Le colza d’hiver (Brassica napus) est cultivé pour l’huile contenue dans ses graines ainsi que pour les tourteaux qui sont une source de protéines pour l’alimentation animale. La culture de colza demande de forts apports d’azote et cette espèce est caractérisée par sa faible efficacité d’utilisation de l’azote. Une forte proportion de l’azote absorbé est restituée au sol lors de la chute précoce des feuilles au stade végétatif. L’amélioration de la remobilisation de l’azote est donc de première importance pour améliorer le rendement de cette culture tout en satisfaisant le besoin de réduction des intrants. La glutamine et l’asparagine jouent un rôle important dans le transport de l’azote au sein de la plante, notamment au cours de la sénescence foliaire. Les deux familles multigéniques des glutamine synthétases cytosoliques (GLN1) et des asparagine synthétases (ASN) assurent leur synthèse. Ce travail de thèse s’est intéressé à ces enzymes chez deux Brassicacées : le colza et Arabidopsis thaliana. Dans un premier temps, l’expression des gènes GLN1 a été étudiée chez Arabidopsis par une combinaison d’approches de biologie moléculaire, cellulaire et de cytologie. Les spécificités d’expression de chacun des cinq gènes d’Arabidopsis ont été mises en évidence. L’identification des gènes BnaGLN1 chez Brassica napus a permis une analyse de leur expression en fonction de l’âge des feuilles et de la disponibilité en azote. Les profils d’expression observés chez le colza se sont révélés similaires à ceux des gènes homologues d’Arabidopsis, amenant l’hypothèse d’une conservation des fonctions chez les deux espèces. Le rôle des gènes GLN1 d’Arabidopsis dans la remobilisation de l’azote vers les graines a été étudié grâce à un marquage ¹⁵N effectué sur des mutants simples. Le rôle des gènes GLN1 dans la remobilisation de l’azote des tissus végétatifs vers les tissus reproducteurs a été mis en évidence sans toutefois cibler spécifiquement une isoforme. L’étude de la famille ASN chez Arabidopsis a permis de mettre en évidence des profils d’expression spécifiques en fonction des organes, de l’âge des tissus et de la disponibilité en azote pour chacun des trois gènes. Le marquage ¹⁵N a également révélé une implication des gènes ASN1 et ASN2 dans la remobilisation de l’azote de la rosette vers les tissus reproducteurs. Les travaux présentés dans ce manuscrit sont une base pour de futures approches translationnelles vers le colza. / Winter oilseed rape (Brassica napus) is grown for its oil-rich seeds and for proteins, used in animal feed cake. It requires high nitrogen inputs due to the low efficiency of nitrogen utilization that characterizes this species. A large proportion of absorbed nitrogen is indeed returned to the soil when leaves fall. Improving nitrogen remobilization to promote seed filling is then required to improve yield and limit fertilizer use. Asparagine and glutamine are important amino acids for phloem translocation. This thesis focuses on the two multigenic families in charge of asparagine and glutamine synthesis: cytosolic glutamine synthetase (GLN1) and asparagine synthetase (ASN). Studies were performed on the two Brassicaceae, rapeseed and Arabidopsis thaliana. The GLN1 gene expressions were investigated in Arabidopsis by a combination of molecular biology and cytology. The five GLN1 genes are differentially expressed in Arabidopsis depending on ageing and nitrogen availability. The identified BnaGLN1 genes in Brassica napus also showed age and nitrogen dependent expressions. Interestingly, expression profiles were similar between homologous genes in Arabidopsis and rapeseed, suggesting that homologous genes share similar function in the two species. The role of Arabidopsis GLN1 genes for nitrogen remobilization to the seeds was monitored using ¹⁵N tracing experiments on individual mutants. The GLN1 genes play a role in the remobilization of nitrogen from the rosette leaves to the reproductive organs. However, their effect is weak and non-specific of one GS1 isoform. ASN genes also presented specific expression profiles depending on organs, age and nitrogen availability. The ¹⁵N tracing revealed that ASN1 and ASN2 are both involved in nitrogen remobilization from the rosette to the seeds. Our studies provide a basis for future translational approaches to improve oilseed rape.

