Physiological and biochemical study of the effect of tetraploidia on the adaptation of citrus fruit to environmental constraints
Etude physiologique et biochimique de l’effet de la tétraploïdie sur l’adaptation des agrumes aux contraintes environnementales
Résumé
Environmental stresses (cold, excess light, drought, flooding, nutrient excess or deficiency, etc.) can limit crop growth and production and reduce fruit quality. In citrus farming, scion/rootstock combinations are used to improve fruit crop production and quality and increase tolerance to biotic and abiotic stresses. Recently, it was hypothesized that this stress tolerance could be further improved by using polyploid rootstocks. The aim of this study is to test whether doubled diploid genotypes frequently used as citrus rootstocks can improve the tolerance. Different combinations of genotypes were selected and subjected to various natural or imposed environmental stresses frequently observed in orchards. First, response to total nutrient deficiency was studied in different diploid (2x) and doubled diploid (4x) citrus seedlings: Volkamer lemon (Citrus limonia Osb.), Trifoliate orange Cleopatra mandarin hybrid (Poncirus trifoliata L. Raf. × Citrus reshni Hort. ex Tan.), Carrizo citrange (Citrus sinensis L. Osb. × Poncirus trifoliata L. Raf.), Citrumelo 4475 (Citrus paradisi L. Macf. × Poncirus trifoliata L. Raf.). FlhorAG1 (Poncirus trifoliata + and Willow leaf mandarin), an allotetraploid somatic hybrid, was also included in this study. The behavior of FlhorAG1 was then studied under low natural temperature conditions and controlled light stress, and its response was compared to that of its 2x parents, common mandarin (Citrus deliciosa Ten) and Pomeroy Poncirus (Poncirus trifoliata (L.) Raf.), and their 4x counterparts. Finally, response to seasonal temperature fluctuations was studied in clementine grafted on 2x and 4x Carrizo citrange rootstocks. The genotypes were compared at physiological level by determining net photosynthesis (Pnet), stomatal conductance (Gs), chlorophyll fluorescence (Fv/Fm) and chlorophyll content, and then at biochemical level by assessing the activities of the main antioxidant enzymes (including superoxide dismutase, catalase, and ascorbate peroxidase) and the concentrations of hydrogen peroxide (H2O2), malondialdehyde (MDA), ascorbate and glutathione. Depending on the type of experiment, we also measured electrolyte leakage and glutathione, proline and starch content, as well as changes in size and/or density of various structural (stomata) and ultrastructural (cells, chloroplasts, thylakoids, mitochondria, plastoglobuli and starches) components. Based on the results obtained under nutritional stress conditions, FlhorAG1 was classified as tolerant and 4x Citrumelo 4475, 2x and 4x Volkamer lemon as moderately tolerant. The 2x and 4x Carrizo citrange genotypes, 2x and 4x Poncirus Pomeroy x Cleopatra mandarin, and 2x Citrumelo 4475 were assessed as sensitive. Analysis of leaf ultrastructure in 2x and 4x Citrumelo 4475 and Volkamer lemon confirmed greater tolerance of the 4x genotype to nutrient deficiency. FlhorAG1 showed better tolerance to seasonal temperature variations and light stress than its 2x parents and their 4x counterparts. Even though the 2x and 4x forms of Carrizo citrange genotype showed similar sensitivity to nutritional deficiency conditions, use of the 4x rootstock improved scion tolerance at low temperatures.
Les contraintes environnementales (froid, excès de lumière, sécheresse, inondations, excès ou déficience en nutriments...) peuvent limiter la croissance et la production des végétaux ainsi que diminuer la qualité des fruits. Pour répondre à ces contraintes, l’agrumiculture moderne repose sur des associations porte-greffes/greffons. Récemment, il a été émis comme hypothèse que cette tolérance au stress pourrait être encore davantage améliorée en utilisant des porte-greffes polyploïdes. Le but principal de cette thèse est de déterminer si l'utilisation de génotypes diploïdes doublés, fréquemment employés comme porte-greffes, pourrait permettre une meilleure tolérance au stress. Pour répondre à cet objectif, différentes combinaisons de génotypes ont été sélectionnées et soumises à différents stress environnementaux, naturels ou imposés, fréquemment observés en vergers. Dans un premier temps, la réponse à une déficience en nutriments a été étudiée chez quatre couples de génotypes diploïdes (2x) et diploïdes doublés (4x) franc-de-pieds [le Citrumelo 4475 (Citrus paradisi L. Macf. × Poncirus trifoliata L. Raf.), le Volkameriana (Citrus limonia Osb.), l’hybride Poncirus Pomeroy x mandarinier Cléopâtre (Poncirus trifoliata L. Raf. x Citrus reshni Hort. ex Tan.), le citrange Carrizo (Citrus sinensis L. Osb. × Poncirus trifoliata L. Raf.)] ainsi que chez l’allotétraploïde FlhoraG1 (Poncirus trifoliata L. Raf. + Citrus. deliciosa Ten.). Le comportement du FlhorAG1 a ensuite été étudié en conditions de basses températures naturelles et de stress lumineux contrôlé. Sa réponse a été comparée à celle de ses parents 2x, le mandarinier commun (Citrus deliciosa Ten) et le Poncirus Pomeroy (Poncirus trifoliata (L.) Raf.), et leurs homologues 4x. Enfin, des clémentiniers greffés sur des porte-greffes citrange Carrizo 2x et 4x ont été étudiés en réponse aux fluctuations saisonnières de températures. Les génotypes ont été comparés au niveau physiologique, en déterminant la photosynthèse nette, la conductance stomatique, la fluorescence chlorophyllienne et le taux de chlorophylle, puis au niveau biochimique par la mesure de l’activité de différentes enzymes antioxydantes et des concentrations en malondialdéhyde, peroxyde d’hydrogène et ascorbate. Selon le type d’expérimentation réalisée, la fuite d’électrolytes et les concentrations en glutathion, proline et amidon ont aussi été mesurées, tout comme les modifications de taille et/ou de densité de différents éléments structuraux (stomates) et ultrastructuraux (cellules, chloroplastes, thylacoïdes, mitochondries, plastoglobules et amidons). A partir des résultats obtenus en conditions de stress nutritionnel, le FlhorAG1 a été classé comme tolérant et le Citrumelo 4475 4x, le Volkameriana 2x et 4x comme modérément tolérants. Les génotypes citrange Carrizo 2x et 4x, le Poncirus Pomeroy x mandarinier Cléopâtre 2x et 4x et le Citrumelo 4475 2x ont été évalués comme sensibles. L’analyse de l’ultrastructure des feuilles des couples Citrumelo 4475 et Vokameriana 2x et 4x a confirmé la meilleure tolérance des 4x à la déficience en nutriments. En réponse aux variations saisonnières de températures et au stress lumineux, le FlhorAG1 a montré une meilleure tolérance que ses parents 2x et leurs homologues 4x. Malgré une sensibilité similaire du génotype citrange Carrizo sous forme 2x et 4x en conditions de carence nutritionnelle, l’utilisation du citrange Carrizo 4x en tant que porte-greffe a mis en évidence une amélioration de la tolérance du greffon aux basses températures.
Origine : Version validée par le jury (STAR)