une gamme contrastée d’environnements (notamment CO2 x sécheresse x température). Le modèle permettra enfin d’identifier des idéotypes pour améliorer la production et la résilience des plantes dans les climats futurs.
Contexte et problématique :
Le changement climatique fait peser un risque important sur la production agricole et la sécurité alimentaire mondiale. En effet, les variables du changement climatique, principalement CO2, eau et température, présenteront des valeurs moyennes et des extrêmes atypiques qui affecteront fortement le fonctionnement des plantes cultivées. L’action individuelle de ces facteurs de l’environnement sur la production végétale est relativement bien décrite dans la littérature mais leur variations simultanées vont créer des conditions de croissance inédites dont les conséquences sur le fonctionnement végétal restent peu explorées. Quantifier l’action combinée de ces variables climatiques sur le fonctionnement des plantes est donc un enjeu majeur pour la mise en place des stratégies d’adaptation de l’agriculture. Les Poacées sont au cœur de cet enjeu car elles regroupent des espèces majeures pour les écosystèmes (e.g. prairies naturelles), les agrosystèmes céréaliers (e.g. blé, maïs, riz) et les systèmes d’élevage (e.g. prairies temporaires et permanentes à base de graminées).
Chez les Poacées, le tallage, c’est-à-dire l’émission de nouvelles ramifications appelées talles, est un des principaux processus de plasticité phénotypique qui détermine leur aptitude à la compétition pour les ressources du milieu, leur adaptation à l’environnement ainsi que leur performance agronomique. Néanmoins, la complexité des interactions tallage-environnement rend difficile d’anticiper les réponses du tallage aux variations environnementales multifactorielles et leurs conséquences agronomiques et économiques chez les espèces cultivées pérennes et annuelles.
Progresser dans notre compréhension de la réponse du tallage à l’environnement est donc un enjeu majeur pour l’anticipation des effets du changement climatique et la sélection de génotypes adaptés aux futures conditions.
Néanmoins, l’ensemble des processus sous-jacents et leur régulation par les facteurs environnementaux reste difficile à analyser et à modéliser. Une des difficultés majeures réside dans notre capacité à modéliser (i) l’hétérogénéité des stades de développement des talles sur une même plante, (ii) l’hétérogénéité de l’accès aux ressources du milieu pour chaque talle, et (iii) les relations trophiques et hydriques entre talles d’une même plante.
Description du sujet :
Le projet de thèse a pour objectif de développer un modèle original de tallage chez les Poacées intégrant l’effet des principales variables climatiques (CO2, température) et édaphiques (eau et azote du sol). Pour cela, l’étudiant(e) adaptera le modèle CN-Wheat afin d’y intégrer la dynamique de tallage et sa régulation par les facteurs environnementaux et internes (statut trophique et hydrique) de chaque talle. Après avoir défini les formalismes adéquats, l’étudiant(e) calibrera une version du modèle pour le blé et pour une espèce pérenne. Pour ce faire, l’étudiant(e) s’appuiera sur la littérature disponible ainsi que sur une expérimentation en conditions contrôlées pilotée par l’étudiant(e). Ce modèle innovant permettra d’identifier des idéotypes pour améliorer la production et la résilience des plantes dans les climats futurs. Le modèle développé sera ainsi le premier FSPM décrivant la plasticité du tallage à partir d’une intégration mécaniste des facteurs internes à la plante et environnementaux. Ce modèle innovant sera utilisé pour comprendre la réponse du tallage dans une gamme contrastée d’environnements (notamment CO2 x sécheresse x température). Le modèle permettra enfin d’identifier des idéotypes pour améliorer la production et la résilience des plantes dans les climats futurs.
Les questions de recherche suivantes seront abordées au cours de la thèse :
• Quels sont les processus clés permettant de simuler les principales phases du tallage et comment formaliser leur réponse à de multiples facteurs environnementaux ?
• Quels paramètres du modèle peuvent rendre compte des différences phénotypiques entre espèces annuelles et pérennes ?
• Quelles sont les conséquences de variations conjointes du CO2, de l’eau et de la température sur le tallage ?
Existe-il des effets compensatoires entre ces variables ?
• Quels traits architecturaux, anatomiques ou métaboliques peuvent conduire à une meilleure adaptation des plantes à différents climats ? Ces traits diffèrent-ils entre les espèces annuelles et pérennes ?
Méthodologie et mise en œuvre :
Le principal volet de la thèse consistera à implémenter un modèle de tallage piloté par les facteurs environnementaux. Il s’agira de formaliser les trois phases de la dynamique du tallage : émission/croissance, arrêt et régression. La phase d’émission des apex latéraux sera gérée à partir de règles de coordination avec le brin mère alors que la phase de débourrement des apex et sa régulation par les facteurs environnementaux sera à définir par l’étudiant(e) en lien avec l’expérimentation décrite dans le second volet. Concernant l’arrêt du tallage, l’étudiant(e) devra définir quel formalisme existant dans la littérature est le plus adapté au regard des objectifs scientifiques et des contraintes computationnelles. Enfin, l’effet des facteurs climatiques sur le statut hydrique et trophique des talles, leur relation au brin mère ainsi que la représentation individuelle de leur développement conduira à formuler des règles de régression à définir par l’étudiant(e).
Le second volet du travail de thèse consistera à mettre en place une expérimentation en chambre de culture sur blé et dactyle afin d’établir comment des gammes de variations combinées de statut C et de spectre lumineux affectent le débourrement et la croissance initiale des talles (à l’intérieur des gaines du brin mère). Actuellement, ces données sur des stades précoces de développement n’existent pas dans la littérature bien qu’elles soient critiques pour analyser et modéliser la plasticité du tallage. Cette expérimentation permettra également de recueillir des données nécessaires à la première paramétrisation de CN-Wheat pour simuler une espèce pérenne telle que le dactyle. La calibration du modèle devra permettre de simuler la dynamique de tallage observée expérimentalement. Enfin, une évaluation du modèle sera faite sur d’autres jeux de données issus de la littérature (voir plus haut) ou de projets en cours d’évaluation.
Au cours du troisième volet, des projections de croissance de plantes sous des scénarios de changement climatique contrastés seront réalisées. Pour cela, l’étudiant(e) s’appuiera sur les bases de données de projections climatiques pour différents scénarios d’évolution du CO2. Une analyse de sensibilité simplifiée sera enfin conduite afin d’identifier quels traits anatomiques (dimensions foliaires, conductance hydraulique…) et fonctionnels (balance activités source-puits, allocations des ressources aérien/souterrain…) permettent une meilleure adaptation aux contraintes climatiques.
Profil recherché :
Le poste requiert un Master (ou équivalent Bac+5) dans les domaines de l’agronomie, de l’écophysiologie, ou de la biologie végétale. Un goût prononcé pour la modélisation est conseillé. Une expérience en modélisation/programmation (Python, R) est un plus. Il est également attendu des candidats une bonne capacité à rédiger des documents scientifiques en français et en anglais.
Contacts pour plus d’informations et pour candidater jusqu’au 30/09/26 :