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Projeções de crescimento populacional, do aumento do consumo de alimentos e da escassez de terras agricultáveis apontam para a necessidade de intensificar a produção agrícola, a fim de suprir a demanda mundial. O Brasil é o maior produtor mundial de cana-de-açúcar, sendo o estado de São Paulo responsável por 56% da produção nacional. Nos mais de 4,5 milhões de hectares no estado, a cultura apresenta período de latência do crescimento. Nesse momento de crescimento lento da cana-de-açúcar a introdução de uma cultura de ciclo anual curto faz-se possível. Com base nessa hipótese, a presente dissertação de mestrado se propôs avaliar o desempenho fitotécnico da consorciação de cana-de-açúcar e canola e, particularmente analisar a capacidade produtiva da oleaginosa em ambiente de clima tropical, quantificar a interação com a radiação fotossinteticamente ativa desses cultivos e avançar no estudo de modelagem da cultura da canola. Para isso, foram conduzidos experimentos a campo, durante três anos agrícolas, delineado em blocos casualizados com 4 repetições e 5 tratamentos: cana-de-açúcar + canola Hyola 61; cana-de-açúcar + canola Hyola 401 ou Hyola 571; cana-de-açúcar monocultivo; canola Hyola 61 monocultivo; canola Hyola 401 ou Hyola 571 monocultivo. Além disso, foi conduzido um experimento adicional de produção de canola irrigada delineado no esquema de blocos casualizados com 4 repetições para a calibração do modelo APSIM-Canola. Medidas meteorológicas, de solo e biométricas foram realizadas para caracterizar os sistemas de produção. Os principais resultados evidenciaram que o sistema de consorciação de cana-de-açúcar e canola foi capaz de intensificar o uso da terra, com produtividade das culturas consorciadas similar às obtidas em monocultivo. O aumento da produção do sistema consorciado ocorreu devido a utilização mais eficiente dos recursos ambientais, principalmente da radiação fotossinteticamente ativa. O modelo APSIM-Canola calibrado demonstrou potencialidade de uso para projetar a expansão agrícola da canola, podendo contribuir para o aperfeiçoamento do zoneamento agroclimático da cultura no Brasil. / Projections of population growth, increased food consumption and scarce agricultural land indicate the need to intensify agricultural production in order to meet the world demand. Brazil is the world\'s largest producer of sugarcane, with São Paulo state accounting for 56% of national production. In the more than 4.5 million hectares in the State, the crop has a latency period of growth. At this time of slow growth of sugarcane, the introduction of a short-season crop is possible. Based on this hypothesis, the present Master\'s thesis aimed to evaluate the phytotechnical performance of sugarcane and canola intercropping and, in particular, to analyze the productive capacity of the oilseed in a tropical climate environment, to quantify the interaction with the photosynthetically active radiation of these crops and to advance in the modeling study of canola. For this, field experiments were conducted during three agricultural years, delineated in randomized complete block with 4 replicates and 5 treatments: sugarcane + Hyola canola 61; canola + canola Hyola 401 or Hyola 571; cane sugar monoculture; canola Hyola 61 monoculture; canola Hyola 401 or Hyola 571 monoculture. In addition to that, it was conducted an experiment of irrigated canola production outlined in randomized complete block design with 4 replications for the calibration of APSIM-Canola model. Meteorological, soil and biometric measurements were performed to characterize the production systems. The main results showed that the sugarcane and canola intercropping system was able to intensify land use, with yields of intercropped crops similar to those obtained in monoculture. The increase in the production of the intercropping system occurs due to the more efficient use of the environmental resources, mainly of photosynthetically active radiation. The calibrated APSIM-Canola model showed potential use to project the agricultural expansion of canola, and can contribute to the improvement of the crop\'s agroclimatic zoning in Brazil.

Le colza (Brassica napus) est cultivée pour la richesse de ses graines en lipides et protéines. Cette plante possède aussi des métabolites secondaires bioactifs pouvant moduler la santé du consommateur. Ainsi différentes actions ont été mises en place par les industries agroalimentaires pour réduire le taux de métabolites antinutritionnels. A l’inverse peu sont consacrés à l’exploitation des métabolites favorables à la santé. L’une des pistes est d’identifier les conditions de culture en interaction avec les génotypes pour générer des graines de qualité nutritionnelle optimale. D’une manière générale, les résultats ont montré que certaines variétés sont résilientes à l’environnement. D’autres au contraire se sont montrées plus sensibles. L'impact des IGEC observé a été évaluée sur un modèle préclinique de souris ob/ob par une approche multi-omique, et comparée à celle d’un extrait de référence issu de Brassica oleracea (Brocoli) commercialisé pour ces vertus santé. Les résultats ont montré que la réponse biologique « omique » mesurée dans l’intestin, le foie et le plasma présentait une forte proximité entre l’un des extraits de colza (ES-Mambo) avec l’extrait de référence (Brocoli). Nous pensons que cela résulte de la présence de composés bioactifs communs et minoritaires entre les deux plantes et dont nous avons pu identifier la nature de certains (composés phénoliques et glucosinolates). L’approche métabolomique a démontré que les conditions de culture et le génotype du colza ayant modifié leur contenu bioactif induisaient une réponse biologique différentielle chez le consommateur. Cette preuve de concept pourrait s’appliquer à d’autres plantes de grande consommation. / Rapeseed (Brassica napus) is the first oleaginous crop in France. It is cultivated for the abundance of its seeds in lipids, proteins as wellas for its richness in secondary metabolites that can modulate the health of the consumer. For instance, different actions have beenimplemented by food and feed industries to reduce the rate of anti-nutritional metabolites. Conversely few are devoted to theexploitation of health promoting molecules. A strategy is to identify the genotype x environment x agronomic management interactions(GEAI) to generate seeds of optimal nutritional quality.The results showed that some varieties are resilient to the environment. On the other hand, others appeared more sensitive. The environment and genetic impact was evaluated on a preclinical model ob/ob mouse by a multi-omic approach, and compared to a reference extract from Brassica oleracea (Broccoli), marketed for its health benefits. The results showed that the "omic" biological response measured in the intestine, liver and plasma showed a strong proximity between one of the rapeseed extract (ES-Mambo) and the reference extract (Broccoli). We believe that these results occured from the presence of common bioactive compounds between the two plants (rapeseed and broccoli), that some of them were identified (phenolic compounds and glucosinolates). The metabolomic approach was efficient to estimate the health impact of phytochemical extracts that have never been evaluated before. We demonstrated that the GEAI of rapeseed that modified their bioactive contents induced a differential biological response in the consumer. This proof of concept study could be applied to other food plant products.

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Zusammenfassung Brassica-Arten sind von großer Bedeutung für die menschliche Ernährung und für die Tierernährung. Brassica napus ist hinter der Sojabohne die zweit wichtigste Ölsaat. Brassica oleracea umfasst mehrere wichtige Gemüseformen. Die Produktivität dieser Arten wird weltweit durch Versalzung als ein biotischer Stressfaktor beeinträchtigt. Die Salztoleranz ist abhängig von der Pflanzenentwicklung, also stadienspezifisch, artspezifisch und organspezifisch. Im Vergleich zu unseren Kenntnissen über Samenglucosinolate ist wenig über die genetische Kontrolle von Blattglucosinolaten bekannt. Die Arbeit hat folgende Zielsetzungen: (1) den Einfluss von Salzstress auf zwei Entwicklungsstadien zu untersuchen, und zwar auf die Keimung und die Jungpflanzenentwicklung, und in doppel-haploiden (DH) Populationen von B. napus und B. oleracea QTL (Quantitative Trait Loci) für Salztoleranz in beiden Entwicklungsstadien zu kartieren, und (2) die Variation im Blatt-GSL Gehalt zu untersuchen und QTL zu kartieren für den GSL Gehalt in einer Kontrolle und unter Salzstress. Der Einfluss von Salzstress auf die Keimfähigkeit wurde an drei DH Populationen untersucht, zwei B. napus und eine B. oleracea Population. Die beiden erstgenannten Populationen wurde aus Alesi × H30 bzw. Mansholts × Samourai entwickelt. Die B. oleracea Population entstand aus der Kreuzung zwischen der „rapid cycling“ Linie TO1000DH3 (TO) und einer DH Linie aus dem Broccoli Early Big (EB). Die Anzahl DH Linien 138 Für die QTL Analysen wurde eine framework map verwendet mit 188, 208 bzw. 128 Markern für die Populationen Alesi × H30, Mansholts × Samourai bzw. TO × EB. Die Versuche wurden mit den Salzkonzentrationen 200 mM NaCl für B. napus und 100 mM NaCl für B. oleracea durchgeführt. Von jeder DH Linie wurden 10 Samen in 9 cm Petrischalen auf Filterpapier ausgelegt, das mit 5 ml Leitungswasser als Kontrolle bzw. 5 ml Salzlösung befeuchtet war. Die Petrischalen wurden bei 20 °C im Dunkeln inkubiert. Die Anzahl gekeimter Samen wurde täglich gezählt. Unter Salzstress war die Keimfähigkeit signifikant reduziert und die Keimgeschwindigkeit verlangsamt. Einige DH Linien übertrafen dabei ihre Eltern mit einer höheren Keimfähigkeit und Keimgeschwindigkeit. Es konnten für alle untersuchten Merkmale mehrere QTL identifiziert werden. Einige dieser QTL beeinflussen die Merkmalsausprägung sowohl in der Kontrolle als auch unter Salzstress, während andere QTL nur entweder in der Kontrolle oder in der Stressvariante auftreten. Der Einfluss von Salz auf die Jungpflanzenentwicklung wurde in der B. napus DH Population Mansholts × Samourai und in der B. oleracea Population TO × EB untersucht. Von jeder Population wurden die DH Linien und die Eltern in Topfversuchen im Gewächshaus bei halbkotrollierten Bedingungen angezogen. Die Salzkonzentrationen waren 200 mM NaCl für B. napus und 100 mM NaCl für B. oleracea. Die erfassten Merkmale waren Frischgewicht (FW), Trockengewicht (DW), Chlorophyllgehalt (SPAD), relativer Wassergehalt (RWC), Natriumgehalt (Na+ mg/g DM), Kaliumgehalt (K+ mg/g DM) sowie das Natrium/Kalium-Verhältns (Na+/K+). Der Salzstress begann 21 Tage nach Aussaat und der Versuch wurde 35 Tage nach Aussaat beendet. In beiden Populationen trat für alle Merkmale eine signifikante Variation auf. In beiden Populationen war das Wachstum unter Salzstress gehemmt, wobei FW und DW sehr stark reduziert waren während der RWC nur eine leichte Reduktion zeigte. Die anderen Merkmale zeigten unter Salzstress einen Anstieg mit Ausnahme von K+ in der B. oleracea Population. Die SPAD Werte zeigten einen Anstieg. Auch Na+ mg/g DM und Na+/K+ zeigten einen starken Anstieg. Der K+ Gehalt stieg in der B. napus Population unerwartet an, während er in der B. oleracea Population abnahm. Das Aufrechterhalten von hohen K+ Konzentrationen unter Salzstress ist ein Merkmal für Salztoleranz. Diese Ergebnisse unterstützen frühere Ergebnisse dass B. napus eine höhere Salztoleranz hat als B. oleracea. In beiden Populationen wurde sowohl in der Kontrolle als auch unter Salzstress eine Reihe von QTL identifiziert. In der B. napus Population wurden auf verschiedenen Kopplungsgruppen (LG) QTL „hotspots“ entdeckt. Der größte „hotspot“ lag auf LG C3. Auch in der B. oleracea Population wurde auf LG C3 ein „hotspot“ entdeckt mit QTL für mehrere Merkmale. Hier liegen also in derselben Region des Genoms Gene für mehr als nur ein Merkmal sowohl in der Kontrolle als auch unter Salzstress. Die Variation dieser Merkmale wird entweder von einem Gen mit pleiotropem Effekt gesteuert oder von mehreren unabhängigen Genen. Regionen mit QTL für mehrere Merkmale sind von großem Interesse weil dadurch mehr als nur ein Merkmal gleichzeitig verbessert werden kann. Unter den gleichen Bedingungen wurde in den beiden B. napus bzw. B. oleracea Populationen auch die Variation in den Blatt-GSL untersucht. Die Elternlinien beider Populationen unterschieden sich stark in GLS Gehalt und Zusammensetzung. In der B. napus Population hatte Mansholts einen im Vergleich zu Samourai hohen GSL Gehalt sowohl in der Kontrolle als auch unter Salzstress. Unter Salzstress verhielten sich die beiden Eltern unterschiedlich, Mansholts zeigte einen Anstieg und Samourai eine Abnahme des GSL Gesamtgehalts. In der B. oleracea Population zeigte die Elternlinie TO eine höheren GSL-Gehalt als der Elter EB. Die einzelnen GSL Komponenten zeigten in beiden DH Populationen eine Abnahme bei Salzstress mit Ausnahme von RAA und GBC bei B. napus und GBC bei B. oleracea. Aufgrund ihrer antioxidativen Eigenschaften könnte der Anstieg von RAA und GBC dazu dienen die ROS zu detoxifizieren, die als Reaktion auf Salzstress produziert wurden. Mehrere QTL wurden sowohl in der Kontrolle als auch unter Salzstress kartiert. In der B. napus Population wurden QTL „hotspots“ in Regionen identifiziert in denen bereits früher QTL für Samen-GSL lokalisiert wurden. Dies war vor allem auf LG A9 und LG C2 der Fall. In der B. oleracea Population wurden QTL „hotspots“ auf LG C9 und LG C7 lokalisiert. Das gleichzeitige Auftreten von QTL an derselben Position lässt sich teilweise dadurch erklären dass es sich um Komponenten derselben GSL Gruppen handelt. Es gab keine Übereinstimmung zwischen den QTL für die Keimfähigkeit unter Salzstress und den QTL für Variation bei Jungpflanzen. Dies weist darauf hin dass für die Salztoleranz während der Pflanzenentwicklung unterschiedliche Mechanismen verantwortlich sind. Durch die Kombination von QTL für Salztoleranz in den unterschiedlichen Entwicklungsstadien lässt sich eine verbesserte Anpassung an Salzstress erreichen.

Marker assisted selection in hybrid breeding of oil seed rape

Projeções de crescimento populacional, do aumento do consumo de alimentos e da escassez de terras agricultáveis apontam para a necessidade de intensificar a produção agrícola, a fim de suprir a demanda mundial. O Brasil é o maior produtor mundial de cana-de-açúcar, sendo o estado de São Paulo responsável por 56% da produção nacional. Nos mais de 4,5 milhões de hectares no estado, a cultura apresenta período de latência do crescimento. Nesse momento de crescimento lento da cana-de-açúcar a introdução de uma cultura de ciclo anual curto faz-se possível. Com base nessa hipótese, a presente dissertação de mestrado se propôs avaliar o desempenho fitotécnico da consorciação de cana-de-açúcar e canola e, particularmente analisar a capacidade produtiva da oleaginosa em ambiente de clima tropical, quantificar a interação com a radiação fotossinteticamente ativa desses cultivos e avançar no estudo de modelagem da cultura da canola. Para isso, foram conduzidos experimentos a campo, durante três anos agrícolas, delineado em blocos casualizados com 4 repetições e 5 tratamentos: cana-de-açúcar + canola Hyola 61; cana-de-açúcar + canola Hyola 401 ou Hyola 571; cana-de-açúcar monocultivo; canola Hyola 61 monocultivo; canola Hyola 401 ou Hyola 571 monocultivo. Além disso, foi conduzido um experimento adicional de produção de canola irrigada delineado no esquema de blocos casualizados com 4 repetições para a calibração do modelo APSIM-Canola. Medidas meteorológicas, de solo e biométricas foram realizadas para caracterizar os sistemas de produção. Os principais resultados evidenciaram que o sistema de consorciação de cana-de-açúcar e canola foi capaz de intensificar o uso da terra, com produtividade das culturas consorciadas similar às obtidas em monocultivo. O aumento da produção do sistema consorciado ocorreu devido a utilização mais eficiente dos recursos ambientais, principalmente da radiação fotossinteticamente ativa. O modelo APSIM-Canola calibrado demonstrou potencialidade de uso para projetar a expansão agrícola da canola, podendo contribuir para o aperfeiçoamento do zoneamento agroclimático da cultura no Brasil. / Projections of population growth, increased food consumption and scarce agricultural land indicate the need to intensify agricultural production in order to meet the world demand. Brazil is the world\'s largest producer of sugarcane, with São Paulo state accounting for 56% of national production. In the more than 4.5 million hectares in the State, the crop has a latency period of growth. At this time of slow growth of sugarcane, the introduction of a short-season crop is possible. Based on this hypothesis, the present Master\'s thesis aimed to evaluate the phytotechnical performance of sugarcane and canola intercropping and, in particular, to analyze the productive capacity of the oilseed in a tropical climate environment, to quantify the interaction with the photosynthetically active radiation of these crops and to advance in the modeling study of canola. For this, field experiments were conducted during three agricultural years, delineated in randomized complete block with 4 replicates and 5 treatments: sugarcane + Hyola canola 61; canola + canola Hyola 401 or Hyola 571; cane sugar monoculture; canola Hyola 61 monoculture; canola Hyola 401 or Hyola 571 monoculture. In addition to that, it was conducted an experiment of irrigated canola production outlined in randomized complete block design with 4 replications for the calibration of APSIM-Canola model. Meteorological, soil and biometric measurements were performed to characterize the production systems. The main results showed that the sugarcane and canola intercropping system was able to intensify land use, with yields of intercropped crops similar to those obtained in monoculture. The increase in the production of the intercropping system occurs due to the more efficient use of the environmental resources, mainly of photosynthetically active radiation. The calibrated APSIM-Canola model showed potential use to project the agricultural expansion of canola, and can contribute to the improvement of the crop\'s agroclimatic zoning in Brazil.